硅溶胶-苯丙乳液复合外墙涂料的研制

马永强1，马宏2，杨保平1，崔锦峰1 （1.兰州理工大学，兰州730050；2. 北方涂料工业研究设计院，兰州730020）

1 引言 随着我国建筑业的发展和人们环保意识的提高，环境友好型涂料的使用越来越广泛，尤其是高性能环保节能涂料，将是我国建筑涂料的发展方向。硅溶胶的化学式为mSiO2·H2O，是一种微带蓝色乳光的胶体溶液，具有较大的比表面积，较强的吸附性，带负电荷的羟基，以硅氧烷的方式聚集，可形成透明薄层而不再溶于水。由于硅溶胶的渗透、硬化黏结的综合效应，产生机械咬合与化学键合的综合结果，因而具有优于一般成膜物质的表面附着黏结力，但该涂膜易出现龟裂现象[1-2]。苯丙乳液凭借其良好的性能，已广泛应用于涂料等领域，但其也存在有机乳液共同的缺点：涂膜硬度低、耐水性和耐沾污性差、耐候性不良、与水泥基体结合力较差、易粉化脱落、耐碱性差，且价格较高。采用一种偶联剂，将硅溶胶与苯丙乳液通过冷拼复配[3]，制得硅溶胶-苯丙无机/有机复合乳液，该复合乳液可在各种新型材料中得到更广泛的应用，特别是外墙涂料中。本研究以硅溶胶通过冷拼法与苯丙乳液复配得到的复合乳液为基料，结合颜填料和助剂经研磨分散制得硅溶胶-苯丙无机/有机复合外墙隔热涂料。

2 试验部分[4-8] 2.1 试剂 主要试剂:硅溶胶、苯丙乳液（自制）、成膜助剂（Texanol 酯醇）、偶联剂、钛白粉、硅灰石、滑石粉、空心玻璃微珠、堇青石、增稠剂（HEC）、分散剂F-5（自制）、消泡剂、流平剂等。

2.2 试验过程 2.2.1 硅溶胶-苯丙无机/有机核壳乳液的制备 将试验量的硅溶胶和偶联剂投入三口反应瓶中，常温下先搅拌4.5 h 改性；再加入苯丙乳液和成膜助剂，同时用氨水调其pH 至规定值；继续搅拌2.0 h，出料，即得硅溶胶-苯丙无机/有机复合乳液。

2.2.2 硅溶胶-苯丙复合涂料的制备 将颜填料（空心玻璃微珠除外）加入水、增稠剂和润湿分散剂研磨分散至合适的细度；再加入空心玻璃微珠用高速搅拌机分散得到颜填料浆；按合适的颜基比将颜填料浆与硅溶胶-苯丙无机/有机复合乳液混合，再加入其它助剂搅拌均匀即可。

