仿生自清洁外墙涂料的制备

蒋柏泉1, 李岂凡1, 邱宝玉2, 肖正强3, 曹文仲1, 喻国华1

( 1. 南昌大学环境科学与工程学院, 江西南昌330031;2. 淄博市市政环境卫生管理处, 山东淄博255000; 3. 江西省科学院生物资源所, 江西南昌330029)

自从1960年9月13日在美国召开的第一届仿生学研讨会上, 斯蒂尔博士首次提出了仿生学( B ion ics)概念以来, 针对自然界荷叶、芋头叶、芸苔等植物不被污染和自我保洁的现象, 德国的巴斯洛特教授研究了上千种植物叶子的表面微观结构 ,发现荷叶表面由很多10 um 左右的乳突所组成, 而每一个乳突上存在纳米级的二次结构, 这种结构使得荷叶表面呈现为低表面能的粗糙结构, 具有较大的水接触角( 160o)和优越的疏水性能。驻留在外墙涂料表层和缝隙中的水(来自空气中的水分和雨水)是造成涂层污染的主要媒介。因此, 模仿荷叶制备接触角较大的外墙涂料, 是提高其疏水性, 使水在涂层上难以立足(易于滚落) , 从而达到防止污染、自我保洁的重要途径。近年来, 国内外研究和开发具有荷叶自洁效应的仿生涂料取得了一定的成果 , 并正在不断深入发展。本文采用自制的改性硅丙乳液 作基料, 自制的改性硅石灰作填料,自制的改性微晶蜡作助剂, 并对涂料总配方进行优化设计, 制备具有荷叶效应的拒水自洁外墙涂料。重点研究颜基比、填颜比和微晶蜡乳液用量等重要原料和工艺参数对涂料接触角和疏水性能的影响。
 

1 实验部分

1. 1 实验仪器

高速分散机, 启东汇龙混合设备有限公司;BS2243电子天平, 美国赛多利斯; QFZ漆膜附着力试验仪, 深圳市泰立仪器仪表有限公司; QFS- A 涂层耐洗刷性测定仪, 天津市中亚材料试验机厂; 480K U 粘度计, 常州国华电器厂; HH - 2电子天平数显恒温水浴, 常州国华电器厂; JJ- 1增力电动搅拌机, 常州国华电器厂; GZX - 9140MBE 数显鼓风干燥箱, 深圳市菱美电子有限公司。

1. 2 原材料

乙烯基三乙氧基硅烷- 丙烯酸酯乳液, 自制; 成膜助剂exano l、增稠剂醇酸聚氨酯和无机玻璃纤维素、消泡剂SPA - 202, 防腐防霉剂DF- 35、分散剂5040, 杭州明炬进出口公司; 防冻剂丙二醇, 南昌市青山试剂厂; 金红石型钛白粉颜料, 天津科密欧化学试剂厂; 填料硅灰石粉, 江西; 微晶蜡乳液, 自制。

1. 3 硅灰石粉的改性

首先将硅灰石粉在120oc下干燥30 m in, 然后将50 g硅灰石粉和3 g含氢硅油, 150 g水分别加入装有搅拌装置和温度计的三口烧瓶中, 温度控制在130oc 。待反应2 h后, 将上述混合物用砂芯漏斗抽滤, 滤饼于95oc 左右干燥后即改性完毕。

1. 4 微晶蜡的改性

先将微晶蜡切成1~ 2 cm左右大小的碎块, 按比例称量后, 放入500mL非金属容器中(玻璃或塘瓷均可) , 在90oc 左右的恒温水浴中熔化。待蜡熔化后, 加入一定量的羟基硅油, 开动搅拌器搅拌( 1 000r /m in), 依次加入称量好的复配乳化剂( Span- 80和Tw een- 80, 质量比1: 1, 用量为总固含量的10% ~ 15% ), 然后在搅拌条件下连续加入85oc的热水(质量分数60% ~ 70% ), 反应30 m in左右,冷却至30oc 时停止搅拌, 改性制备结束。

1. 5 涂料配方

涂料配方指标设计如表1。重点考察颜基比(P /B )、填颜比( S /P )和微晶蜡乳液用量对涂膜接触角和吸水率的影响。

1. 6 分析测试

1. 6. 1 接触角的测定

采用间接接触角法 : 用10 uL微量进样器吸满蒸溜水, 在距试片(水平放置)上方约10 cm 处滴下微量进样器中的水, 待水滴完全扩散后, 用精度为0. 1 mm的尺子量取水滴的直径, 再按经验公式换算

成水滴的接触角。

式中, 为接触角; V为所用蒸馏水的量; a 为扩散水滴直径。

1. 6. 2 吸水率的测定

将充分干燥的涂膜称重, 室温置于水中浸泡48h, 取出后用滤纸擦干吸净涂膜表面的水分, 再称重,测其重量变化后计算。
 

2 结果与讨论

2. 1 颜基比对涂膜接触角和吸水率的影响

颜基比P /B 是涂料配方设计中的一个重要工艺参数。图1为在涂料配方设计条件下(未加微晶蜡乳液)时涂膜接触角随颜基比S /P 的变化关系。从图1可知涂膜接触角 随颜基比的增大呈先增大而后减小的趋势。当颜基比为1. 25左右时, 涂膜接触角达最大值为118o , 此时疏水性能最好。

图2为在涂料配方设计条件下(未加微晶蜡乳液)时涂膜吸水率n随颜基比的变化关系。从图2可知, 在颜基比0. 5~ 1. 25范围内, 涂膜吸水率随颜基比的增大而迅速减小; 而当颜基比大于1. 25时,涂膜吸水率随颜基比增大而减小的幅度甚微。

综合考虑颜基比对涂膜接触角和吸水率的影响, 本实验取适宜的颜基比为1. 25。