改性硅溶膠無機涂料在建筑空間設(shè)計中的應(yīng)用

李 華,張 晨

(西安外事學(xué)院,陜西 西安 710077)

隨著現(xiàn)代文明的進(jìn)步，大家對于美的追求越來越高，涂料作為現(xiàn)在最常用的一種裝飾材料，自然也得到了重視。硅溶膠無機涂料是目前較為常見的一種涂料，因其在環(huán)保、機械性能和耐久性方面的優(yōu)勢，在建筑行業(yè)得到了廣泛的應(yīng)用。但硅溶膠無機涂料還存在施工性能和成膜性能不足的問題，限制了硅溶膠無機涂料的發(fā)展空間。因此，提升硅溶膠無機涂料的性能是目前較為重要的一項研究課題。對此，很多學(xué)者進(jìn)行了很多的研究。如通過甲基硅酸鉀(PMS)對其進(jìn)行原位改性制得疏水改性硅溶膠，并對其性能進(jìn)行表征。結(jié)果表明，PMS能明顯改善硅溶膠無機涂料的成膜性能，當(dāng)PMS質(zhì)量分?jǐn)?shù)為5%時，涂層表現(xiàn)出較好的性能，鉛筆硬度達(dá)到6 H，表面接觸角為152°，吸水率僅為0.9%。基于此，本文在文獻(xiàn)[1]研究的基礎(chǔ)上，以PMS改性硅溶膠為基底，制備PMS 改性硅溶膠-硅丙(PMS-Si-SAE)雜化乳液，提升其施工性能，為硅溶膠的發(fā)展提供一些數(shù)據(jù)基礎(chǔ)。

1 材料與方法

1.1 材料與設(shè)備

本試驗主要材料：甲基硅酸鉀(PMS)(CP，山東聚富鑫旺化工有限公司)、JN-30堿性硅溶膠(CP，新鄭市永發(fā)化工有限公司)、硅丙乳液(AR，廣州市啟華化工有限公司)。

本試驗主要設(shè)備：ADS-1018V超聲波清洗機(濟(jì)南來寶醫(yī)療器械有限公司)、HMS-205D磁力攪拌器(上海滬析實業(yè)有限公司)、DZF-6020真空干燥箱(濟(jì)南歐萊博技術(shù)有限公司)、FPMICR-SEM掃描電子顯微鏡(輔光精密儀器(上海)有限公司)、T-4黏度計(山東龍煤工礦機械有限公司)、HL9200納米粒度分析儀(北京海鑫瑞科技有限公司)

1.2 試驗方法

PMS改性硅溶膠制備

(1)在去離子水中溶入一定質(zhì)量PMS粉末，配制成質(zhì)量分?jǐn)?shù)為20%的PMS溶液；然后放入ADS-1018V型數(shù)控超聲波清洗機中超聲分散，分散時間為30 min；

(2)在HMS-205D型磁力攪拌器中放入75 g堿性硅膠溶膠進(jìn)行分散，然后緩慢滴加PMS溶液5、10、15、20 和25 g，攪拌均勻后移入超聲清洗機；將其在水溫50 ℃的條件下超聲分散30 min，得到質(zhì)量分?jǐn)?shù)為 1%、2%、3%、4%、5%的改性硅溶膠(PMS-Si)。

PMS改性硅/硅丙(PMSSiSAE)雜化乳液的制備

將制備好的改性硅溶液置于磁力攪拌器上，在攪拌的條件下分別滴加質(zhì)量分?jǐn)?shù)為0%、2%、4%、6%、8%的硅丙乳液，待2種溶液完全混合后，置于超聲清洗機中超聲分散30 min，得到雜化乳液樣品。

樣板制備

提前用80目對馬口鐵片進(jìn)行打磨和拋光處理，然后放入超聲清洗機中用乙醇溶液超聲清洗，超聲時間為10 min，60 ℃烘干，得到處理好的馬口鐵片。用毛刷蘸取乙醇溶液對硅酸鈣板表面進(jìn)行清洗，然后置于真空干燥箱，在60 ℃的條件下烘干，得到處理好的硅酸鈣板。

將制備好的PMS-Si-SAE雜化乳液在處理好的馬口鐵和硅酸鈣板上均勻涂布，乳液厚度為60 μm，置于室溫環(huán)境下養(yǎng)護(hù)，養(yǎng)護(hù)時間為48 h。

