仿生自清洁外墙涂料的制备
蒋柏泉1, 李岂凡1, 邱宝玉2, 肖正强3, 曹文仲1, 喻国华1
( 1. 南昌大学环境科学与工程学院, 江西南昌330031;2. 淄博市市政环境卫生管理处, 山东淄博255000; 3. 江西省科学院生物资源所, 江西南昌330029)
自从1960年9月13日在美国召开的届仿生学研讨会上, 斯蒂尔博士首次提出了仿生学( B ion ics)概念以来, 针对自然界荷叶、芋头叶、芸苔等植物不被污染和自我保洁的现象, 德国的巴斯洛特教授研究了上千种植物叶子的表面微观结构 ,发现荷叶表面由很多10 um 左右的乳突所组成, 而每一个乳突上存在纳米级的二次结构, 这种结构使得荷叶表面呈现为低表面能的粗糙结构, 具有较大的水接触角( 160º)和优越的疏水性能。驻留在外墙涂料表层和缝隙中的水(来自空气中的水分和雨水)是造成涂层污染的主要媒介。因此, 模仿荷叶制备接触角较大的外墙涂料, 是提高其疏水性, 使水在涂层上难以立足(易于滚落) , 从而达到防止污染、自我保洁的重要途径。近年来, 国内外研究和开发具有荷叶自洁效应的仿生涂料取得了一定的成果 , 并正在不断深入发展。本文采用自制的改性硅丙乳液 作基料, 自制的改性硅石灰作填料,自制的改性微晶蜡作助剂, 并对涂料总配方进行优化设计, 制备具有荷叶效应的拒水自洁外墙涂料。重点研究颜基比、填颜比和微晶蜡乳液用量等重要原料和工艺参数对涂料接触角和疏水性能的影响。
1 实验部分
1. 1 实验仪器
高速分散机, 启东汇龙混合设备有限公司;BS2243电子天平, 美国赛多利斯; QFZ漆膜附着力试验仪, 深圳市泰立仪器仪表有限公司; QFS- A 涂层耐洗刷性测定仪, 天津市中亚材料试验机厂; 480K U 粘度计, 常州国华电器厂; HH - 2电子天平数显恒温水浴, 常州国华电器厂; JJ- 1增力电动搅拌机, 常州国华电器厂; GZX - 9140MBE 数显鼓风干燥箱, 深圳市菱美电子有限公司。
1. 2 原材料
乙烯基三乙氧基硅烷- 丙烯酸酯乳液, 自制; 成膜助剂exano l、增稠剂醇酸聚氨酯和无机玻璃纤维素、消泡剂SPA - 202, 防腐防霉剂DF- 35、分散剂5040, 杭州明炬进出口公司; 防冻剂丙二醇, 南昌市青山试剂厂; 金红石型钛白粉颜料, 天津科密欧化学试剂厂; 填料硅灰石粉, 江西; 微晶蜡乳液, 自制。
1. 3 硅灰石粉的改性
首先将硅灰石粉在120ºc下干燥30 m in, 然后将50 g硅灰石粉和3 g含氢硅油, 150 g水分别加入装有搅拌装置和温度计的三口烧瓶中, 温度控制在130ºc 。待反应2 h后, 将上述混合物用砂芯漏斗抽滤, 滤饼于95ºc 左右干燥后即改性完毕。
1. 4 微晶蜡的改性
先将微晶蜡切成1~ 2 cm左右大小的碎块, 按比例称量后, 放入500mL非金属容器中(玻璃或塘瓷均可) , 在90ºc 左右的恒温水浴中熔化。待蜡熔化后, 加入一定量的羟基硅油, 开动搅拌器搅拌( 1 000r /m in), 依次加入称量好的复配乳化剂( Span- 80和Tw een- 80, 质量比1: 1, 用量为总固含量的10% ~ 15% ), 然后在搅拌条件下连续加入85ºc的热水(质量分数60% ~ 70% ), 反应30 m in左右,冷却至30ºc 时停止搅拌, 改性制备结束。
1. 5 涂料配方
涂料配方指标设计如表1。重点考察颜基比(P /B )、填颜比( S /P )和微晶蜡乳液用量对涂膜接触角和吸水率的影响。
1. 6 分析测试
1. 6. 1 接触角的测定
采用间接接触角法 : 用10 uL微量进样器吸满蒸溜水, 在距试片(水平放置)上方约10 cm 处滴下微量进样器中的水, 待水滴完全扩散后, 用精度为0. 1 mm的尺子量取水滴的直径, 再按经验公式换算
成水滴的接触角。
2. 2 填颜比对涂膜接触角和吸水率的影响
式中, 为接触角; V为所用蒸馏水的量; a 为扩散水滴直径。
1. 6. 2 吸水率的测定
