藝術(shù)環(huán)保墻涂層復(fù)合顏料制備及疏水性能研究

劉一葉 王懿

摘要：針對傳統(tǒng)文化藝術(shù)墻涂層復(fù)合顏料的疏水性能和環(huán)保性能，提出一種新型超疏水復(fù)合顏料的制備、試驗(yàn)。首先對復(fù)合顏料的制備工藝進(jìn)行優(yōu)化，然后對優(yōu)化工藝后顏料的性能進(jìn)行研究。結(jié)果表明，在四乙氧基硅垸（TEOS）和十六烷基三甲氧基硅烷（HDTMS）用量均為0.14 mol/L，反應(yīng)溫度為50℃ ， 反應(yīng)時(shí)間為24 h 的條件下制備的復(fù)合顏料表面接觸角最高達(dá)到了160° ， 滾動角最低為4° ， 表現(xiàn)出良好的超疏水性能。將超疏水復(fù)合顏料噴涂于載玻片上制備涂層，Sep/MB@POS 復(fù)合顏料濾液顏色接近于無色，在650 nm 處最大吸光度值接近于0，在經(jīng)過不同惡劣條件處理后的Sep/MB@POS 復(fù)合顏料，表面接觸角最低不低于154° ， 滑動角最高不高于5.0，涂層附著力可以達(dá)到5B標(biāo)準(zhǔn)，在經(jīng)過1500次磨損后，接觸角仍舊高于150° ， 滾動角仍未超過10° ，表現(xiàn)出良好的超疏水性能和綜合性能。

關(guān)鍵詞：藝術(shù)環(huán)保墻；涂層復(fù)合顏料；超疏水性能；海泡石顏料

中圖分類號： TQ 622文獻(xiàn)標(biāo)志碼：A文章編號：1001-5922（2023）05-0082-05

Preparationandhydrophobicpropertiesof artisticand environmentallyfriendlycoatingcomposites

LIU Yiye，WANG Yi

（Shangluo Vocational and Technical College，shangluo 726000，Shaanxi China）

Abstract： A newtype of superhydrophobic composite pigment is proposed to address the poor hydrophobicity of tra? ditional children's art environmentally friendly wall pigments. The experiment first optimized the preparation pro? cess of composite pigments，and then studied the performance of the pigments after optimizing the process. The ex? perimental results showed that the composite pigment prepared under the conditions of both TEOS and HDTMS dos? age of 0.14 mol/L，reaction temperature of 50℃ ， and reaction time of 24 hours had a maximum surface contact an? gle of 160° and aminimum rolling angle of 4° ， exhibiting good superhydrophobic performance. Sprayed superhydro? phobic composite pigments onto glass slides to prepare a coating the color of the composite pigment filtrate，Sep/ MB@POS was close to colorless，and the maximum absorbance value at 650 nm was close to 0. After different harsh conditions，Sep/ MB@POS Composite pigment，with a minimum surface contact angle of 154° and a maximum slid? ing angle of 5.0，the coating adhesion could reach the 5B standard. After 1500 abrasions，the contact angle still ex? ceeded 150° and the rolling angle still did not exceed 10° ， demonstrating good superhydrophobic performance and comprehensive performance.

Keywords： art and environmental protection wall；super hydrophobic pigments；superhydrophobic performance； sepiolite pigment

傳統(tǒng)墻體顏料自身并不附帶超疏水性能，用于兒童藝術(shù)墻繪制時(shí)，易受牛奶、白水等溶劑的影響，出現(xiàn)暈染脫落的現(xiàn)象，影響其藝術(shù)效果。為了進(jìn)一步提升兒童藝術(shù)墻顏料的實(shí)用性能，部分學(xué)者也進(jìn)行了很多研究，如嘗試通過納米材料提升環(huán)氧樹脂涂層的耐腐蝕性能，結(jié)果表明，納米材料能有效提升環(huán)氧樹脂涂層的耐蝕性能，可以作為環(huán)氧樹脂改性材料使用[1]。嘗試添加外加劑提升防水涂料的綜合性能，結(jié)果表明，3種外加劑均能有效提升防水涂料的綜合性能[2]。利用生漆提取物——漆酚與端氨基硅油（AS）協(xié)同改性環(huán)氧樹脂（EP），制備無溶劑涂料，并對其性能進(jìn)行研究，結(jié)果表明，添加適當(dāng)量的漆酚和AS 顯著提升了涂層的力學(xué)性能、耐熱性能、疏水性能以及防腐性能[3]。制備出了一種色物理改性的水性納米二氧化硅分散體添加劑，并對其效果進(jìn)行研究，結(jié)果表明，在市售丙烯酸涂料中添加該添加劑后，其超疏水性、耐磨性和抗刮性能均得到有效提升[4]。基于此，本試驗(yàn)以文獻(xiàn)[5]的方法為參考，制備了一種新型超疏水復(fù)合顏料，并對其在兒童藝術(shù)墻中的應(yīng)用進(jìn)行了研究。