1.3 性能測試

微觀形貌表征

將處理好的涂層樣品用強風(fēng)吹掃，之后在樣品表面進(jìn)行噴金處理；然后用掃描電子顯微鏡對樣品進(jìn)行測試。

基礎(chǔ)性能測試

外觀形態(tài)：用目測觀察雜化乳液外觀形態(tài)變化。

黏度：用T-4黏度計測定雜化乳液黏度。

平均粒徑：將雜化乳液進(jìn)行稀釋，使SiO質(zhì)量分?jǐn)?shù)為0.5%；然后用粒度分析儀分析平均粒徑。

力學(xué)性能測試

鉛筆硬度：參照國標(biāo) GB/T 6379—2006對雜化涂膜進(jìn)行漆膜硬度測試。

附著力：參照國標(biāo) GB/T 9286—1998測試雜化涂膜與基材的附著力。

無機底漆性能測試

表干時間：參照國標(biāo) GB/T 1728—197對無機底漆表干時間進(jìn)行測定。

施工效果評價：采用噴涂、滾涂和刮涂3種施工方法評價無機涂料施工效果。

2 結(jié)果與討論

2.1 PMS-Si-SAE雜化乳液微觀形貌表征

圖1為PMS-Si-SAE雜化乳液涂層的SEM，其中編號0、2、4、6和8分別表示在硅丙乳液質(zhì)量分?jǐn)?shù)為0%～8%時的PMS-Si-SAE雜化乳液SEM。

圖1 PMS-Si-SAE雜化乳液微觀形貌表征Fig.1 Microstructure characterization of PMS-Si-SAE hybrid emulsion

由圖1可知，純PMS-Si乳液涂膜涂層嚴(yán)重開裂，且出現(xiàn)涂膜剝落的現(xiàn)象。隨著硅丙乳液質(zhì)量分?jǐn)?shù)的增加，雜化涂膜開裂程度降低，當(dāng)硅丙乳液質(zhì)量分?jǐn)?shù)增加到8%后，涂膜僅出現(xiàn)了少部分開裂的情況。這就說明了硅丙乳液對雜化涂層抗裂性能有的明顯的提升作用，且用量越多，對抗裂性能的提升作用越明顯。

2.2 PMS-Si-SAE雜化乳液基礎(chǔ)性能測試

表1為PMS-Si-SAE雜化乳液基礎(chǔ)性能測試結(jié)果。

表1 PMS-Si-SAE雜化乳液基礎(chǔ)性能測試Table 1 Basic performance test of PMS-Si-SAE hybrid emulsion

由表1可知，未摻加硅丙乳液的PMS-Si乳液表現(xiàn)為無色透明，泛少許藍(lán)光的液體。添加硅丙乳液后，外觀表現(xiàn)為乳白色泛藍(lán)光，并未有異常情況和絮狀物出現(xiàn)，且黏度變化不大，這就說明了丙硅乳液可以在PMS-Si中均勻分散，二者相適性良好。同時，摻入硅丙乳液后，雜化乳液平均粒徑增加，且丙硅乳液的添加量對雜化乳液平均粒徑影響不大，基本持平為100 mm。PDI為粒徑分布分散的程度，該值的大小對應(yīng)體系中粒徑分布的寬窄。當(dāng)硅丙乳液質(zhì)量分?jǐn)?shù)為4%時，PDI值最??；這再次說明了硅丙乳液在PMS-Si中分散較好，乳液粒徑較為均勻。

2.3 PMS-Si-SAE力學(xué)性能測試

表2為硅丙乳液用量對PMS-Si-SAE雜化乳液涂層力學(xué)性能的影響。

表2 硅丙乳液用量對雜化涂層力學(xué)性能的影響Table 2 Effect of silicone acrylic emulsion dosage on mechanical properties of hybrid coatings

由表2可知，雜化涂膜機械性能明顯受硅丙乳液用量影響。隨硅丙乳液用量的增加，雜化乳液力學(xué)性能皆有所提升；這可能是因為硅溶膠與硅丙溶液穿插成膜，提升了涂膜機械想能的同時降低了涂膜的收縮和開裂，對涂料硬度和韌性有增強作用，進(jìn)一步提升了雜化涂膜的附著力。

