成膜剂硅溶胶的黏度对涂层性能的影响

李炎　刘玉岭　李洪波　卜小峰　唐继英　樊世燕

摘要：涂层黏度实验证实，硅溶胶黏度越大，所制备涂层的附着力越大，耐腐蚀性能越强。通过对硅溶胶的物理化学性能研究可知，硅溶胶体积分数的增加会导致体系pH值的上升，当体积分数为10%时，pH值达到最大值9.91。当pH值为9.7时，硅溶胶的黏度最大且Zeta电位绝对值最大。根据硅溶胶体积分数和体系pH值的线性关系，得出硅溶胶最佳体积分数为9.074%。

关键词：硅溶胶；黏度；表面粗糙度

中图分类号：O648.16 文献标识码：A 文章编号：1001-5922（2014）07-0057-04

涂料的流动性能是涂料在涂装过程中得到连续涂膜的保证。黏度是度量流体流动性能的基本物理参数，是剪切应力与应变速率的比值，对于牛顿流体（比如水），此比值为恒定值，即不随剪切应力的变化而变化。对于非牛顿流体，黏度将随剪切应力的变化而变化，因此也称为表观黏度[1，2]。涂料是高分子溶液与固体粉末填料组成的悬浮液，其基本流变性能遵循高分子液体的流变特性，是非牛顿流体。在流体动力学中，黏度是一个很重要的参数，涂料作为一种流动的液体对其黏度的研究十分必要。根据涂料的性能要求，本文以硅溶胶乳液作为成膜剂来配制涂料[3，4]，针对涂层耐腐蚀性能随硅溶胶黏度的变化论述了黏度对涂料性能的影响。

1 实验部分

实验仪器及材料：电子千分表；NDJ-5S 黏度计；Zeta电位测试仪；7.62 cm铜片；碱性硅溶胶（粒径为110～130 nm ）。

实验方法：将不同黏度的硅溶胶配置成防腐涂料涂覆在铜片表面进行耐腐蚀实验，记录耐腐蚀时间及腐蚀后铜片表面粗糙度。测定不同体积分数硅溶胶黏度和pH值以及Zeta电位，得出适合用作涂料成膜剂硅溶胶的最佳物化条件。

2 结果及讨论

2.1 硅溶胶体积分数对pH值和黏度的影响

涂料的黏度受到成膜剂乳液中硅溶胶体积分数的影响。相同的实验环境中，向去离子水中加入一定量的硅溶胶，配制不同体积分数的硅溶胶溶液，测量每种溶液的pH值和黏度，结果如图1所示。可以看出，随着SiO2溶胶体积分数的增加，硅溶胶pH值上升，达到最大值9.91后趋于稳定。硅溶胶黏度随其体积分数的增加而呈上升趋势，这是因为，随着硅溶胶颗粒数目的增加胶体颗粒间距离减小，颗粒之间的相互作用力增大使胶体的黏度增大，同时也增大了SiO2颗粒与铜片的接触概率，使涂料更加稳定[5～7]。

2.2 硅溶胶pH值对黏度和Zeta电位的影响

对不同pH值硅溶胶的黏度和Zeta电位进行了测定，结果如图2所示。由图2可知，硅溶胶黏度先随pH值增大而缓慢增加，在pH值为9.7时瞬间增加到最大值6.6 mPa·s，然后又急剧下降，最后又呈现缓慢增长的趋势。这说明在pH值为9.7时，硅溶胶性质发生了变化，pH值对胶体内粒子所带电荷产生了影响，使粒子间的距离达到最低值，导致体系的黏度大幅度上升。体系的Zeta电位也在pH值为9.7时达到最小值，此时Zeta电位的绝对值最大，说明此时体系稳定性最好[8，9]。文献中关于pH值对二氧化硅溶胶稳定性的影响曲线[10]如图3所示，可以看出，当无电解质存在时，二氧化硅溶胶pH值的稳定区间为7.5～10.8，当存在电解质时二氧化硅溶胶pH值的稳定区间减小到8.5～10.8。当pH值在2附近时出现亚稳定态，当pH值大于10.8时，二氧化硅溶胶出现溶解平衡，主要是以硅酸负离子形式存在，当pH值大于13时，二氧化硅溶胶主要以硅酸根存在。这与实验结果一致，证实了上述结论的正确性。