1 材料與方法

1.1 材料與設(shè)備

主要材料：亞甲基藍(lán)染料（AR），鹿化工染料；鹽酸（AR），欣航化工；海泡石（AR）泰潤礦產(chǎn)品；氨（AR），添香生物工程；無水乙醇（AR），泰熙化工； TEOS（AR），宇碩化工；HDTMS（AR），海特聯(lián)科科技；丙酮（AR），前衍化學(xué)科技；甲苯（AR），歐辰化工。

主要設(shè)備：SF-8500RR 型超聲振蕩器，平山貿(mào)易；JY-PHB 型接觸角測試儀，優(yōu)特檢測儀器；S410型紅外光譜儀，奧析科學(xué)儀器；SC-XRD 型X 射線衍射儀，獅山輝研測試；HT-2119型紫外可見光譜，海特爾環(huán)保科技；85-1型恒溫磁力攪拌器，柏嘉潤化工設(shè)備；TG5A 型離心機(jī)，精誠儀器儀表；101-A 型電熱烘箱，天騰干燥科技。

1.2 試驗(yàn)方法

1.2.1 超疏水復(fù)合顏料的制備

（1）按照固液比為1∶10的比例將亞甲基藍(lán)染料與去離子水混合，在室溫水浴條件下恒溫磁力攪拌至完全溶解；

（2）將一定量經(jīng)過鹽酸改性的海泡石放入亞甲基藍(lán)染料溶液中進(jìn)行吸附，吸附時(shí)間不低于4 h。取出反應(yīng)物后在離心機(jī)的作用下進(jìn)行離心處理，離心轉(zhuǎn)速和時(shí)間分別為9000 r/min和3 min；

（3）將離心后的固體過濾出來，然后置于電熱鼓風(fēng)烘箱內(nèi)烘干，烘干溫度和時(shí)間分別為60℃和2 h，得到海泡石復(fù)合顏料（Sep/MB）；

（4）將含有1 mL 氨和9 mL 無水乙醇的飽和醇溶液倒入燒瓶中，然后放入0.5 g Sep/MB 復(fù)合顏料進(jìn)行磁力攪拌，使其充分混合，磁力攪拌時(shí)間為3 min；

（5）在攪拌狀態(tài)下加依次加入一定量的TEOS 和 HDTMS，然后置于超聲振蕩器內(nèi)進(jìn)行振蕩混合，振蕩的溫度和時(shí)間分別為50℃和30 min；

（6）在超聲振蕩過程中將1.44 mL 蒸餾水快速加入混合物后，將燒瓶進(jìn)行密封處理后維持該溫度繼續(xù)進(jìn)行超聲振蕩處理，處理時(shí)間為1 h；

（7）將混合液平均分為多份，在不同溫度條件下進(jìn)行磁力攪拌，攪拌時(shí)間為1 d。通過離心機(jī)對反應(yīng)產(chǎn)物進(jìn)行離心處理，離心轉(zhuǎn)速和時(shí)間分別為9000 r/min 和10 min；

（8）用15 mL 乙醇對過濾的離心產(chǎn)物進(jìn)行洗滌，洗滌3次，然后置于電熱烘箱內(nèi)進(jìn)行烘干，烘干溫度和時(shí)間分別為60℃和2 h。得到超疏水海泡石/亞甲基藍(lán)復(fù)合顏料（Sep/MB@POS）。

