硅溶胶为独立成膜物的水分散无机建筑涂料
季晓玲 陈 楠 翟莉莉 章浩龙 鲍 慧 （ 大连宇达新材料化工研究所 116012）
0 引言
建筑涂料是消费比例大同时也是增长快的一类涂料。目前市场上常见的建筑涂料是以醋酸乙烯-丙烯酸共聚乳液、苯乙烯- 丙烯酸共聚乳液、纯丙烯酸系列为成膜物的乳液涂料，以水为分散相的乳液涂料增加了施工的安全性，减少了环境污染和对人体的毒害，但乳液原料全部来源于有限的石油资源，故找到一种生产工艺简单、来源充足、环境友好、成本低廉的材料来替代乳液，开发出符合低 VOC 要求、具有复合功能的新一代水性涂料就显得非常迫切。本文研制开发了一种以硅溶胶为单独成膜物的水性无机建筑涂料。硅溶胶是无定形二氧化硅在水中的分散体系，常以通式mSiO2·nH2O 来表示，失水后胶粒间通过羟基脱水缩合成刚性的微孔骨架结构。因为硅溶胶中二氧化硅粒子间脱水时体积收缩过大，形成的涂膜呈刚性，易产生裂纹、微孔等缺陷，通过加入适当的助剂及调整制备工艺可使之稳定贮存，且使用性能良好。该产品已通过大连市建筑工程质量检测中心的检测，结果表明：检测指标全部达到甚至优于国家标准。
1 实验部分
1.1 原料与仪器
市售硅溶胶（二氧化硅含量在20%~40%）；去离子水；硅溶胶改性剂A（本实验室自行合成）；颜料、填料：钛白、重钙、高岭土、硅灰石、滑石粉（市售的1 000 目以上均可）；分散剂：5040，青岛恩泽化工；增稠剂：羧甲基纤维素，山西越峰；消泡剂：正辛醇，上海飞鸽；防腐剂：JMP，北京神舟晟华。TECNA1G2 20S-TWIN透射电镜，荷兰飞利浦公司；18.5 kW 液压升降分散机和篮式砂磨机，上海法孚莱设备有限公司。
1.2 涂料配方
硅溶胶水性建筑涂料配方见表1。
1.3 实验操作
（1） 将计量的去离子水、分散剂、消泡剂搅拌均匀；
（2） 取计量的颜料及填料，通入水蒸气，使其充分润湿；
（3） 在搅拌状态下将（2）中的物质慢慢加入到（1）中，得到的混合液经高速分散、砂磨、过滤后，搅拌下加入计量的改性硅溶胶、增稠剂，后于搅拌下加入适量的防腐剂，即得成品。
1.4 检测方法
参照现行的相关国家标准和行业标准进行检测，参照标准如下：（1）JG/T 26—2002 外墙无机建筑涂料；（2）GB/T 9755—2001 合成树脂乳液外墙涂料优等品；（3）GB/T 6753.2 表干时间；（4）HBC12—2002VOC含量；（5）GB/T 9265—1988 建筑涂料耐碱性；（6）GB/T 9266—1988 耐洗刷性；（7）GB/T 6753.3—1986涂料贮存稳定性试验方法；（8）GB/T 1766—1995 涂
层老化的评级方法；（9）GB/T 9780—2005 建筑涂料涂层耐沾污性试验；（10）JG/T 25—1999 建筑涂料涂层耐冻融循环性测定法。
2 结果与讨论
2.1 选择硅溶胶为成膜物的优势及硅溶胶改性
2.1.1 选择硅溶胶为成膜物的优势
硅溶胶对乳液的全面取代大大降低了体系粘度，使得颜、填料易分散均匀、相容性好；硅溶胶的折光指数在1.33 左右，小于乳液的折光指数1.4~1.6，所以同样比例的钛白粉含量在硅溶胶体系中遮盖力更好；低粘度的硅溶胶涂料可以使漆膜很薄，大大提高了单位体积涂料的可涂面积，且涂膜具有良好的粘附性；硅溶胶是无定形二氧化硅在水中的分散体系，失水后胶粒间通过羟基脱水缩合成刚性的微孔骨架结构，该结构具有抗压强度大、硬度高和透气的物理性能，而在化学上惰性、无毒、稳定。硅溶胶的这些性能决定了由它所制备的涂料具有很多优异的性能，如优良的透气性、耐候性、耐久性、耐化学品性、自清洁性等；且其突出的优点在于原料来源广泛，价格便宜，大大降低了涂料的生产成本。
