改性硅溶胶无机涂料在建筑空间设计中的应用

李 华,张 晨

(西安外事学院,陕西 西安 710077)

随着现代文明的进步，大家对于美的追求越来越高，涂料作为现在最常用的一种装饰材料，自然也得到了重视。硅溶胶无机涂料是目前较为常见的一种涂料，因其在环保、机械性能和耐久性方面的优势，在建筑行业得到了广泛的应用。但硅溶胶无机涂料还存在施工性能和成膜性能不足的问题，限制了硅溶胶无机涂料的发展空间。因此，提升硅溶胶无机涂料的性能是目前较为重要的一项研究课题。对此，很多学者进行了很多的研究。如通过甲基硅酸钾(PMS)对其进行原位改性制得疏水改性硅溶胶，并对其性能进行表征。结果表明，PMS能明显改善硅溶胶无机涂料的成膜性能，当PMS质量分数为5%时，涂层表现出较好的性能，铅笔硬度达到6 H，表面接触角为152°，吸水率仅为0.9%。基于此，本文在文献[1]研究的基础上，以PMS改性硅溶胶为基底，制备PMS 改性硅溶胶-硅丙(PMS-Si-SAE)杂化乳液，提升其施工性能，为硅溶胶的发展提供一些数据基础。

1 材料与方法

1.1 材料与设备

本试验主要材料：甲基硅酸钾(PMS)(CP，山东聚富鑫旺化工有限公司)、JN-30碱性硅溶胶(CP，新郑市永发化工有限公司)、硅丙乳液(AR，广州市启华化工有限公司)。

本试验主要设备：ADS-1018V超声波清洗机(济南来宝医疗器械有限公司)、HMS-205D磁力搅拌器(上海沪析实业有限公司)、DZF-6020真空干燥箱(济南欧莱博技术有限公司)、FPMICR-SEM扫描电子显微镜(辅光精密仪器(上海)有限公司)、T-4黏度计(山东龙煤工矿机械有限公司)、HL9200纳米粒度分析仪(北京海鑫瑞科技有限公司)

1.2 试验方法

PMS改性硅溶胶制备

(1)在去离子水中溶入一定质量PMS粉末，配制成质量分数为20%的PMS溶液；然后放入ADS-1018V型数控超声波清洗机中超声分散，分散时间为30 min；

(2)在HMS-205D型磁力搅拌器中放入75 g碱性硅胶溶胶进行分散，然后缓慢滴加PMS溶液5、10、15、20 和25 g，搅拌均匀后移入超声清洗机；将其在水温50 ℃的条件下超声分散30 min，得到质量分数为 1%、2%、3%、4%、5%的改性硅溶胶(PMS-Si)。

PMS改性硅/硅丙(PMSSiSAE)杂化乳液的制备

将制备好的改性硅溶液置于磁力搅拌器上，在搅拌的条件下分别滴加质量分数为0%、2%、4%、6%、8%的硅丙乳液，待2种溶液完全混合后，置于超声清洗机中超声分散30 min，得到杂化乳液样品。

样板制备

提前用80目对马口铁片进行打磨和抛光处理，然后放入超声清洗机中用乙醇溶液超声清洗，超声时间为10 min，60 ℃烘干，得到处理好的马口铁片。用毛刷蘸取乙醇溶液对硅酸钙板表面进行清洗，然后置于真空干燥箱，在60 ℃的条件下烘干，得到处理好的硅酸钙板。

将制备好的PMS-Si-SAE杂化乳液在处理好的马口铁和硅酸钙板上均匀涂布，乳液厚度为60 μm，置于室温环境下养护，养护时间为48 h。

1.3 性能测试

微观形貌表征

将处理好的涂层样品用强风吹扫，之后在样品表面进行喷金处理；然后用扫描电子显微镜对样品进行测试。

基础性能测试

外观形态：用目测观察杂化乳液外观形态变化。

黏度：用T-4黏度计测定杂化乳液黏度。

平均粒径：将杂化乳液进行稀释，使SiO质量分数为0.5%；然后用粒度分析仪分析平均粒径。

力学性能测试

铅笔硬度：参照国标 GB/T 6379—2006对杂化涂膜进行漆膜硬度测试。

附着力：参照国标 GB/T 9286—1998测试杂化涂膜与基材的附着力。

无机底漆性能测试

表干时间：参照国标 GB/T 1728—197对无机底漆表干时间进行测定。

施工效果评价：采用喷涂、滚涂和刮涂3种施工方法评价无机涂料施工效果。

2 结果与讨论

2.1 PMS-Si-SAE杂化乳液微观形貌表征

图1为PMS-Si-SAE杂化乳液涂层的SEM，其中编号0、2、4、6和8分别表示在硅丙乳液质量分数为0%～8%时的PMS-Si-SAE杂化乳液SEM。

图1 PMS-Si-SAE杂化乳液微观形貌表征Fig.1 Microstructure characterization of PMS-Si-SAE hybrid emulsion

由图1可知，纯PMS-Si乳液涂膜涂层严重开裂，且出现涂膜剥落的现象。随着硅丙乳液质量分数的增加，杂化涂膜开裂程度降低，当硅丙乳液质量分数增加到8%后，涂膜仅出现了少部分开裂的情况。这就说明了硅丙乳液对杂化涂层抗裂性能有的明显的提升作用，且用量越多，对抗裂性能的提升作用越明显。