1.2.2 超疏水復(fù)合顏料涂層的制備

（1）依次用無水乙醇、丙酮、蒸餾水對光滑的載玻片進(jìn)行潤洗，然后在氮?dú)獗Ｗo(hù)的條件下進(jìn)行干燥；

（2）在4 mL 甲苯中放入60 mg Sep/MB@POS，在超聲振動的條件下使其完全分散，分散溫度和時(shí)間分別為30℃和30 min，得到超疏水復(fù)合顏料的甲苯溶液；

（3）分別將超疏水復(fù)合顏料的甲苯溶液和醇溶液通過噴槍噴涂在處理后的載玻片上，然后置于電熱烘箱內(nèi)進(jìn)行烘干固化，固化溫度和時(shí)間分別為100℃和1 h。

1.3 性能測試

1.3.1 超疏水性能測試

通過JY-PHB型接觸角測試儀對復(fù)合顏料的接觸角和滾動角進(jìn)行測試，進(jìn)而表征顏料的超疏水性能。

1.3.2 微觀形貌

通過掃描電鏡對顏料內(nèi)壁結(jié)構(gòu)的變化進(jìn)行觀察，分析其性能變化的原理。

1.3.3 紅外光譜

通過 S410型紅外光譜儀表征材料官能團(tuán)的變化，確定是否成功制備出目標(biāo)產(chǎn)物。

1.3.4晶型分析

通過SC-XRD 型X射線衍射儀對材料晶型進(jìn)行分析，確定經(jīng)過吸附和包覆處理后，有沒有對海泡石晶型產(chǎn)生影響。

1.3.5 穩(wěn)定性分析

將噴涂有Sep/MB@POS 復(fù)合顏料的載玻片置于不同條件下放置，然后對放置后復(fù)合顏料表面接觸角與滑動角變化進(jìn)行測試，確定其穩(wěn)定性。

1.3.6 耐有機(jī)溶劑分析

將制備的顏料完全浸沒于無水 CH3CH2OH 中，振蕩24 h后通過離心分離出固體，最后通過HT-2119對濾液進(jìn)行分析。

1.3.7 耐磨性測試

參照GB/T 23988—2009中的相關(guān)方法對復(fù)合顏料的耐磨性能進(jìn)行測試[6-7]。

1.3.8 附著力測試

參照國標(biāo) GB/T 9286—1998中的交叉劃格法對顏料的附著力進(jìn)行測試[8]。

2 結(jié)果與討論

2.1 復(fù)合顏料反應(yīng)條件優(yōu)化

由于本試驗(yàn)制備的復(fù)合顏料為超疏水材料，因此通過表面接觸角（CA）與滾動角（SA）的變化對反應(yīng)條件進(jìn)行優(yōu)化。

2.1.1 反應(yīng)產(chǎn)物用量優(yōu)化

TEOS 和HDTMS 用量對超疏水復(fù)合顏料接觸角與滾動角的影響如圖1所示。

從圖1可以看出，當(dāng)TEOS 和 HDTMS 用量均為0.14 mol/L 時(shí)，顏料表面接觸角最高達(dá)到了160° ， 滾動角最低為4° ， 滿足超疏水復(fù)合顏料要求。而過量的 TEOS 和HDTMS 均會對復(fù)合顏料超疏水表面的形成產(chǎn)生不利影響[9-10]。因此，選擇適宜的TEOS 和HDTMS 用量均為0.14 mol/L。

2.1.2 反應(yīng)溫度優(yōu)化

反應(yīng)溫度對復(fù)合顏料超疏水性能的影響如圖2所示。

從圖2可以看出，在本試驗(yàn)研究的溫度范圍內(nèi)，制備的復(fù)合顏料接觸角均超過150° ， 滾動角均小于10° ， 表現(xiàn)出一定的超疏水性能。當(dāng)溫度為50℃時(shí)，復(fù)合顏料表面接觸角達(dá)到最大161° ， 滾動角達(dá)到最小4° ， 這就說明在給定溫度條件下制備的復(fù)合顏料超疏水性能最佳。因此，可認(rèn)定適宜的反應(yīng)溫度為50℃。

