聚乙烯醇硅溶胶系水性建筑涂料
日期：2022-02-14
浏览：
181 核心提示：聚乙烯醇硅溶胶系水性建筑涂料金贞玉1，邹国华2 ( 1． 江西省科学院，南昌330029; 2． 江西省建材科研设计院，南昌330001)我国是
聚乙烯醇硅溶胶系水性建筑涂料
金贞玉1，邹国华2 ( 1． 江西省科学院，南昌330029; 2． 江西省建材科研设计院，南昌330001)
我国是涂料生产和消费大国。虽然我国建筑涂料在近十几年发展迅速，但是，目前涂料产品还是以中低档为主，真正的环保、高功能涂料产品所占比例不高，某些环保涂料的技术含量还远远落后于国外知名品牌。目前，我国建筑内墙涂料主要以功能性乳胶漆为主［1］，虽然乳胶漆较溶剂型涂料在施工、VOC 释放、涂膜性能和装饰性等方面有一定优势，但其高昂的售价，易溶胀鼓泡及仍有少量VOC 和游离甲醛释放是其被广泛使用的障碍。水溶性涂料以聚乙烯醇( PVA) 及其各种改性物为代表，除此之外还有水溶醇酸树脂、水溶环氧树脂及水溶性无机高分子材料等。目前，国内市场上的水溶性建筑涂料［2］基本为聚乙烯醇或改性聚乙烯醇［3 － 4］( 甲醛改性已禁用) 灰钙粉类涂料。这类涂料虽有无毒、无害、成膜性能优良、价格低等优点，但因PVA 分子中含有一定的羟基，亲水性大，所以涂料耐水、耐碱性都较差，涂层质软，受潮后容易剥落，同时还易泛黄变色。而水溶性无机高分子材料又因耐水性问题和涂膜柔韧性问题很难单独应用于建筑涂料。
本课题利用特种改性交联剂屏蔽PVA 上部分羟基，并使其与硅溶胶生成半互穿网络，所得的复合胶既有PVA 的优良成膜性，又有硅溶胶的耐水性和硬度。加入颜填料并适当调节体系性能，就能生产出与环保乳胶漆性能相似，与PVA 灰钙粉类涂料成本相似的水性建筑涂料。
1 实验部分
1. 1 原料和设备
实验所用主要原材料的名称、规格和生产单位见表1。
表1 主要原材料的名称、规格和生产单位
实验设备的型号和生产厂家见表2。
表2 主要实验设备的名称、型号和生产厂家
1. 2 基础配方
本研究的涂料( 白色内墙涂料) 基础配方如表3 所示。
1. 3 胶料的制备与改性
( 1) 制备PVA 质量分数为3% 的水溶液。称取计量的PVA 固体于烧杯中，加入定量的水，静置2 h，放入水浴中搅拌加热到100 ℃，恒温搅拌，直至PVA 固体全部溶解，冷至常温，待用。
( 2) 称取定量上述PVA 溶液入烧杯，边搅动边滴加硅溶胶和消泡剂，持续搅动15 min，再缓慢滴加MC，持续搅动0. 5 h，调整pH 为8 ～ 9，成半透明均一溶液即得基料，密封待用。
1. 4 填料的加工与混合
( 1) 分别定量称取高岭土和二氧化钛，手工粗混均匀，待用。
( 2) 分别定量称取化工尾料和滑石粉，加入到已混好的高岭土和二氧化钛中，用机器混合10 min，即为填料。
1. 5 涂料的合成
将基料缓慢加入到填料中，再加入少量高效分散剂、杀菌防腐剂和增稠剂，稍微搅拌后加入实验分散机中混合研磨30 min即得水性建筑涂料［5］。生产工艺流程如图1 所示。
1. 6 涂料及涂膜性能测试
参照国家建材行业标准JC/T 423—1991《水溶性内墙涂料》，将所研制的涂料涂覆在石棉水泥试板上进行涂料的施工性能和涂膜的基本性能测试，结果如表4 所示。
2 结果与讨论
2. 1 MC 的用量
参考PVA 的缩甲醛改性原理［6］，PVA 与硅溶胶在催化剂作用下通过MC 发生改性并形成半互穿网络［7 － 9］连接。MC的设计与用量在本研究中起到至关重要的作用。使用量太小则涂料的耐水等性能不能很好地改善，使用量太大则涂料过早胶化或凝固。经过反复试验，发现选用一种合成的无机络合物作为改性交联剂能使PVA 和硅溶胶发生双向改性交联作用［10 － 11］，其作用机理如式( 1) 所示。
