高性能疏水防污涂料及其应用

   日期:2021-06-30     浏览:187    
核心提示:疏水涂料能使固体底物很好地直接隔离水和空气、酸雨及阳光的直接接触,从而减少或延缓腐蚀,提高材料的使用寿命。据文献报道,腐
疏水涂料能使固体底物很好地直接隔离水和空气、酸雨及阳光的直接接触,从而减少或延缓腐蚀,提高材料的使用寿命。据文献报道,腐蚀是能量和材料损失的主要原因,全球每年因腐蚀而损失1/5 的能量和4.2%的国民生产总值(GNP),单独美国估计就有超过一千亿美元的经济损失[1]。有机硅氟材料具有优异的耐候性、高温稳定性、防腐蚀性和低的表面张力,是高性能涂料(即高耐候性、高耐沾污染、高保色性和低毒性)的材料,特别是水性有机硅涂料已在建筑领域得到有效应用,然而国内以水和低毒的溶剂汽油为介质的高性能涂料的成功开发应用很少见到报导。
我们通过长期的开发研究和市场应用跟踪,在原有技术的基础上[2-3],通过化学改性技术和机械乳化技术制备了溶剂型和水性有机硅氟涂料,研究了这些涂料的性能,探讨了它们在内外墙、石材、陶瓷、水泥制品、卫生间的防水抗污处理和混凝土公路桥梁养护、文物保护中的一些应用,大部分已实现产业化。

1 实验
1.1 主要原料
四乙氧基硅烷(TEOS)、含氢硅油、羟基硅油、功能性聚硅氧烷、硅烷、助剂为市售工业品,含氟树脂FS 防污剂、催化剂、乳化剂为自制样品。
1.2 配制方法
分别按图1 所示的方法制备两种溶剂型氟硅防护涂料和两种水性有机硅防护涂料。

2 结果与讨论
2.1 溶剂型疏水防污涂料的性能及表征
我们将较小分子的低聚硅氧烷或硅烷混合,在催化剂作用下水解成活性成分,在有机醇分子和分散稳定剂的作用下可稳定一段时间,随着溶剂的挥发,这些活性分子互相靠近而聚合成具有较高强度的大分子网络。由于初始分子量小,NFGS 涂料对底材渗透性优异,活性基团与底物牢固结合,粘附力强(1 级,见表1),同时在干燥过程中低表面能的基团或分子一定程度排向空气一侧,涂膜具有明显的疏水防污性,水接触角高达100°以上。这些活性分子在催化剂作用下反应交联,交联密度高,强度大(9H),防腐蚀性优良。

图2 是NFGS 的热失重分析TGA 曲线表明涂膜在670℃时只失重10%,具有优良的耐热性,与元素有机化合物的高温稳定性相一致。
 
图3 是NFGS 的FTIR 红外光谱图。图中除清楚见到聚合的Si-O-Si 特征峰和C-H 吸收峰外, 还可见2168cm-1 的Si-H 吸收峰,SiO-H 峰很弱。含氟树脂防污涂料FS 系列具有优异的耐候性和疏水防污性已广泛地应用文化石和外墙涂料上,经其处理的底材基本不改变原有的色彩和光泽,但其表面硬度较低,只有2B,Tg 低于100℃,并且成本较高。将有机硅改性含氟树脂涂料,除可降低涂料的价格外,还可提高涂料的硬度(2H)和附着力。此外,在差示扫描量热仪DSC测试中还可看到改性复合涂料NFS 具有较高的玻璃化转变温度Tg(275℃,见图4)。

2.2 水性有机硅疏水防污涂料
水性有机硅疏水防污涂料以水为分散介质,明显具有环保、节能、减排和经济效益,它的目标之一就是达到或接近溶剂型涂料的性能,在处理多孔无机底材场合中非常合适。图1 中列出了水稀释和水乳型有机硅两种水性憎水防污涂料的配制方法。它们的性能列于表2 中。

表2 是两种水性有机硅疏水防污涂料的一些主要性能,水稀释有机硅涂料具有储存时间长、高硬度及其成膜憎水防污保色性,水乳液型有机硅涂料具有自交联成膜、憎水防污和保色性能。
图5 是水性有机硅疏水防污涂料的红外光谱图。图5 中可见水稀释有机硅涂膜(water dilutable)中含有一定的羟基(3500cm-1 附近的宽吸收峰)和C-H(2900cm-1附近)键,有机硅在催化剂作用下充分水解成Si-OH 并交联固化成高硬度的聚合物;同时可见水乳液型有机硅涂料(emulsion) 在2171cm-1 为涂膜残留的Si-H 吸收峰,而在3300~3500cm-1 附近没有明显的O-H(Si-OH)吸收峰,羟基硅油中的绝大部分Si-OH 参与了交联反应。

2.3 疏水涂料的应用探讨
本文结合本课题组的研究和应用基础,着重探讨这些疏水涂料在内外墙、石材、陶瓷、水泥制品等防水抗污表面处理中的应用。图6 是两种溶剂型疏水防污涂料的应用效果图。经NFGS 和NFS 处理的水泥制品都有显著的憎水荷叶效果,水珠和墨珠在表面上呈球状,与含氟树脂FS 相当(图6(a)(b)(c))。经它们处理的抛光砖可耐有机油性笔迹和无机水泥浆的污染(图6(d)(e))。

图7 是两种水性有机硅疏水防污涂料的几个简单应用图示例。图7(a)(e)中清楚看出经涂料处理的墙面上滴管中的水珠从上往下滚落。水稀释有机硅处理的浮石的吸水率可从空白未处理前的60%下降到15%,在水中难于润湿(图7(b)中右边的杯子)。经水稀释有机硅处理的水泥砂浆具有荷叶憎水防污效果(图7(c)),抛光砖能防油性笔迹污染(图7(d))。经水乳型自交联有机硅处理的水泥石(f)、文化石(g)和抛光砖的左半部分(h)(i)具有显著的憎水防污效果,水滴、墨水滴在其表面上呈球状,并且墨水和油性笔书写在其表面并停留一段时间后仍易用水等清洗干净。

3 结论
总之,我们制备的疏水涂料具有优异的渗透性和良好的疏水保护性能,在内外墙涂料、石材、陶瓷、水泥制品、混凝土养护和文物保护等领域中都有着广阔的应用前景。
 









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