室内铝幕墙用有机-无机杂化涂层的制备及其性能研究

李力锋 （上海宜瓷龙新材料股份有限公司，上海 201108）

0 引言

随着我国城市化进程的快速推进，数量庞大的地铁、高铁、机场、大型公共建筑、商业楼宇不断涌现。为了提高建筑物的美观和装饰效果，常常采用铝幕墙板作为装饰材料，铝幕墙板具有质量轻、安装维护方便、使用寿命长、整体造价相对较低等优势。

目前最常用的铝幕墙装饰板有氟碳幕墙板和烤瓷铝板两种。氟碳幕墙板的表面为氟碳树脂涂层，由于其具有优异的耐候性、耐腐蚀性和机械性能，且具有独特的自清洁性能，成为市场上主流的装饰幕墙板。但是氟碳幕墙板存在着如下缺陷：（1）涂层的硬度只有2H，稍微使用外力即可将涂层剥落，在墙面装饰完成后，日常使用中经常与人接触的部位涂层易被刮破，且涂层磨损后表面粗糙，容易附着杂质，难以清洗；（2）涂层防火等级较低，遇高温或明火时极易燃烧、炭化、释放出烟雾和毒气，难以应用于防火等级要求较高的场所，也不太适用于室内密闭公共场所的大规模装饰；（3）氟碳涂料属于溶剂型涂料，VOC（挥发性有机化合物）排放量大，不利于环保，且喷涂废气的处理成本较高。烤瓷铝板是将无机水性陶瓷涂料喷涂在铝幕墙板上，经烘烤固化后形成的幕墙装饰板，具有耐高温、不燃、无烟、硬度高、易清洁、安全环保、节能等特点，近年来在地铁站、隧道、高铁站、机场、医院、学校等公共场所的使用越来越广泛。但是烤瓷铝板也存在着一些亟待解决的问题：（1）陶瓷涂料施工前需熟化6～8 h，熟化后涂料的保质期只有2～3 d，使用极不方便；（2）铝幕墙板的施工需经过喷砂等前处理工艺，工艺复杂且会产生大量粉尘，不利于人体健康且污染环境；（3）易出现色差，光泽低，装饰效果略显不足。

针对以上两种常用铝幕墙板存在的问题，拟开发一款施工和装饰效果接近于氟碳漆，而环保性、硬度、防火性能更接近于陶瓷涂料的水性有机-无机杂化涂料。本研究以水性丙烯酸氨基烤漆配方为基础，以硅溶胶为改性剂，制得有机-无机杂化涂料，研究了不同种类硅溶胶对涂层基本性能的影响，筛选出合适的硅溶胶并优化了硅溶胶的用量。通过加入附着力促进剂，改善了涂层与基材之间的附着力，经测试，最终得到的有机-无机杂化涂层的综合性能可以满足室内装饰幕墙的使用要求。

1 试验部分

1.1 主要原材料

硅溶胶、丙烯酸乳液、聚酯乳液、氨基固化剂、颜料、助剂等。

1.2 主要仪器

SFJ-400搅拌研磨分散多用机、AM413ZT数码显微镜、NHG60精密光泽度仪、Fischer DualScope测厚仪。

1.3 有机-无机杂化涂料的制备

（1）色浆的制备：将颜料、去离子水、分散剂、消泡剂按一定比例混合后，在研磨机上研磨至细度＜ 20 μm，用200目（75 μm）滤布过滤后出料，备用。

（2）有机-无机杂化涂料的制备：涂料的基础配方如表1所示，按比例将各原料混合均匀即可。

表1 有机-无机杂化涂料的基础配方Table 1 The basics formula of organic-inorganic hybrid coatings

1.4 测试样板的制备

以铝单板为基材，采用与氟碳幕墙板相同的施工方法制作试验样板，施工流程如下：

基材前处理（包括脱脂、酸洗、铬化等）→ 喷涂涂料→ 烘烤固化[（80 ℃，5 min）、（180 ℃，20 min）］→自然冷却后待用。

1.5 性能测试与表征

附着力：百格法，按GB/T 9286—1998的规定进行测试，用AM413ZT数码显微镜放大200倍后观察；

硬度：铅笔硬度，按GB/T 6739—1996 A法进行测试；

60°光泽度：按GB/T 9754—2007的规定进行测试；

耐水煮：将样板置于沸腾的水中，每隔15 min取出吹干，观察涂层是否有鼓泡、脱落等异常现象；

耐冲击性：按GB/T 1732—2020的规定进行测试；

耐溶剂性：将四层医用纱布吸饱溶剂（丁酮）后，以1 000 g的力和100次/min频率在涂层表面同一区域来回擦洗100次，擦洗行程为100 mm，目测擦洗处是否有显露内层的现象；

耐砂浆性：按GB/T 23443—2009的规定进行测试；耐酸性：按GB/T 23443—2009的规定进行测试；防火性：喷火枪，距离涂层10 cm左右，用火烧涂层1 min，观察涂层是否发生变色、失光等。

2 结果与讨论

2.1 硅溶胶的筛选

一般来说，不同树脂间的共混效果会对涂料的最终性能产生较大影响。树脂间相容性不好会造成涂膜失光，严重的会导致涂料出现相分离而沉淀析出、发生凝胶化等现象，或者黏度改变对施工造成影响。从涂层物理性能方面判断不同树脂相容性的优劣主要包括以下几个方面：（1）漆膜的外观，是否出现桔皮、不平整、失光等现象；（2）漆膜的硬度、耐磨及防腐蚀等性能。本研究选用市售多种硅溶胶作为改性剂，加入到水性丙烯酸氨基烤漆中，通过考察漆膜的附着力、硬度、光泽度等性能，初步筛选出与有机树脂相容性好的硅溶胶，进行后续的试验。不同硅溶胶对涂层基本性能的影响如表2所示。