從圖3可以看出，當(dāng)反應(yīng)時(shí)間為24 h 時(shí)，復(fù)合顏料的超疏水性能達(dá)到最佳，這說明在該反應(yīng)時(shí)間內(nèi)，有機(jī)硅氧烷的包覆達(dá)到了最佳，因此，復(fù)合顏料表現(xiàn)出較好的超疏水性能，適宜的反應(yīng)時(shí)間為24 h。

2.2 形貌及結(jié)構(gòu)表征

2.2.1 微觀形貌表征

材料的SEM如圖4所示。

從圖4可以看出，材料表面具有良好的分散性，且呈現(xiàn)出光滑、細(xì)長的纖維棒狀。在加入亞甲基藍(lán)顏料后，海泡石的厚度和粗糙度在一定程度有所增加。這個(gè)現(xiàn)象說明MB分子成功吸附到了海泡石的表面[11-12]。而在制備的 Sep/MB@POS 表面，其粗糙度和聚集度都進(jìn)一步增加，且有一層透明的有機(jī)硅烷層。這說明硅烷在Sep/MB上成功包覆[13]。

2.2.2 官能團(tuán)分析

圖5為制備的顏料的紅外光譜圖。

從圖5可以看出，與 Sep 和 Sep/MB 相比，Sep/ MB@POS 分別在2920 cm-1等3處有新的C—H 特征峰，證明了十六烷基基團(tuán)的存在[14-15]。這說明在海泡石上包覆了具備超疏水功能的有機(jī)硅烷，即成功制備出Sep/MB@POS超疏水復(fù)合顏料。

2.2.3 晶型分析

通過X 射線衍射圖譜對顏料的晶型進(jìn)行分析，結(jié)果如圖6所示。

從圖6可以看出，3種顏料的XRD 曲線并沒有太大的不同，這說明亞甲基藍(lán)只是在海泡石外表和內(nèi)部孔道口吸附，并未延伸至晶格內(nèi)部，且有機(jī)硅烷只是在海泡石表面包覆，2種改變均不會破壞海泡石晶體[16-17]。2.3 復(fù)合顏料涂層性能測試

2.3.1 耐有機(jī)溶劑性能測試

將復(fù)合顏料經(jīng)過無水乙醇浸泡24 h 后進(jìn)行固液分離，最后進(jìn)行紫外可見光吸收光譜分析，以表征顏料的耐有機(jī)溶劑性能；具體結(jié)果如圖7所示。

從圖7可以看出，Sep/MB 復(fù)合顏料在650 nm 處的最大吸光度值為1.0，說明Sep/MB 復(fù)合顏料具備較差的耐有機(jī)溶劑性能；Sep/MB@POS 復(fù)合顏料濾液顏色接近于無色，在650 nm 處最大吸光度值接近于0，說明經(jīng)過有機(jī)硅烷包覆處理后，復(fù)合顏料幾乎不受無水乙醇的影響，耐有機(jī)溶劑性能得到明顯提升[18]。

2.3.2 涂層穩(wěn)定性測試

將噴涂有Sep/MB@POS 復(fù)合顏料的載玻片置于不同條件下放置，然后對放置后復(fù)合顏料表面接觸角與滑動角變化進(jìn)行測試，結(jié)果如表1所示。

由表1可知，在經(jīng)過不同惡劣條件處理后的 Sep/MB@POS 復(fù)合顏料，表面接觸角最低不低于154° ， 滑動角最高不高于5.0° ，仍舊表現(xiàn)出較好的超疏水性能[19]。這說明Sep/MB@POS 復(fù)合顏料涂層對惡劣環(huán)境的適應(yīng)性良好，即 Sep/MB@POS 復(fù)合顏料涂層表現(xiàn)出良好的穩(wěn)定性。

2.3.3 附著力試驗(yàn)結(jié)果

對超疏水復(fù)合顏料的附著力進(jìn)行測試，結(jié)果如圖8所示。

CA=158°

從圖8可以看出，經(jīng)過百格刀切割后，復(fù)合涂料方格內(nèi)部和刀痕的邊緣并未出現(xiàn)明顯脫落的現(xiàn)象，涂層表面基本保持著較完整的狀態(tài)。根據(jù)ASTM 標(biāo)準(zhǔn)對涂層附著力進(jìn)行等級評定，Sep/MB@POS 復(fù)合顏料涂層附著力可以達(dá)到5B 標(biāo)準(zhǔn)，這證明了本試驗(yàn)制備的Sep/MB@POS 復(fù)合顏料可以在載玻片上進(jìn)行有效附著，具備較好的附著力。

