水性微纳米石墨丙烯酸酯防水涂料的制备*

吴 婷，邓跃全，杨 威，吴 昊

(西南科技大学 材料科学与工程学院，四川 绵阳 621010)

0 引言

石墨是一种非金属矿产资源，多为不规则状、鳞片状[1]，由多层片状石墨烯构成，因其具有突出的力学、电学性能，优异的化学稳定性，电子迁移率高等特性而被应用于涂料行业[2-4]。但由于纳米石墨烯具有超疏水性，易团聚，因而不利于水性化涂料的制备[5]，且成本高达每千克上万元，因此开发可以低成本水性化改性及适合于涂料制备的微纳米石墨材料十分必要。

单组分丙烯酸酯防水涂料因不含有机溶剂、VOC(挥发性有机化合物)含量低、易于施工而被称为环境友好型涂料[6-7]，在屋面、墙面、地下室等建筑防水工程中得到了广泛应用[8-9]。近年来，房屋建筑渗漏问题时常发生[10]，因此要求防水涂料具有更好的耐水性能[11]。

本课题组研发了一种成本仅为每千克数十元且水性化的微纳米石墨材料，其平均粒径在17 μm左右，中值粒径D50约为20 μm，宽度在5～50 μm，厚度在5～27 nm，分散性良好[12]，与自制的丙烯酸酯防水涂料相结合，可以制备水性微纳米石墨丙烯酸酯防水涂料。

1 试验研究

1.1 原料及仪器

原料：可膨胀石墨、弹性乳液、膨润土、二氧化硅(100目)、碳酸钙(320目)、消泡剂(XHD103)、成膜助剂(醇酯-12)、分散剂(DS-172)、羟乙基纤维素、铁片。

仪器：电子天平、试验分散砂磨机、拉伸试验机、不透水仪、接触角测定仪、大功率电动搅拌器、扫描电子显微镜。

1.2 试验方法

1.2.1 水性微纳米石墨浆体的制备[12]

称取一定量的可膨胀石墨置于马弗炉中煅烧至450～500 ℃，直至无水汽冒出，取出。向分散机中依次加入水、多种助剂及配制好的质量分数为2%的羟乙基纤维素水溶液，搅拌分散至混合均匀，然后加入煅烧后的膨胀石墨粉，继续搅拌至均匀，制得水性微纳米石墨浆体。

1.2.2 水性微纳米石墨丙烯酸酯防水涂料制备

基础丙烯酸酯防水涂料的原料配比见表1。

表1 基础丙烯酸酯防水涂料的原料配比 单位：%

水性微纳米石墨丙烯酸酯防水涂料的制备工艺流程见图1。

图1 水性微纳米石墨丙烯酸酯防水涂料制备工艺流程

取加入量为0、2%、4%、6%、8%、10%的水性微纳米石墨浆体，分别与加入量为100%、98%、96%、94%、92%、90%的基础丙烯酸酯防水涂料充分混合，制备水性微纳米石墨丙烯酸酯防水涂料，依次编号为1～6，其中以石墨加入量为0作为空白对照。

1.2.3 涂层样板制备

将制备好的水性微纳米石墨丙烯酸酯防水涂料均匀涂刷在铁片上，待自然晾干后，用于检测干燥时间；再涂刷一遍，待自然晾干后，用于检测耐水性；将整个铁片涂刷两遍，待自然晾干后，用于检测耐盐水性，且每次涂刷间隔时间为24 h。

1.2.4 涂层性能测试

a.涂层的性能指标按照GB/T 16777—2008《建筑防水涂料试验方法》[13]中的要求测试，结果参照JC/T 864—2008[14]中的Ⅱ型指标要求。

b.涂层的耐水性和耐盐水性分别按照GB/T 1733—1993《漆膜耐水性测定法》[15]和GB 9274—1988《色漆和清漆 耐液体介质的测定》[16]中的要求测试，结果参照GB/T 1766—2008[17]中的指标要求。

c.涂层的疏水性采用接触角测量仪测量涂层表面的接触角。

d.涂层的耐沾污性按照GB/T 9780—2013《建筑涂料涂层耐沾污性试验方法》[18]中的外墙涂料涂层要求测试，采用粉煤灰悬浮液作为污染源。

1.2.5 表征方法

采用扫描电子显微镜表征水性微纳米石墨丙烯酸酯防水涂料的形貌结构。

2 结果与讨论

2.1 涂层性能测试

2.1.1 涂层性能测试指标

涂层性能的测试指标见表2。由表2可知，涂层各项性能指标均符合JC/T 864-2008[14]的要求。编号2-编号6与编号1对比，断裂伸长率和拉伸强度的差别均很小，说明水性微纳米石墨浆体的加入对丙烯酸酯防水涂料的断裂伸长率和拉伸强度影响不大。在干燥性检验中，编号2-编号6的干燥表干时间为3 h、实干时间为5 h，相比于编号1，缩短了干燥时间，说明加入水性微纳米石墨浆体的丙烯酸酯防水涂料的干燥性较好。

表2 涂层性能的测试指标

2.1.2 涂层的耐水性和耐盐水性

编号1-编号6涂层的耐盐水性和耐水性符合GB/T 1766—2008[17]的要求，在浸水、浸盐水96 h后，编号1-编号6涂层样板无异常现象，随着时间的延长，编号1涂层样板有轻微变化，而编号2-编号6涂层样板未出现异常，2个月后与初始涂层样板仍基本无差异，说明水性微纳米石墨浆体的加入在一定程度上可增强涂料的耐水性和耐盐水性。

2.1.3 涂层的疏水性

水性微纳米石墨浆体加入量为4%时的涂层的水接触角见图2。

图2 水性微纳米石墨浆体加入量为4%时的涂层的水接触角

测得该涂层的水接触角约为112°，大于疏水材料要求的90°，说明该涂层有良好的疏水性，有利于防水。

2.1.4 涂层的耐沾污性

水性微纳米石墨浆体加入量为4%时的涂层的耐沾污性试验照片见图3。

图3 水性微纳米石墨浆体加入量为4%时的涂层的耐沾污性试验照片

由图3可见，冲洗后的涂层样板与初始的涂层样板相比，基本无污染和无光感色差，得出该涂层的耐沾污等级为0级，灰卡等级为5，耐沾污性能优异。

2.2 机理分析

水性微纳米石墨浆体加入量为4%时的涂层的场发射扫描电子显微镜(FESEM)照片见图4。

图4 水性微纳米石墨浆体加入量为4%时的涂层的FESEM图

由图4可见，大量的石墨片重叠在涂膜中，在涂膜上平铺展开，形成了连续的片状堆积结构，增加了涂层薄膜的阻隔性和致密性，石墨具有超疏水性，提高了涂层的疏水性能，使涂层达到了较好的防水效果。

3 结论

a.加入不同量水性微纳米石墨浆体的丙烯酸酯防水涂料的各项性能指标均符合JC/T 864—2008的要求，其中加入水性微纳米石墨浆体的丙烯酸酯防水涂料干燥时间明显缩短，耐水性和耐盐水性增强，涂层表面的水接触角约为112°，耐沾污等级为0级，疏水性和耐沾污性优异。

b.机理分析表明，微纳米片状石墨比表面积大，在涂膜中平铺形成多层致密结构，提高了涂料的防水性能，石墨的超疏水性提高了涂层的疏水和耐沾污性能。