稀有金属 2006,(06),884-887 DOI:10.13373/j.cnki.cjrm.2006.06.034
纳米复合粉体对外墙涂料的改性研究
赵英涛
攀枝花学院钒钛材料及合成技术省级重点实验室,攀枝花学院钒钛材料及合成技术省级重点实验室 四川攀枝花617000,四川攀枝花617000
摘 要：
采用UV-Vis研究比较了金红石型纳米TiO2以及金红石型纳米TiO2+SiO2复合粉体的紫外-可见光学特性。结果表明金红石型纳米TiO2+SiO2复合粉体比金红石型TiO2单一纳米粉体具有更加优异的紫外线吸收性能;并分别制备了含有0.5%, 1%, 2%TiO2+SiO2复合粉体和没有纳米粉体改性的外墙涂料, 通过人工紫外加速老化实验和其他性能测试发现:相比原始外墙涂料, 改性外墙涂料的抗紫外光老化性能和其他性能都得到大幅提高, 其中含1%TiO2+SiO2复合粉体的外墙涂料性能提高最为明显。
关键词：
纳米TiO ;纳米SiO ;紫外线 ;外墙涂料 ;抗紫外光老化 ;
中图分类号： TU561
收稿日期： 2006-01-18
基金： 四川省2005年重点科技项目 (05GG009-011) 资助;
Improvement of Nano Composite for Exterior Wall Paint
Abstract：
UV-Vis spectrum of nano rutile TiO2 and the composite of nano rutile TiO2 +SiO2 were studied.The results show that the composite of TiO2 +SiO2 has better performance of ultraviolet absorption than the nano rutile TiO2 only.The exterior wall paint with the composite of nano rutile TiO2 +SiO2 with different contents was prepared, and the ultraviolet ray resistance and other performance measurements for the exterior wall paints indicate that the exterior wall paints with the composite of TiO2 +SiO2 has better ultraviolet ray resistance and other performance, especially for the exterior wall paints with 1% composite of nano rutile TiO2 +SiO2 .
Keyword：
nano TiO2 ;nano SiO2 ;ultraviolet;exterior wall paint;ultraviolet ray resistance;
Received： 2006-01-18
随着社会经济的不断发展, 对外墙涂料的性能提出了更高的要求。 而将纳米材料和技术应用于涂料工业, 为外墙涂料向高质量、 高档次、 环保型、 多功能化方向发展提供了新契机。 因此, 纳米改性有机涂料的研制与开发是目前国内外研究的热点课题之一
[1 ,2 ,3 ]
。 金红石型纳米TiO2 由于其粒径很小、 比表面积大、 界面原子所占比例大而具有优异的紫外屏蔽作用, 可以改善涂料的抗老化性能
[4 ,5 ,6 ,7 ]
。 而纳米SiO2 具有庞大的比表面积, 表面严重的配位不足和表面缺氧等特点, 因而其表现出极强的反应活性
[8 ]
。 如将其应用于涂料中, 它能提高外墙涂料的耐久性; 其次, 由于解离的水吸附在纳米SiO2 表面, 所以在其表面存在氢键。 从而可在短时间内重组形成高度分散的SiO2 网络结构, 提高涂料的“颜料悬浮”性能有效阻止涂料流挂; 再者, 纳米SiO2 与乳液结合后, 可改善涂膜的表面光洁度, 提高涂料的抗水性, 耐玷污性, 使外墙涂料的耐洗刷性显著提高
[9 ]
。 采用TiO2 和SiO2 复合纳米粒子对外墙涂料的改性研究报道较少, 本研究则主要探讨添加TiO2 和SiO2 复合纳米粒子对外墙涂料性能的影响。
1 实 验
用TU-1901型紫外-可见分光光度计 (UV-Vis) 测试金红石型纳米TiO2 以及TiO2 +SiO2 复合纳米粉体的紫外-可见光学特性。 精确称量出待测样品, 并将称量好的待测样品配制成水悬浮液 (采用去离子水) , 同时添加适量的阴离子表面活性剂, 以保持颗粒的悬浮稳定性; 经超声波分散后, 分别放入样品池中, 测试各样品的紫外-可见光吸收光谱。
以苯丙乳液为基料, 外加颜填料、 溶剂 (水) 和各种助剂配制外墙涂料。 另外按表1所示配制各种纳米复合外墙涂料。 制备样板时采用软毛刷刷涂的方法, 每个试样需要刷涂两遍, 两次涂刷时间间隔6 h。 涂刷完后将样板放置在干燥、 无光照的环境中8 d以上才可以进行各种性能检测。
将测试样板放入加速老化实验箱中采用紫外汞灯进行人工加速老化。 采用MINOLTA公司生产的CR-10型色差计进行色差测量。 而光泽度测量采用WGG-60微机光泽度仪, 由上海精密科学仪器有限公司生产。 采用天津市京润建筑仪器厂生产的QFS-A型涂层耐洗刷仪进行耐洗刷性的测定。 耐水性检测按《GB/T1733-93漆膜耐水性测定》进
表1 复合纳米粉体添加量Table 1 Content of composite nanopowder
