硅溶膠為獨(dú)立成膜物的水分散無機(jī)建筑涂料

季曉玲陳楠翟麗麗 鮑慧

（大連宇達(dá)新材料化工研究所—大連斯諾化學(xué)新材料科學(xué)技術(shù)有限公司，遼寧 大連 116021 ）

摘 要：本文介紹了一種單獨(dú)以硅溶膠為成膜物的環(huán)保型水分散的純無機(jī)建筑涂料的制備方法。通過將硅溶膠改性、在配方中加入適當(dāng)?shù)闹鷦┘安捎眠m宜的工藝方法，所制備的硅溶膠水性涂料不僅可以穩(wěn)定貯存，而且使用性能良好，檢測(cè)指標(biāo)全部達(dá)到或優(yōu)于國(guó)家標(biāo)準(zhǔn)，在資源消耗、環(huán)境保護(hù)和成本等方面明顯優(yōu)于乳液型涂料。

關(guān)鍵詞：硅溶膠；純無機(jī)涂料  

中圖分類號(hào)：TQ630.7    文獻(xiàn)標(biāo)識(shí)碼：A   

Independent Silica Sol Bindered Inorganic Water Dispersion Coatings for Buildings

Ji Xiao-ling, Chen Nan, Zhang Hao-long，Zhai Li-li，Bao Hui^，

(DaLian YUDA New-material Institute of Chemical Industry , Liaoning DaLian 116021, China )

Abstract: This article introduced a method on independent silica sol bindered inorganic water dispersion coatings for buildings. By modifying the character of silica sol, adding the proper addition agents and adopting proper procedure, the coatings was not only storage stable but with superior performance, of which all the properties were equal or superior to the codes of national standard. This coatings was much better than emulsion water coatings on resource consuming, environment protecing and cost controlling.

Key words: silica sol; pure inorganic coating

1 引  言 

建筑涂料是消費(fèi)比例最大同時(shí)也是增長(zhǎng)最快的一類涂料，建筑涂料正逐漸向水性化、功能化和資源節(jié)約化的方向發(fā)展，目前市場(chǎng)上常見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、純丙烯酸系列為成膜物的乳液涂料，以水為分散相的水性乳液涂料增加了施工的安全性，減少了環(huán)境污染和對(duì)人體的毒害，但乳液原料全部來源于石油這個(gè)有限資源，因此找到一種生產(chǎn)工藝簡(jiǎn)單、來源充足、環(huán)境友好、成本低廉的材料，來替代乳液，開發(fā)出符合低 VOC要求、具有復(fù)合功能的新一代的水性涂料就顯得急為迫切。本文研制開發(fā)了一種以硅溶膠作單獨(dú)成膜物的水性純無機(jī)建筑涂料，硅溶膠是無定形二氧化硅在水中的分散體系，常以通式mSiO₂·nH₂O來表示，失水后膠粒間通過羥基脫水縮合成剛性的微孔骨架結(jié)構(gòu)，因?yàn)楣枞苣z中二氧化硅粒子間脫水時(shí)體積收縮過大，形成的涂膜是剛性的，容易產(chǎn)生裂紋、微孔等缺陷，通過加入適當(dāng)?shù)闹鷦┘罢{(diào)整制備工藝使其可以穩(wěn)定貯存，且使用性能良好，該產(chǎn)品已經(jīng)通過了大連市建筑工程質(zhì)量檢測(cè)中心的檢測(cè)，結(jié)果表明檢測(cè)指標(biāo)全部達(dá)到或優(yōu)于國(guó)家標(biāo)準(zhǔn)。