2.4 施工過程測試

PMS用量對涂料表干時間影響較大，以上試驗結(jié)果表明，當(dāng)硅丙乳液質(zhì)量分?jǐn)?shù)為4%時，涂料綜合性能良好。因此，選擇質(zhì)量分?jǐn)?shù)為4%的硅丙乳液為基礎(chǔ)，探究不同PMS用量的PMS-Si-SAE雜化乳液表干時間和施工性能的變化。

圖2為表干時間隨PMS用量變化情況。

圖2 PMS用量對無機涂料表干時間的影響Fig.2 Effect of PMS dosage on surface drying time of inorganic coatings

由圖2知，涂料表干時間隨PMS用量增加而延長。當(dāng)PMS質(zhì)量分?jǐn)?shù)為5%時，涂料表干時間為15.5 min，比質(zhì)量分?jǐn)?shù)為1%時提升了55%；這就證明增加PMS用量，能夠有效降低涂料的失水速率，對涂料的成膜時間有延長作用，這利于得到更好的涂膜效果。

表3為滾涂、刮涂和噴涂3種施工方式對無機涂料施工性能的影響。

表3 3種施工方式對無機涂料施工性能的影響Table 3 Effect of three construction methods on the construction performance of inorganic coatings

由表3可知，當(dāng)PMS用量較小時，涂料失水較快，3種施工方式均有不同程度掉粉出現(xiàn)。當(dāng)PMS質(zhì)量分?jǐn)?shù)為2%～3%時，3種施工方式均表現(xiàn)良好。繼續(xù)提升PMS用量至5%時，滾涂施工方式出現(xiàn)流掛現(xiàn)象，刮涂無影響，噴涂方式出現(xiàn)針眼和流掛現(xiàn)象；綜合考慮，當(dāng)PMS質(zhì)量分?jǐn)?shù)為2%～3%時，雜化底漆綜合性能最佳。

2.5 市場在售對比分析

表4為本文制備的PMS-Si-SAE雜化乳液與市場在售某品牌底漆對比分析。

表4 本文制備的雜化乳液與市場在售某品牌底漆對比分析Table 4 Comparative analysis of hybrid emulsion prepared in this paper and a brand primer sold in the market

由表4可知，2種底漆樣板涂層施工性均表現(xiàn)良好，基材吸料較為均勻，且施工過程沒有障礙。但市售某品牌底漆樣板涂層有鼓包和開裂現(xiàn)象發(fā)生，這是因為有機底漆與無機涂料無法很好適配導(dǎo)致的。而本文制備的PMS-Si-SAE雜化乳液涂膜狀態(tài)則表現(xiàn)良好，與無機涂料適配度較高。同時，本文制備的PMS-Si-SAE雜化乳液價格也明顯低于該品牌底漆，說明PMS-Si-SAE雜化乳液性價比較高。

3 結(jié)語

本文以甲基硅酸鉀為疏水改性劑，對硅溶膠進(jìn)行改性，并以此為基底，制備了PMS 改性硅溶膠/硅丙(PMS-Si-SAE)雜化乳液。通過對PMS-Si-SAE雜化乳液的基本性能和施工性能進(jìn)行研究，得到的結(jié)果：

(1)改性硅溶液和硅丙乳液互相穿插，有效提升了雜化乳液涂層抗裂性能；

(2)當(dāng)硅丙乳液質(zhì)量分?jǐn)?shù)為4%時，乳液外觀表現(xiàn)為乳白色泛藍(lán)光，沒有絮狀物和異常情況出現(xiàn)；PDI值較小，在體系中粒徑分布較為均勻；

(3)硅丙乳液能有效提升雜化乳液的力學(xué)性能，當(dāng)硅丙乳液質(zhì)量分?jǐn)?shù)達(dá)到4%時，機械性能表現(xiàn)良好；

(4)增加PMS用量，能有效提升涂料表干時間。當(dāng)PMS質(zhì)量分?jǐn)?shù)為5%時，涂料表干時間為15.5 min；但PMS用量較多時，施工過程中可能出現(xiàn)流掛現(xiàn)象。綜合考慮，PMS質(zhì)量分?jǐn)?shù)在2%～3%時為宜；

(5)本文制備的PMS-Si-SAE 雜化乳液與無機涂料的適配度和性價比皆高于市售某品牌底漆，涂膜無掉粉、開裂現(xiàn)象發(fā)生。