硅溶胶为独立成膜物的水分散无机建筑涂料

季晓玲 陈楠 翟丽莉  鲍慧

摘 要：本文介绍了一种单独以硅溶胶为成膜物的环保型水分散的纯无机建筑涂料的制备方法。通过将硅溶胶改性、在配方中加入适当的助剂及采用适宜的工艺方法，所制备的硅溶胶水性涂料不仅可以稳定贮存，而且使用性能良好，检测指标全部达到或优于国家标准，在资源消耗、环境保护和成本等方面明显优于乳液型涂料。

关键词：硅溶胶；纯无机涂料  

中图分类号：TQ630.7    文献标识码：A    

Independent Silica Sol Bindered Inorganic Water Dispersion Coatings for Buildings

Ji Xiao-ling, Chen Nan, Zhai Li-li , Bao Hui

Abstract: This article introduced a method on independent silica sol bindered inorganic water dispersion coatings for buildings. By modifying the character of silica sol, adding the proper addition agents and adopting proper procedure, the coatings was not only storage stable but with superior performance, of which all the properties were equal or superior to the codes of national standard. This coatings was much better than emulsion water coatings on resource consuming, environment protecing and cost controlling.

Key words: silica sol; pure inorganic coating

1 引  言 

    建筑涂料是消费比例******同时也是增长最快的一类涂料，建筑涂料正逐渐向水性化、功能化和资源节约化的方向发展，目前市场上常见的建筑涂料是以醋酸乙烯-丙烯酸共聚乳液、苯乙烯-丙烯酸共聚乳液、纯丙烯酸系列为成膜物的乳液涂料，以水为分散相的水性乳液涂料增加了施工的安全性，减少了环境污染和对人体的毒害，但乳液原料全部来源于石油这个有限资源，因此找到一种生产工艺简单、来源充足、环境友好、成本低廉的材料，来替代乳液，开发出符合低 VOC要求、具有复合功能的新一代的水性涂料就显得急为迫切。本文研制开发了一种以硅溶胶作单独成膜物的水性纯无机建筑涂料，硅溶胶是无定形二氧化硅在水中的分散体系，常以通式mSiO₂·nH₂O来表示，失水后胶粒间通过羟基脱水缩合成刚性的微孔骨架结构，因为硅溶胶中二氧化硅粒子间脱水时体积收缩过大，形成的涂膜是刚性的，容易产生裂纹、微孔等缺陷，通过加入适当的助剂及调整制备工艺使其可以稳定贮存，且使用性能良好，该产品已经通过了大连市建筑工程质量检测中心的检测，结果表明检测指标全部达到或优于国家标准。

2 实验部分

2.1 原料与仪器

    硅溶胶（大连斯诺化学生产硅溶胶，二氧化硅含量在20-40%间）；去离子水；硅溶胶改性剂A（本实验室自行合成）；

    颜料、填料：钛白、重钙、高岭土、硅灰石、滑石粉（市售的1000目以上均可）；

    分散剂5040（青岛恩泽化工）；增稠剂：羧甲基纤维素（山西越峰）；消泡剂：正辛醇（上海飞鸽）；

    防腐剂：JMP（北京神舟晟华）；透射电镜（TECNA1G2 20S-TWIN荷兰飞利浦公司）；

    18.5kw液压升降分散机和篮式砂磨机（上海法孚莱设备有限公司）

2.2 硅溶胶水性建筑涂料配方（见表1）

    表1 硅溶胶水性建筑涂料配方

2.3 实验操作^[1]

(1)    将计量的水、分散剂、消泡剂搅拌均匀；

(2)    取计量的颜料及填料，通入水蒸汽，使其充分润湿；

(3)    在搅拌状态下将（2）中的物质慢慢加入到（1）中，得到的混合液经高速分散、砂磨、过滤后，搅拌下加入计量的改性硅溶胶、增稠剂，最后搅拌下加入适量的防腐剂即得到成品。 

2.4 检测方法

    目前无现行的纯无机水分散的建筑涂料标准，检测中参照了现行的相关的国家标准和行业标准进行检测，参照标准如下：1、JG/T 26-2002 外墙无机建筑涂料；2、GB/T 9755－2001 合成树脂乳液外墙涂料优等品；3、GB/T6753.2 表干时间；4、HBC12-2002 VOC含量；5、GB/T9265-1988 建筑涂料耐碱性；6、GB/T9266-1988 耐洗刷性；7、GB/T6753.3-1986 涂料贮存稳定性试验方法；8、GB/T1766-1995 涂层老化的评级方法；9、GB/T9780-2005 建筑涂料涂层耐沾污性试验；10、JG/T 25-1999 建筑涂料涂层耐冻融循环性测定法。