2 實(shí)驗(yàn)部分

2.1 原料與儀器

市售的硅溶膠（二氧化硅含量在20-40%間）；去離子水；硅溶膠改性劑A（本實(shí)驗(yàn)室自行合成）；

顏料、填料：鈦白、重鈣、高嶺土、硅灰石、滑石粉（市售的1000目以上均可）；

分散劑5040（青島恩澤化工）；增稠劑：羧甲基纖維素（山西越峰）；消泡劑：正辛醇（上海飛鴿）；

防腐劑：JMP（北京神舟晟華）；透射電鏡（TECNA1G2 20S-TWIN荷蘭飛利浦公司）；

18.5kw液壓升降分散機(jī)和籃式砂磨機(jī)（上海法孚萊設(shè)備有限公司）

2.2 硅溶膠水性建筑涂料配方（見表1）

表1 硅溶膠水性建筑涂料配方

2.3 實(shí)驗(yàn)操作^[1]

(1)    將計(jì)量的水、分散劑、消泡劑攪拌均勻；

(2)    取計(jì)量的顏料及填料，通入水蒸汽，使其充分潤(rùn)濕；

(3)    在攪拌狀態(tài)下將（2）中的物質(zhì)慢慢加入到（1）中，得到的混合液經(jīng)高速分散、砂磨、過濾后，攪拌下加入計(jì)量的改性硅溶膠、增稠劑，最后攪拌下加入適量的防腐劑即得到成品。 

2.4 檢測(cè)方法

目前無現(xiàn)行的純無機(jī)水分散的建筑涂料標(biāo)準(zhǔn)，檢測(cè)中參照了現(xiàn)行的相關(guān)的國(guó)家標(biāo)準(zhǔn)和行業(yè)標(biāo)準(zhǔn)進(jìn)行檢測(cè)，參照標(biāo)準(zhǔn)如下：1、JG/T 26-2002 外墻無機(jī)建筑涂料；2、GB/T 9755－2001 合成樹脂乳液外墻涂料優(yōu)等品；3、GB/T6753.2 表干時(shí)間；4、HBC12-2002 VOC含量；5、GB/T9265-1988 建筑涂料耐堿性；6、GB/T9266-1988 耐洗刷性；7、GB/T6753.3-1986 涂料貯存穩(wěn)定性試驗(yàn)方法；8、GB/T1766-1995 涂層老化的評(píng)級(jí)方法；9、GB/T9780-2005 建筑涂料涂層耐沾污性試驗(yàn)；10、JG/T 25-1999 建筑涂料涂層耐凍融循環(huán)性測(cè)定法。

3 結(jié)果與討論

3.1選擇硅溶膠為成膜物的優(yōu)勢(shì)及硅溶膠改性

3.1.1選擇硅溶膠為成膜物的優(yōu)勢(shì)

硅溶膠對(duì)乳液的全面取代大大降低了體系粘度，使得顏、填料易分散均勻、相容性好；硅溶膠的折光指數(shù)在1.33左右，小于乳液的折光指數(shù)1.4～1.6，所以乳液涂料中的體質(zhì)顏料在硅溶膠體系中也會(huì)貢獻(xiàn)遮蓋力，同樣比例的鈦白量在硅溶膠體系中遮蓋力更好；低粘度的硅溶膠涂料可以使漆膜很薄，大大提高了單位體積涂料的可涂面積，且涂膜具有良好的粘附性；硅溶膠是無定形二氧化硅在水中的分散體系，失水后膠粒間通過羥基脫水縮合成剛性的微孔骨架結(jié)構(gòu)，該結(jié)構(gòu)在物理性質(zhì)方面是抗壓強(qiáng)度大、硬度高和透氣的，在化學(xué)性質(zhì)方面則是惰性、無毒、穩(wěn)定的，硅溶膠的以上性能決定了由它制備的涂料有很多優(yōu)異的性能，如優(yōu)良的透氣性、耐候性、耐久性、耐化學(xué)品性、自洗刷性等；上述這些優(yōu)勢(shì)在表2中的硅溶膠水性涂料漆膜性能測(cè)試中也得到了驗(yàn)證；且其最突出的優(yōu)點(diǎn)在于原料來源廣泛，價(jià)格便宜，大大降低了生產(chǎn)涂料的成本。