2.3 硅溶胶黏度对铜片表面粗糙度（涂料剥离后）的影响

不同黏度的硅溶胶所配制的涂料性能也有很大差异。按GB 1727—1992在铜片上制备涂料样板，在90 ℃烘干2 h，静置1 h。待漆膜实干后，用铲刀剥离涂层，为精确地说明底材的表面状态，对其表面粗糙度进行了检测，结果如图4所示。

由图4可知，剥离涂层后底材的粗糙度与黏度基本成正比关系，表明涂料所含硅溶胶的黏度越大，剥离涂层后底材表面越粗糙，涂料的附着力越强。选用表面初始状态不同的铜片，按表面粗糙度由低到高分别命名为1#，2#和3#样品，配制相同黏度的防腐涂料并涂覆于上述铜片表面，按相同方法处理后，铜片表面状态的变化情况见图5。

由图5可知，铜片初始表面越粗糙，剥离涂层后底材的粗糙度就越大，即粗糙表面对防腐涂层的吸附力越强。这是因为，粗糙铜片表面存在很多高低不一的尖峰，涂覆过程中，防腐涂料会渗入到尖峰之间，将尖峰包围起来，导致涂料与铜片的实际接触面积变大，形成涂层后2者之间的吸附力相应较大。综上所述，当硅溶胶黏度越大，所形成的涂层越牢固，在铲除之后表面越粗糙，若继续涂覆防腐涂料，涂料的附着力就会更强。在防腐涂料的涂覆过程中，重复上述过程数次，可使涂料的附着力最大化。

2.4 硅溶胶黏度对涂层防腐性能的影响

参考其他防腐涂料配方，以硅溶胶为成膜剂，保证施工条件相近的前提下，采用不同黏度配方，由涂层从被处理到脱落所持续时间来表征涂层的耐腐蚀性能，结果如图6所示。由图6可知，在体积分数5%的酸、碱或者盐水中，涂层耐腐蚀时间均与硅溶胶黏度成正比关系。对于涂料来说，在酸碱盐溶液中的耐腐蚀时间越长就表示涂料的防腐性能越好，因此在保证涂料固含量和不出现结块的前提下，提高硅溶胶的黏度，能获得更出色的防腐效果。。

2.5 硅溶胶浓度的优化

由2.3和2.4可知，成膜剂硅溶胶的黏度越大，所制备涂层的附着力和耐腐蚀性能越好。由2.1可知，当硅溶胶体积分数为10%时，体系pH值达到最大值9.91。由2.2可知，当硅溶胶pH值为9.7时，体系黏度会出现一个最大值6.6 mPa·s，而后继续小幅度增长。根据上述规律，继续增加硅溶胶体积分数也能使体系黏度达到6.6 mPa·s甚至更高，但会造成大量原料的浪费。因此将使体系pH值达到9.7时的硅溶胶体积分数定为最佳值。将硅溶胶体积分数与pH值进行线性拟合分析，拟合直线如图7所示，得到2者的线性方程为Y=0.072X+9.04667，将Y=9.7带入式中可得X=9.074，即当硅溶胶体积分数为9.074%时，体系pH值为9.7。

3 结论

1）硅溶胶黏度越大，所制备涂层的附着力越大，耐腐蚀性能越强。

2）硅溶胶体积分数的增加会导致体系pH值的上升，当体积分数为10%时，pH值达到最大值9.91。当pH值为9.7时，硅溶胶的黏度最大且Zeta电位绝对值最大。根据硅溶胶浓度和体系pH值的线性关系，得出最佳硅溶胶体积分数为9.074%。

参考文献

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