2.3.4 耐磨性試驗(yàn)結(jié)果

對經(jīng)過多次磨損后的超疏水涂層接觸角與滾動角進(jìn)行測試，表征涂層的耐磨性能，結(jié)果如圖9所示。

從圖9可以看出，超疏水復(fù)合顏料的初始接觸角和滾動角分別約為160°和4°。隨磨損次數(shù)的增加，涂層表面接觸角開始降低，滾動角開始慢慢增加。當(dāng)磨損次數(shù)增至1500次時(shí)，接觸角仍舊高于150° ， 滾動角仍未超過10° ， 也就是說，在經(jīng)過1500次磨損后， Sep/MB@POS 復(fù)合顏料涂層仍舊保持著較好的超疏水性能，即砂紙的磨損對涂層的超疏水并沒有太大的影響，本試驗(yàn)制備的 Sep/MB@POS 復(fù)合顏料涂層表現(xiàn)出較好的耐磨性能[20]。

2.3.5 抗壓性能測試

涂層抗壓性能測試結(jié)果，具體如圖10所示。

從圖10可以看出，在30 kPa 的壓力條件下，隨著時(shí)間的增加對涂層接觸角幾乎沒有太大影響，僅對涂層滾動角產(chǎn)生明顯影響。當(dāng)噴射時(shí)間為5 min 時(shí)，滾動角已經(jīng)超過了10°。這說明本試驗(yàn)制備的疏水顏料表現(xiàn)出良好的抗壓性能。在一定的壓力、時(shí)間條件下，仍能保持一定的疏水特性。

2.4實(shí)際應(yīng)用

將本試驗(yàn)制備的超疏水復(fù)合顏料用于兒童房彩繪繪制，效果如圖11所示。

從圖11可以看出，本試驗(yàn)制備的超疏水復(fù)合顏料在兒童房的繪制效果良好，且不易受牛奶、咖啡等溶液的影響，表現(xiàn)出較好的應(yīng)用性能。

3 結(jié)語

本試驗(yàn)制備的超疏水復(fù)合顏料涂層表現(xiàn)出良好的綜合性能，可以在幼兒藝術(shù)墻彩繪中發(fā)揮作用。

（1）超疏水復(fù)合顏料制備條件優(yōu)化結(jié)果為：適合的TEOS 和HDTMS 用量均為0.14 mol/L，反應(yīng)溫度為50℃ ， 反應(yīng)時(shí)間為24 h。在此條件下制備的復(fù)合顏料表面接觸角最高達(dá)到了160° ，滾動角最低為4° ， 表現(xiàn)出良好的超疏水性能；

（2）對超疏水復(fù)合顏料的形貌和結(jié)構(gòu)進(jìn)行表征，結(jié)果為：Sep/MB@POS 超疏水復(fù)合顏料存在十六烷基的C—H 特征峰，且Sep/MB@POS 的XRD 曲線并未發(fā)生明顯變化，這說明成功制備出 Sep/MB@POS 超疏水復(fù)合顏料，且亞甲基藍(lán)的吸附和有機(jī)硅烷的包覆不會對海泡石晶型產(chǎn)生影響；

（3）復(fù)合顏料涂層性能測試結(jié)果為：Sep/ MB@POS 復(fù)合顏料濾液顏色接近于無色，在650 nm 處最大吸光度值接近于0，在經(jīng)過不同惡劣條件處理后的 Sep/MB@POS 復(fù)合顏料，表面接觸角最低不低于154° ， 滑動角最高不高于5.0° ， 涂層附著力可以達(dá)到5B 標(biāo)準(zhǔn)。在經(jīng)過1500次磨損后，接觸角仍舊高于150° ，滾動角仍未超過10° ，表現(xiàn)出良好的超疏水性能和綜合性能；

（4）對超疏水復(fù)合顏料實(shí)際應(yīng)用效果進(jìn)行測試，超疏水復(fù)合顏料在兒童房的繪制效果良好，且不易受牛奶、咖啡等溶液的影響，表現(xiàn)出較好的應(yīng)用性能。

【參考文獻(xiàn)】

[1] 顏東，鐘萍，袁建新，等.納米材料的表面修飾及其改性環(huán)氧涂料耐蝕性能的研究進(jìn)展[J].材料保護(hù)，2022，55（12）：156-165.