3.1.2硅溶膠的改性

選用硅溶膠為獨(dú)立成膜物其實(shí)質(zhì)是在應(yīng)用其干燥凝膠后的微孔骨架結(jié)構(gòu)，該結(jié)構(gòu)在物理性質(zhì)方面表現(xiàn)為抗壓強(qiáng)度大、硬度高、透氣性好，化學(xué)性質(zhì)方面則是惰性、無毒和穩(wěn)定的，但是在凝膠干燥過程中如果控制不好，成膜便極易碎裂而失去其應(yīng)有的物理性質(zhì)優(yōu)勢(shì)，這便是硅溶膠獨(dú)立作為涂料成膜物的瓶頸問題，而一般情況下只能是作為輔助成膜物添加到乳液涂料當(dāng)中，因?yàn)楦稍镞^程中膠粒之間通過羥基脫水凝膠，因?yàn)槭畤?yán)重，毛細(xì)管張力的原因使得硅溶膠成膜往往會(huì)產(chǎn)生各種缺陷，從而影響成膜的圓整性，所以硅溶膠在加入到涂料配方之前必須先將其改性。

將硅溶膠在攪拌下加入適量試劑A，加入A的目的是用來鈍化一定比例的羥基，使得硅溶膠保持原有的膠粘性的同時(shí)又不至于因?yàn)槭^多體積收縮過大而使漆膜碎裂。

3.2 工藝的選擇

工藝方面最重要的是助劑的加入順序及顏填料的潤(rùn)濕，如上述2.2所述，第一步先將水與分散劑和消泡劑混勻，是使添加的填料及顏料在硅溶膠體系中有很好的分散均勻性，第二步將所需的顏料和填料混勻并通入水蒸氣使其充分潤(rùn)濕，原因是經(jīng)實(shí)驗(yàn)發(fā)現(xiàn)，當(dāng)顏填料加入到硅溶膠中時(shí)表面會(huì)瞬時(shí)大量吸水，該部分硅溶膠被強(qiáng)烈脫水，使其很容易凝膠，嚴(yán)重影響了產(chǎn)品的穩(wěn)定性，通過將顏填料在水蒸汽中充分潤(rùn)濕，使硅溶膠加入體系后能夠更快地分散，大大地提高了硅溶膠涂料的穩(wěn)定性。

3.3 助劑的選擇

目前涂料行業(yè)通用的許多助劑不適于應(yīng)用在硅溶膠涂料體系中，因?yàn)槿橐和苛现?a target="_blank">顏料表面、膠粒表面都帶有大量負(fù)電荷，形成的雙電層結(jié)構(gòu)通過庫(kù)侖力可以較穩(wěn)定地在介質(zhì)中分散，但硅溶膠涂料體系中水性介質(zhì)極性很高，顆粒表面電荷密度無論不足還是失去平衡都可能導(dǎo)致硅溶膠被破壞，從而影響涂料的穩(wěn)定性^[2]，為了保證涂料的各種使用性能，需要向涂料中添加各種助劑，硅溶膠水性無機(jī)建筑涂料中所添加的助劑首先要與硅溶膠有良好的相容性，硅溶膠水性建筑涂料添加的最主要的助劑是消泡劑、分散劑和增稠劑，所選擇的助劑5040及正辛醇都屬于表面活性劑，它們的加入還可降低體系的表面張力，改善組分之間的相容性，增加對(duì)基材的潤(rùn)濕性。

3.4 硅溶膠水性建筑涂料的性能指標(biāo)（見表2）

      從表2可以看出，硅溶膠水性建筑涂料的性能指標(biāo)均符合國(guó)家標(biāo)準(zhǔn)，有些還明顯優(yōu)于國(guó)標(biāo)，完全可用于室外建筑涂料使用。

表2 硅溶膠水性涂料的性能指標(biāo)