3 结果与讨论

3.1选择硅溶胶为成膜物的优势及硅溶胶改性

3.1.1选择硅溶胶为成膜物的优势

    硅溶胶对乳液的全面取代大大降低了体系粘度，使得颜、填料易分散均匀、相容性好；硅溶胶的折光指数在1.33左右，小于乳液的折光指数1.4～1.6，所以乳液涂料中的体质颜料在硅溶胶体系中也会贡献遮盖力，同样比例的钛白量在硅溶胶体系中遮盖力更好；低粘度的硅溶胶涂料可以使漆膜很薄，大大提高了单位体积涂料的可涂面积，且涂膜具有良好的粘附性；硅溶胶是无定形二氧化硅在水中的分散体系，失水后胶粒间通过羟基脱水缩合成刚性的微孔骨架结构，该结构在物理性质方面是抗压强度大、硬度高和透气的，在化学性质方面则是惰性、无毒、稳定的，硅溶胶的以上性能决定了由它制备的涂料有很多优异的性能，如优良的透气性、耐候性、耐久性、耐化学品性、自洗刷性等；上述这些优势在表2中的硅溶胶水性涂料漆膜性能测试中也得到了验证；且其最突出的优点在于原料来源广泛，价格便宜，大大降低了生产涂料的成本。

3.1.2硅溶胶的改性

    选用硅溶胶为独立成膜物其实质是在应用其干燥凝胶后的微孔骨架结构，该结构在物理性质方面表现为抗压强度大、硬度高、透气性好，化学性质方面则是惰性、无毒和稳定的，但是在凝胶干燥过程中如果控制不好，成膜便极易碎裂而失去其应有的物理性质优势，这便是硅溶胶独立作为涂料成膜物的瓶颈问题，而一般情况下只能是作为辅助成膜物添加到乳液涂料当中，因为干燥过程中胶粒之间通过羟基脱水凝胶，因为失水严重，毛细管张力的原因使得硅溶胶成膜往往会产生各种缺陷，从而影响成膜的圆整性，所以硅溶胶在加入到涂料配方之前必须先将其改性。

    将硅溶胶在搅拌下加入适量试剂A，加入A的目的是用来钝化一定比例的羟基，使得硅溶胶保持原有的胶粘性的同时又不至于因为失水过多体积收缩过大而使漆膜碎裂。

3.2 工艺的选择

    工艺方面最重要的是助剂的加入顺序及颜填料的润湿，如上述2.2所述，第一步先将水与分散剂和消泡剂混匀，是使添加的填料及颜料在硅溶胶体系中有很好的分散均匀性，第二步将所需的颜料和填料混匀并通入水蒸气使其充分润湿，原因是经实验发现，当颜填料加入到硅溶胶中时表面会瞬时大量吸水，该部分硅溶胶被强烈脱水，使其很容易凝胶，严重影响了产品的稳定性，通过将颜填料在水蒸汽中充分润湿，使硅溶胶加入体系后能够更快地分散，大大地提高了硅溶胶涂料的稳定性。

3.3 助剂的选择

    目前涂料行业通用的许多助剂不适于应用在硅溶胶涂料体系中，因为乳液涂料中颜料表面、胶粒表面都带有大量负电荷，形成的双电层结构通过库仑力可以较稳定地在介质中分散，但硅溶胶涂料体系中水性介质极性很高，颗粒表面电荷密度无论不足还是失去平衡都可能导致硅溶胶被破坏，从而影响涂料的稳定性^[2]，为了保证涂料的各种使用性能，需要向涂料中添加各种助剂，硅溶胶水性无机建筑涂料中所添加的助剂首先要与硅溶胶有良好的相容性，硅溶胶水性建筑涂料添加的最主要的助剂是消泡剂、分散剂和增稠剂，所选择的助剂5040及正辛醇都属于表面活性剂，它们的加入还可降低体系的表面张力，改善组分之间的相容性，增加对基材的润湿性。

3.4 硅溶胶水性建筑涂料的性能指标（见表2）

    从表2可以看出，硅溶胶水性建筑涂料的性能指标均符合国家标准，有些还明显优于国标，完全可用于室外建筑涂料使用。

表2 硅溶胶水性涂料的性能指标