纳米粉体
0
0.5%
1%
2%
TiO2 /%
0
0.4
0.8
1.6
SiO2 /%
0
0.1
0.2
0.4
行, 耐碱性检测按《GB9265-88建筑涂料涂层耐碱性的测定方法》进行。
2 结果与讨论
2.1 纳米粉体材料的UV-Vis吸收光谱
太阳光中的紫外线是引起外墙涂料老化的主要因素之一, 若能屏蔽太阳光中的紫外线, 则可大幅度提高涂料的耐老化性能。 利用金红石型纳米TiO2 优异的紫外线屏蔽性能将其用于外墙涂料的抗老化改性, 可以达到屏蔽紫外线、 大幅提高涂膜耐老化性能的目的。
分别配制质量百分比浓度为0.5%的纳米TiO2 胶体、 0.5%的纳米SiO2 +0.5%的纳米TiO2 胶体, 并测试其UV-Vis吸收光谱, 结果如图1所示。 从图1可以看出, 纳米TiO2 的分散体系对紫外光表现出较强的吸收 (图1 (a) ) , 在部分中长紫外区域吸光度达到3.5以上。 而二元复合纳米TiO2 +SiO2 的分散体系则具有比单一纳米TiO2 更强的紫外吸收性能 (图1 (b) ) , 在整个紫外区吸光度平均3.5以上; 可以看出, TiO2 +SiO2 复合体系的紫外吸光度明显比单一TiO2 体系的吸光度高, 这主要是因为二者复合之后存在较强的二元协同效应
[10 ]
。 因此本研究中主要对纳米SiO2 和TiO2 的复合粉体对外墙涂料的改性进行研究。
2.2 复合纳米粉体的添加对涂料性能的影响
(1) 抗老化性能: 按表1的不同比例添加纳米TiO2 +SiO2 复合粉体, 制备外墙涂料并进行紫外加速老化试验。 图2为不同比例复合纳米粉体改性的外墙涂料和原始配方的外墙涂料的失光率和色差与老化时间的关系曲线。
由图2我们可以看出, 复合纳米粉体改性后外墙涂料的抗变色能力比没有添加纳米粉体的涂料都有明显的提高。 纳米粉体改性后的外墙涂料的
图1 无机纳米粉体材料的UV-Vis吸收光谱 (a) 纳米TiO2; (b) 纳米SiO2+纳米TiO2 Fig.1 UV-Vis absorption spectra of nano TiO2, and nano TiO2 +SiO2 composite powder
图2 不同比例纳米复合改性外墙乳胶漆色差和失光率与老化时间的关系 (a) 失光率; (b) 色差 Fig.2 Colour and luster variation of exterior wall paint with different contents of composite TiO2 +SiO2
色差随老化时间的进行变化不大, 而原始配方的外墙涂料色差随时间的进行变化较大。 这表明纳米粉体的添加能极大地提高外墙涂料的抗变色能力。 但是纳米粉体的添加不是越多越好, 从图2可以看出添加量在1%时抗变色效果最好, 老化160 h 后其色差仍然小于2。 纳米粉体的添加量过大, 抗老化性能有所下降而没有提高, 这可能是因为纳米粉体含量过高, 导致纳米粒子团聚, 不能发挥出其优异的紫外屏弊性能。 保光率是在添加1%的纳米粉体的时候效果较好, 添加量为0.5%和2%时和无纳米粉体时老化后保光效果相差不大。
(2) 耐洗刷性能: 对不同纳米粉体添加量的外墙涂料涂刷3块板进行耐洗刷性测试, 并取3块板的平均值作为测试结果, 其结果如表2所示。
试验结果表明纳米复合改性后外墙涂料的耐洗刷性能明显提高, 未改性时为3600次, 1%纳米粉体复合改性后耐洗刷效果最好, 达到32600次, 提高幅度为原始配方的10倍左右。 2%纳米粉体复合改性后耐洗刷效果比1%纳米粉体复合改性后耐洗刷效果大大降低, 为6800次, 这与加速老化实验结果相一致。
(3) 耐碱性和耐水性性能: 按表1的不同比例添加纳米二氧化钛和二氧化硅复合粉体制备外墙涂料并进行耐碱性和耐水性试验, 结果如表3和4所示。
结果表明所有样品都到达了国标耐碱性96 h无异常 (表3) 和耐水性48 h无异常 (表4) 的要求, 纳米复合添加量达到1%就能明显改善样品的耐碱
表2 耐洗刷结果Table 2 Experiment of endurance of washing
试样
0
0.5% nano
1% nano
2% nano
洗刷次数
3600
5300
32600
6800
表3 耐碱性实验结果Table 3 Experiment of endurance of alkalinity
时间/h
48
96
120
0
无异常
部分地方轻微起泡
严重软化、 起泡
0.5% nano
无异常
无异常
部分轻微软化、 起泡
1.0% nano
无异常
无异常
无异常
2.0% nano
无异常
无异常
无异常
表4 纳米改性外墙涂料耐水性实验结果Table 4 Experiment of endurance of aquosity
时间/h
96
120
148
0
无异常
轻微失光
起泡、 起皱、 有锈斑
0.5% nano
无异常
无异常
部分地方出现锈斑点
1.0% nano
无异常
无异常
无异常
2.0% nano
无异常
无异常
无异常
性和耐水性。 纳米复合改性后涂膜耐碱性和耐水性明显提高。
3 结 论
1. SiO2 和TiO2 复合体系的紫外吸光度明显比单一TiO2 体系的吸光度高。
2. 含1%纳米TiO2 +SiO2 复合粉体的外墙涂料比原始配方和其他含量纳米粉体的外墙涂料的紫外线屏蔽能力都强, 具有较优的抗老化性能和其他性能。
参考文献
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