2.1.2 硅溶胶的改性
选用硅溶胶为独立成膜物实质是应用其干燥凝胶后的微孔骨架结构，该结构在物理性质上表现出抗压强度大、硬度高、透气性好，化学上则为惰性、无毒和稳定，但是在凝胶干燥过程中如果控制不好，成膜极易碎裂而失去其应有的物理性能优势，这就是硅溶胶独立作为涂料成膜物的瓶颈问题，一般情况下它只能作为辅助成膜物添加到乳液涂料中，因为干燥过程中胶粒之间通过羟基脱水凝胶，造成失水严重，毛细管张力问题使得硅溶胶成膜往往会产生各种缺陷，从而影响成膜的完整性，所以硅溶胶在加入到涂料配方之前必须先对其进行改性。将硅溶胶在搅拌下加入适量试剂A，加入A 的目的是用来钝化一定比例的羟基，使硅溶胶保持原有胶粘性的同时又不至于因为失水过多体积收缩过大而使漆膜碎裂。
2.2 工艺的选择
工艺方面重要的是助剂的加入顺序及颜填料的润湿，如1.3 所述，步先将水与分散剂和消泡剂混匀，使添加的填料及颜料在硅溶胶体系中有很好的分散均匀性。第二步将所需的颜料和填料混匀并通入水蒸气使其充分润湿，经实验发现，当颜填料加入到硅溶胶中时表面会瞬时大量吸水，造成硅溶胶被强烈脱水，使其很易凝胶，严重影响了产品的稳定性。通过将颜填料在水蒸气中充分润湿，使硅溶胶加入体系后能够更快地分散，大大地提高了硅溶胶涂料的稳定性。
2.3 助剂的选择
乳液涂料中颜料表面、胶粒表面都带有大量负电荷，形成的双电层结构通过库仑力可以较稳定地分散在介质中，但硅溶胶涂料体系中水性介质极性很高，颗粒表面电荷密度无论不足还是失去平衡都可能导致硅溶胶被破坏，从而影响涂料的稳定性。为了保证涂料的各种使用性能，需要向涂料中添加各种助剂，硅溶胶水性无机建筑涂料中所添加的助剂首先要与硅溶胶有良好的相容性，所选择的助剂5040 及正辛醇都属于表面活性剂，它们的加入还可降低体系的表面张力，改善组分之间的相容性，增加对基材的润湿性。
2.4 硅溶胶水性建筑涂料的性能指标（表2）
2.4 硅溶胶水性建筑涂料的性能指标（表2）
从表2 可以看出：硅溶胶水性建筑涂料的性能指标均符合国家标准，有些还明显优于国标，完全可作为室外建筑涂料使用。
2.5 硅溶胶水性建筑涂料的漆膜
图1 为硅溶胶水性建筑涂料和市场上某品牌五合一涂料的漆膜与腻子的界面图，从中可以看出：硅溶胶水性建筑涂料干燥后漆膜与腻子为一体，这是使用硅溶胶为成膜物的另一优点，即硅溶胶能像“针”一样钻到基材中，与基材成为一体，使漆膜具有与基材一致的膨胀和收缩系数，可以有效避免漆膜掉皮和脱落的现象，大大降低翻新成本。
3 结语
本文研制开发的硅溶胶水性无机建筑涂料，由于以硅溶胶为单独成膜物，硅溶胶失水后胶粒间通过羟基脱水缩合成刚性的微孔骨架结构，该结构具有抗压强度大、硬度高、透气性好等物理性能，在化学上则为惰性、无毒、稳定，硅溶胶的这些性质决定了由它制备的涂料有很多优异的性能，如优良的透气性、耐候性、耐久性、耐化学品性、自洗刷性等。但因为硅溶胶中二氧化硅粒子间脱水时体积收缩过大，形成的涂膜呈刚性，易产生裂纹、微孔等缺陷，通过对硅溶胶进行改性，屏蔽其胶粒表面的部分羟基，并在配方中加入适当的助剂及预先将颜填料润湿等工艺，不但可以使其稳定贮存，且使用性能良好，检测指标全部达到或优于国家标准。此外该全无机组分的涂料使漆膜色彩持久，防粉化、防紫外线和高温辐射。与基材石化一体后具有与基材一致的膨胀和收缩系数，有效避免了掉皮和脱落现象。由硅溶胶制得的该涂料突出的优点是节省了石油资源，生产成本低，几乎零VOC排放，对环境无污染。