将充分干燥的涂膜称重, 室温置于水中浸泡48h, 取出后用滤纸擦干吸净涂膜表面的水分, 再称重,测其重量变化后计算。
2 结果与讨论
2. 1 颜基比对涂膜接触角和吸水率的影响
颜基比P /B 是涂料配方设计中的一个重要工艺参数。图1为在涂料配方设计条件下(未加微晶蜡乳液)时涂膜接触角随颜基比S /P 的变化关系。从图1可知涂膜接触角 随颜基比的增大呈先增大而后减小的趋势。当颜基比为1. 25左右时, 涂膜接触角达大值为118º , 此时疏水性能好。
图2为在涂料配方设计条件下(未加微晶蜡乳液)时涂膜吸水率n随颜基比的变化关系。从图2可知, 在颜基比0. 5~ 1. 25范围内, 涂膜吸水率随颜基比的增大而迅速减小; 而当颜基比大于1. 25时,涂膜吸水率随颜基比增大而减小的幅度甚微。
综合考虑颜基比对涂膜接触角和吸水率的影响, 本实验取适宜的颜基比为1. 25。
采用针状硅灰石粉作填料, 其具有无毒、低吸油性、低吸水性、热稳定性和化学稳定性好、白度高等物化性质, 但其同时具有亲水性。为了提高硅灰石粉的疏水性能, 应对其进行表面改性处理。本实验在适宜的工艺条件下(见1. 3节)用羟基硅油对硅灰石粉进行表面改性。分别称取3 g 未改性和改性后的硅灰石粉, 将试样用压片机制成紧实和表面平整光滑的固体试片, 测得其接触角分别为0º和96º。说明改性后硅灰石粉表面由亲水性变为憎水性, 导致接触角增大 。图3 为在涂料配方设计条件下(未加微晶蜡乳液)时涂膜接触角随填颜比的变化关系。从图3可知, 涂膜接触角 随填颜比的增大而增大。当填颜比大于1. 8时(此时涂膜接触角为118º) , 接触角增大幅度不大。
图4为未加微晶蜡乳液时涂膜吸水率n随填颜比的变化关系。从图4可知, 在填颜比1. 0~ 1. 8范围内, 涂膜吸水率随填颜比的增大而迅速减小; 而当填颜比大于1. 8时, 涂膜吸水率随填颜比增大而减小的幅度变化不大。
综合考虑填颜比对涂膜接触角和吸水率的影响, 本实验取适宜的填颜比为1. 8。
2. 3 微晶蜡乳液对涂膜接触角和吸水率的影响
荷叶之所以具有很强的自清洁功能, 除了它表面的特殊结构外, 它还具有一些很微小的"蜡晶"。在制备涂料的过程中加入类似"蜡晶"的乳化蜡可以提高涂膜的疏水性能。图5为颜基比1. 25和填颜比1. 8时, 添加微晶蜡乳液后涂膜接触角随乳液用量X (涂料设计总配方中微晶蜡乳液的质量分数)的变化关系。从图5可知, 涂膜接触角å 随微晶蜡乳液用量的增大而增大。但当乳液用量超过2% 时( 此时涂膜接触角为138º), 接触角增大幅度不大。
图6为颜基比1. 25和填颜比1. 8时, 添加微晶蜡乳液后涂膜吸水率n 随乳液用量比的变化关系。从图6可知, 在乳液用量0. 5% ~ 2. 0% 范围内, 涂膜吸水率随填颜比的增大而迅速减小; 而当乳液用量大于2. 0% 时, 涂膜吸水率随填颜比增大而减小的幅度变化不大。
综合考虑乳液用量对涂膜接触角和吸水率的影响, 本实验取适宜的乳液用量为2. 0%。比较添加微晶蜡乳液前后两种情况可知, 添加微晶蜡乳液后, 在适宜的条件下, 涂膜接触角可从118º增大到138º , 吸水率可从0. 7% 降低至0. 32% 。
2. 4 涂料成品性能
在上述设计的适宜条件下, 制备出外墙涂料的性能见表2。从表2可知, 本实验所制备的涂料各项主要性能指标均为合格。
图7为涂料成品的涂膜疏水效果图。由图可直观看出, 水成球珠状, 且接触角较大, 疏水效果良好。
3 结论
通过用有机硅(乙烯基三乙氧基硅烷) 对丙烯酸酯乳液改性, 用含氢硅油对硅灰石改性, 用羟基硅油和复配乳化剂( Span - 80 和Tw een- 80) 对微晶蜡改性, 分别提高了各自的疏水性能, 并在优化的总涂料配方设计条件下, 制备的外墙涂料不仅具有较大的接触角(约为140º)和良好的疏水性能, 而且各项性能指标均能达到标准要求。实验结果表明, 对上述三种原料的改性, 对提高涂层接触角和疏水性能起着十分关键的作用。