[2] 盧雨婷，付彎彎，任皓，等.外加劑對復(fù)合乳液JS防水涂料性能的影響研究[J].中國建筑防水，2022（10）：13-18.

[3] 喬星明，魏銘，劉傳奇，等.硅/漆酚復(fù)合改性無溶劑環(huán)氧涂料的制備與性能[J].塑料科技，2022，50（9）：58-63.

[4] 李明華，高磊，江佳佳.綠色物理改性納米二氧化硅及復(fù)合涂料抗刮性能[J].中國粉體技術(shù)，2022，28（5）：57-63.

[5] 黃金良.改性海泡石復(fù)合顏料制備及性能研究[D].湘潭：湘潭大學(xué)，2018.

[6] 鄧曉霞，周忠偉，李想，等.水性環(huán)氧硅溶膠復(fù)合防腐涂料的制備及其性能[J].合成樹脂及塑料，2020，37（2）：21-24.

[7] 宋月，王欣，牛耕蕪，等.纖維素微纖絲復(fù)合環(huán)氧樹脂水性涂料制備工藝及性能研究[J].應(yīng)用化工，2020，49（7）：1654-1657.

[8] 孟艷芳，徐明，賀文明.一種防滲透硅烷納米粒子/聚乳酸復(fù)合超疏水涂料[J].精細(xì)化工，2020，37（7）：1493-1500.

[9] 王芯玉，王剛，劉名瑞，等.水性反射輻射復(fù)合隔熱涂料的制備及性能研究[J].化工新型材料，2020，48（5）：112-116.

[10] 王志強(qiáng)，鮑冉，朱義東，等.低表面能有機(jī)納米復(fù)合涂料的制備及其性能[J].武漢大學(xué)學(xué)報(bào)（理學(xué)版），2020，66（4）：386-392.

[11] 裴挫萍，張志林.高溫節(jié)能復(fù)合陶瓷涂料的制備及防腐性能分析[J].化學(xué)與粘合，2020，42（5）：365-368.

[12] 耿君偉，彭浩平.石墨烯-玻璃鱗片環(huán)氧復(fù)合涂料的制備與防腐蝕性能研究[J].材料保護(hù)，2020，53（10）：1-4.

[13] 李虎，張金柱，王鵬輝，等.基于納米纖維素復(fù)合水性丙烯酸涂料應(yīng)用研究[J].中國涂料，2020，35（11）：24-29.

[14] 鄭燕玉，卓東賢，顧芙蓉.甲基苯基硅改性腰果酚醛樹脂涂料的制備及性能[J].泉州師范學(xué)院學(xué)報(bào)，2020，38（6）：1-5.

[15] 易蘇，曹霞，陶慶忠，等.竹炭微粉/水性聚氨酯復(fù)合涂料的白度化及性能研究[J].湖南工程學(xué)院學(xué)報(bào)（自然科學(xué)版），2020，30（4）：61-65.

[16] 夏建榮，高啟超，高仁金，等. PTFE/天然生漆復(fù)合涂料的制備與性能[J].中國生漆，2020，39（4）：41-44.

[17] 張?jiān)品澹瑥堣?，劉鵬，等.納米SiO2改性石蠟相變微膠囊涂料的制備及性能表征[J].涂料工業(yè)，2021，51（1）：34-39.

[18] 張瑞珠，王重洋，王文博，等.改性納米Al2O3/環(huán)氧樹脂復(fù)合防腐蝕涂料的制備及性能[J].腐蝕與防護(hù)，2021，42（5）：38-41.

[19] 李回歸，薛朝華，賈順田.炭黑/PDMS光熱超疏水涂層的制備及防冰除冰性能[J].精細(xì)化工，2021，38（5）：934-940.

[20] 朱全平，朱芳磊，蔡浩浩，等.一種深水環(huán)氧涂層材料的制備和性能研究[J].粘接，2021，46（4）：16-19.