式中: x、y、z—1 ～ 9 的不同数字; M、N、O—不同的无机分子基团。
为了确定MC 添加量，本研究做了如表5 所示的实验。从表5 中可见，当MC 添加量为复合胶总质量的2% 时，胶的各项性能都很好，适合用做涂料。
2. 2 聚乙烯醇( PVA) 与硅溶胶比例的影响
从PVA 与硅溶胶复配成复合胶的作用机理可见，硅溶胶既是半互穿网络的参与者，有助于改善涂膜的机械性能，又是主要成膜物质，但其本身成膜容易开裂，因此，PVA 与硅溶胶的比例直接影响到复合涂膜的性能，结果见表6。
从表6 可见，当PVA/硅溶胶质量比较大时，硅溶胶的量不足以形成较好的半网络穿插，涂膜较软，耐水性能较差; 当PVA/硅溶胶质量比较小时，富余的硅溶胶形成杂乱连接，近程无序，干燥时易引起收缩开裂，所以，佳比例应是4∶ 1。
2. 3 主填料的选择
考虑到碳酸钙类填料会造成硅溶胶类涂料后溶胀和后增稠，本研究选用了一种成本更低的化工尾料做主填料。该化工尾料由生产NaF 产品时的副产物，主要成分为超细SiO2，其基本性能参数如表7 所示。
从表7 可见，该尾料除含超细SiO2外，还含有一些可溶性钠盐和少量棕色粗颗粒，可通过以下操作尽可能除去杂质，使该尾料得以正常使用。
① 加3 倍体积的水搅拌5 min，过800 目网筛，滤液静置2 h，倒出上部的清水。
② 再加3 倍体积水搅拌2 min，静置2 h，滤去上部的清水。
③ 将滤出物放入烘箱110 ℃烘干，即得一种非常细腻的白色粉末。
后所得“尾料”含SiO2 99. 7%，白度约94%，物性与沉淀法白炭黑相近，但比后者便宜。考虑到实际生产中这种尾料来源的不确定性，也可用1 000目左右的石英粉或硅微粉代替，但成本会有所增加。
2. 4 涂料的贮存稳定性
本研究由于选取碱性硅溶胶作为改性成膜物之一，故硅溶胶的稳定性将直接影响整个涂料体系的稳定性。碱性硅溶胶只有在pH = 8 ～ 10 的系统中才稳定，而实验证明，3% PVA溶液体系在pH = 8 ～ 9 区段也有良好的稳定性，表8 是涂料pH( 8 ～ 9) 调整前后的贮存时间对照表。
表8 pH 对涂料贮存稳定性的影响( 室温，密封)
从表8 可见，应将本研究涂料体系的pH 调整至8 ～ 9，涂料才有稳定的贮存期。
2. 5 其他注意事项
由于本研究涂料对pH 有较严要求，故在助剂的选取上也应考虑适用范围，如: 好选取pH 大于7 的水性涂料防腐杀菌剂，如T202、SJ － 杀菌剂、LD － 90 等; 消泡剂好选用pH 8左右的PVA 专用消泡剂，如DF － 1019、BL － 6010、JX811 等。
涂料在生产和贮存时也要避开与电解质( 特别是高价电解质)接触，即使用难溶电解质，如CaCO3、CaSiO3、ZnS 等。
2. 6 本研究产品与市售环保内墙乳胶漆性能对比
市售环保内墙乳胶漆属水分散性合成树脂乳液涂料，具有施工方便、环保、周期短，涂膜透气性优良，装饰性、耐水性良好等特点。表9 为本研究产品与市售普通内墙乳胶漆( 合格品) 的性能对比。
从表9 可见，本研究产品与市售内墙乳胶漆［12］的综合性能相近，但生产成本和VOC 及游离甲醛释放方面的优势更明显。
3 结语
( 1) 用聚乙烯醇( PVA) 和硅溶胶作为基本成膜物质，通过改性，形成半互穿网络，制备出既有PVA 的优良成膜特性，又有硅溶胶涂膜良好耐水性和硬度的建筑涂料。
( 2) 复合胶体中PVA 和硅溶胶的含量不是很高，使得整个胶体成本很低; 同时，利用化工产品NaF 生产中的尾料做主填料，既变废为宝，降低了成本，又提高了涂料的各项物化性能。
( 3) 虽然实际生产中还有些细节有待优化，但本研究产品与市售乳胶漆相比，无论在生产和施工方面，还是在成本和性能方面都具有一定的优势，更符合国家的绿色环保要求。