表2 不同硅溶胶对涂层性能的影响Table 2 Effect of different silica sol on coating properties

从表2中的数据可以看出，与未加入硅溶胶的空白样相比，加入硅溶胶后涂层的硬度均有了明显的提高；而涂层与基材的附着力则略有下降；由于硅溶胶与有机树脂之间相容性的不同，造成最终涂层光泽度的表现差距较大；甚至破坏了某些溶胶的稳定体系，直接导致凝胶化。综合涂层的硬度和光泽度数据，Bindzil cc301和银丰JN-30两款硅溶胶与水性丙烯酸氨基烤漆的相容性较好，漆膜性能优异，可以用作改性剂。

2.2 硅溶胶用量的优化

加入硅溶胶虽然可以提高涂层的硬度和耐磨性，但是也会影响涂层的光泽、附着力等性能，需要优化硅溶胶的添加量，使得涂层的综合性能达到最优。本研究以筛选出的两款硅溶胶为改性剂，固定有机树脂的添加量为20 %[其中m（水性丙烯酸乳液）∶m（水性聚酯乳液）=3∶1］，考察了硅溶胶的用量对涂层基本性能的影响，结果如表3所示。

表3 硅溶胶不同用量对涂层性能的影响Table 3 Effects of different silica sol additions on coating properties

由表3可以看出，2种硅溶胶在杂化体系中的表现类似：

（1）有机-无机杂化涂层的硬度随着硅溶胶用量的增加而逐渐增大。硅溶胶是二氧化硅胶体微粒在水中均匀扩散形成的胶体溶液，具有较大的比表面积和较丰富的表面硅醇羟基，因此胶粒之间可以相互作用发生脱水缩合成网状结构；另一方面，丙烯酸树脂侧链上也有羟基、羧基等反应性基团，硅溶胶也可以与其反应而引入无机硅，因此对于提高涂层硬度的效果很明显。

（2）随着硅溶胶含量的提高，由于涂层中无机基团占比增加而有机基团所占比例降低，所以涂层的光泽度出现了一定程度的降低。

（3）随着硅溶胶用量的提高，涂层的附着力、耐水煮性和耐冲击性都出现了一定程度的下降。附着力测试照片如图1所示。综合上述各项性能的检测数据，硅溶胶质量分数以20 %为宜。

图1 有机-无机杂化涂层附着力的测试结果Figure 1 Adhesion test results of organic-inorganic hybrid coating

2.3 有机-无机杂化体系附着力的优化

附着力实际上就是一种界面作用力，是指涂膜与被涂基材表面结合在一起的牢固程度，附着力的好坏直接影响着涂层的保护性能。从涂膜在基材上的附着机理来看，涂膜与被涂基材表面的极性、涂膜的内聚力与热膨胀系数、涂膜对基材的润湿性等都会影响涂膜附着性能。

由于水的表面张力是溶剂的2～3倍，因此在涂装过程中，水性涂料对被涂物表面的润湿性较差，从而影响了涂膜的附着力。往往需要添加附着力促进剂，通过降低水性涂料的表面张力，增加涂膜与基材之间的润湿性与界面接触来增加涂膜的结合牢度。本研究选用了5种附着力促进剂，按照建议添加量加入杂化体系中，通过附着力测试和耐水煮测试，筛选出最适合杂化体系的附着力促进剂。测试结果如表4所示。

表4 不同附着力促进剂对涂层性能的影响Table 4 The effects of different adhesion promoters on the properties of coating

表4结果表明，附着力促进剂与杂化体系的相容性较好，对涂层的60°光泽及耐水煮性基本没有影响。与空白样相比，杂化体系中加入附着力促进剂后对涂膜与基材的结合牢度有了不同程度的改善，W450在体系中的表现最好，涂膜百格附着力已提升至接近0级水平。

2.4 有机-无机杂化涂层的综合性能

按照经过调整和优化的配方，以硅溶胶为改性剂，制备出有机-无机杂化涂料，按照与氟碳幕墙板相同的施工方法制备样板，并对制作出的样板进行了综合性能的测试，结果如表5所示。由表5可知，有机-无机杂化涂层的综合性能表现达到了预期的目标，特别是明火燃烧测试结果表现优异（图2）。喷火枪测试后涂层仅有失光现象，无变色现象，与氟碳幕墙板相比，更适合应用在人流密集的公共场所。

表5 有机-无机杂化涂层的综合性能测试结果Table 5 Test results of comprehensive properties of organic-inorganic hybrid coating

图2 明火燃烧测试结果Figure 2 Open flame combustion test resutls

3 结语

（1）通过在水性丙烯酸氨基烤漆中引入硅溶胶来改善涂层的性能是可行的。硅溶胶的加入使得涂层的硬度有明显提高，但涂层的光泽、附着力、耐冲击性等会有一定程度的下降。当硅溶胶的质量分数为20 %时，得到的有机-无机杂化涂层的综合性能较好。

（2）通过加入附着力促进剂，有效改善了有机-无机杂化涂层与基材之间的附着力，百格法附着力从1级上升至0级，效果良好。

（3）采用与氟碳幕墙板相同的施工方法，将制备出的有机-无机杂化涂层制成样板，测试结果表明，涂层的综合性能良好；明火燃烧测试中涂层仅有失光，而无变色现象，这说明其防火性能优异，可以作为室内装饰幕墙板涂层应用于公共场所。