3 结果与讨论 3.1 硅溶胶-苯丙无机/有机复合乳液 选用正交表L16（45）来安排试验，各因素的水平选取如下：A 为硅溶胶与苯丙乳液的质量比；B 为复合乳液体系的pH；C 为硅烷偶联剂与硅溶胶的加入量之比；D 为成膜助剂与苯丙乳液的加入量之比。复合乳液配制因素水平见表1。 表1 复合乳液配制因素水平表 以吸水率作为确定优方案的指标，将制得的复合乳液喷涂在玻璃试板上，根据HG2-1612 规定对其进行吸水率检测，最后确定A2B2C4D3 为最优方案。试验研究发现，当硅溶胶与苯丙乳液的质量比小于3 ∶ 7 时，复合乳液喷涂在玻璃试板上成膜后的耐水性差，在水中浸泡8 h 涂膜有起泡现象；当硅溶胶与苯丙乳液的质量比大于3 ∶ 2 时，复合乳液喷涂在玻璃试板上成膜后涂膜有不同程度的裂痕。 pH 是影响硅溶胶-苯丙复合乳液成膜性能的最主要因素，当pH为9时，硅溶胶-苯丙复合乳液的吸水率为3.21%，涂膜无开裂。当硅溶胶和苯丙乳液的pH 相差很大时复合乳液稳定性变差。因此，配制涂料应选择pH比较接近的硅溶胶和苯丙乳液。对于碱性的水泥墙面，应选择pH为8.5 ～10.0的硅溶胶与苯丙乳液。通过性能对比发现，硅溶胶-苯丙复合乳液的性能综合了苯丙乳液和硅溶胶两者的优点。其吸水率与苯丙乳液相比从后者的15.0%降低到了3.34%，即耐水性能得到提高；其附着力（1 级）比硅溶胶单独成膜时要好，详见表2 3.2 硅溶胶-苯丙复合涂料 3.2.1 复合涂料性能检测 按GB/T 9756—2001 标准对复合涂料的各项指标进行检测，结果见表3。 3.2.2 苯丙乳液和复合乳液所配涂料的性能对比 通过性能对比发现，硅溶胶-苯丙复合涂料的性能优于仅以苯丙乳液作基料的乳胶涂料。检测结果显示，该涂料兼具无机涂料和有机涂料的特性，涂膜的力学性能及耐水性都得到了提高，详见表4。 3.3 涂层耐沾污性分析 涂层耐沾污性能有2 种截然相反的理论支持，一种为高疏水性涂层，即“荷叶”效应；一种为高亲水性的涂层。通过试验发现，具有低表面能、高疏水性的外墙乳胶涂料，其耐沾污性能不及亲水性外墙涂料，究其原因为①疏水性墙面干燥，容易静电吸附带电的污染物颗粒；②由于疏水性墙面的亲油性，导致城市中工厂和汽车排放出的亲油性灰尘更容易吸附在疏水性墙面上；③疏水性墙面的“荷叶”效果使雨水不能在墙面上铺展开，从而不能将墙面上的污染物冲洗掉，长时间会形成雨痕，影响装饰效果。亲水性墙面则可以克服以上不足，本研究基于亲水性理论，在配方设计上采用有机/无机冷拼复配的方法制得以高玻璃化的硅溶胶为核、苯丙乳液为壳的无机/有机复合乳液，并以此为基料制得亲水性外墙涂料，其耐沾污性能优异。

3.4 涂料隔热性能分析 隔热涂料具有降低物体表面温度，阻止热传递，改善工作环境等特点，因而得到广泛应用。隔热涂料按照不同的隔热机理，一般可以分为阻热型隔热涂料、辐射型隔热涂料和反射型隔热涂料三类。本研究基于不同的隔热机理选用空心玻璃微珠作为阻热填料、堇青石作为热辐射填料，两者配合使用，配制涂料后测其隔热效果，发现比普通外墙涂料能有效降低温度6 ～ 8 ℃。

3.5 涂料其它性能分析 硅溶胶成膜后几乎不吸水，另外硅溶胶与有机高分子聚合物混溶，使有机高分子均匀地分布在Si—O—Si 无机涂层的间隙中，屏蔽无机涂层中残存的亲水基团，因而涂膜耐水性能比普通外墙涂料有明显改善，而且当涂膜经受冷热交替时使涂膜的收缩得到缓冲，涂膜具有一定的弹性，并且使形成的涂膜兼具有无机和有机涂料的特性，弥补了两者的不足。硅溶胶中的SiO2 结构表面带有大量活性基团，如—OH 等，能通过毛细作用渗透到基材的内部，产生机械咬合与化学键合的综合结果，硅溶胶成膜后形成的体形网状结构不怕酸碱，提高了涂膜的性能。这种成膜材料施工方便，底材无须经过特殊处理即可获得极好的附着力，具有防污自清洁功能，耐水、耐酸碱、耐高温、抗冻融及弹性好等特点。

3.6 硅溶胶-苯丙复合涂料工艺配方 硅溶胶-苯丙复合涂料工艺配方见表5。 4 结语 ⑴pH 是影响硅溶胶-苯丙复合乳液成膜性能的最主要因素，当pH 为9 时硅溶胶-苯丙复合乳液的吸水率为3.34%，涂膜无开裂。 ⑵当硅溶胶和苯丙乳液的pH 相差很大时复合乳液的稳定性变差。因此，配制涂料时应选择pH 比较接近的硅溶胶和苯丙乳液。对于碱性的水泥墙面，应选择pH 为8.5 ～ 10.0 的硅溶胶与苯丙乳液。 ⑶溶胶/苯丙复合乳液性能综合了苯丙乳液和硅溶胶两者的优点。其吸水率与苯丙乳液相比从后者的15.0%降低到了3.34%，即耐水性能得到提高；其附着力（1 级）比硅溶胶单独成膜时要好；制得的涂料兼具无机和有机涂料的特性，且弥补了两者的不足。