2.2 PMS-Si-SAE杂化乳液基础性能测试

表1为PMS-Si-SAE杂化乳液基础性能测试结果。

表1 PMS-Si-SAE杂化乳液基础性能测试Table 1 Basic performance test of PMS-Si-SAE hybrid emulsion

由表1可知，未掺加硅丙乳液的PMS-Si乳液表现为无色透明，泛少许蓝光的液体。添加硅丙乳液后，外观表现为乳白色泛蓝光，并未有异常情况和絮状物出现，且黏度变化不大，这就说明了丙硅乳液可以在PMS-Si中均匀分散，二者相适性良好。同时，掺入硅丙乳液后，杂化乳液平均粒径增加，且丙硅乳液的添加量对杂化乳液平均粒径影响不大，基本持平为100 mm。PDI为粒径分布分散的程度，该值的大小对应体系中粒径分布的宽窄。当硅丙乳液质量分数为4%时，PDI值最小；这再次说明了硅丙乳液在PMS-Si中分散较好，乳液粒径较为均匀。

2.3 PMS-Si-SAE力学性能测试

表2为硅丙乳液用量对PMS-Si-SAE杂化乳液涂层力学性能的影响。

表2 硅丙乳液用量对杂化涂层力学性能的影响Table 2 Effect of silicone acrylic emulsion dosage on mechanical properties of hybrid coatings

由表2可知，杂化涂膜机械性能明显受硅丙乳液用量影响。随硅丙乳液用量的增加，杂化乳液力学性能皆有所提升；这可能是因为硅溶胶与硅丙溶液穿插成膜，提升了涂膜机械想能的同时降低了涂膜的收缩和开裂，对涂料硬度和韧性有增强作用，进一步提升了杂化涂膜的附着力。

2.4 施工过程测试

PMS用量对涂料表干时间影响较大，以上试验结果表明，当硅丙乳液质量分数为4%时，涂料综合性能良好。因此，选择质量分数为4%的硅丙乳液为基础，探究不同PMS用量的PMS-Si-SAE杂化乳液表干时间和施工性能的变化。

图2为表干时间随PMS用量变化情况。

图2 PMS用量对无机涂料表干时间的影响Fig.2 Effect of PMS dosage on surface drying time of inorganic coatings

由图2知，涂料表干时间随PMS用量增加而延长。当PMS质量分数为5%时，涂料表干时间为15.5 min，比质量分数为1%时提升了55%；这就证明增加PMS用量，能够有效降低涂料的失水速率，对涂料的成膜时间有延长作用，这利于得到更好的涂膜效果。

表3为滚涂、刮涂和喷涂3种施工方式对无机涂料施工性能的影响。

表3 3种施工方式对无机涂料施工性能的影响Table 3 Effect of three construction methods on the construction performance of inorganic coatings

由表3可知，当PMS用量较小时，涂料失水较快，3种施工方式均有不同程度掉粉出现。当PMS质量分数为2%～3%时，3种施工方式均表现良好。继续提升PMS用量至5%时，滚涂施工方式出现流挂现象，刮涂无影响，喷涂方式出现针眼和流挂现象；综合考虑，当PMS质量分数为2%～3%时，杂化底漆综合性能最佳。

2.5 市场在售对比分析

表4为本文制备的PMS-Si-SAE杂化乳液与市场在售某品牌底漆对比分析。

表4 本文制备的杂化乳液与市场在售某品牌底漆对比分析Table 4 Comparative analysis of hybrid emulsion prepared in this paper and a brand primer sold in the market

由表4可知，2种底漆样板涂层施工性均表现良好，基材吸料较为均匀，且施工过程没有障碍。但市售某品牌底漆样板涂层有鼓包和开裂现象发生，这是因为有机底漆与无机涂料无法很好适配导致的。而本文制备的PMS-Si-SAE杂化乳液涂膜状态则表现良好，与无机涂料适配度较高。同时，本文制备的PMS-Si-SAE杂化乳液价格也明显低于该品牌底漆，说明PMS-Si-SAE杂化乳液性价比较高。

3 结语

本文以甲基硅酸钾为疏水改性剂，对硅溶胶进行改性，并以此为基底，制备了PMS 改性硅溶胶/硅丙(PMS-Si-SAE)杂化乳液。通过对PMS-Si-SAE杂化乳液的基本性能和施工性能进行研究，得到的结果：

(1)改性硅溶液和硅丙乳液互相穿插，有效提升了杂化乳液涂层抗裂性能；

(2)当硅丙乳液质量分数为4%时，乳液外观表现为乳白色泛蓝光，没有絮状物和异常情况出现；PDI值较小，在体系中粒径分布较为均匀；

(3)硅丙乳液能有效提升杂化乳液的力学性能，当硅丙乳液质量分数达到4%时，机械性能表现良好；

(4)增加PMS用量，能有效提升涂料表干时间。当PMS质量分数为5%时，涂料表干时间为15.5 min；但PMS用量较多时，施工过程中可能出现流挂现象。综合考虑，PMS质量分数在2%～3%时为宜；

(5)本文制备的PMS-Si-SAE 杂化乳液与无机涂料的适配度和性价比皆高于市售某品牌底漆，涂膜无掉粉、开裂现象发生。