有机硅改性丙烯酸酯涂料的性能研究

32　　　

　2011,Vol. 28No. 9

化学与生物工程

Chemistry &Bioengineering

doi :10. 3969/j. issn. 1672-5425. 2011. 09. 008

有机硅改性丙烯酸酯涂料的性能研究

严　微1, 鲁　琴2, 胡荣涛3, 杨婷婷1, 高　庆1, 彭　慧1, 程时远1

(1. 湖北大学材料科学与工程学院,

湖北武汉430062;2. ;

3. )

　　摘　要:(Si 2) 复合乳液制成涂料, 在石棉水泥板或马口铁板上涂膜, Si 21800的加入增强了涂料对底材的附着力, 涂膜的耐洗刷性、耐冲击性、, Si 21800含量从15%增加到35%, 涂膜的耐洗刷性、附着力明显增强, , 柔韧性基本无变化, 而涂膜的硬度、光泽度和遮盖力略有下降。

关键词:有机硅; ; 涂膜

中图分类号:O627141　TQ 4331436　　　文献标识码:A　　　　文章编号:1672-5425(2011) 09-0032-04

　　随着现代科学技术的发展和人民生活水平的提高, 水性化[1]、高固体分化[2]、高性能化和功能化等方向[3～5]的环境友好型涂料成为涂料工业发展的必然趋势。有机硅单体与丙烯酸酯树脂进行接枝或共聚而得到的有机硅改性丙烯酸酯乳液[6], 弥补了聚硅氧烷与聚丙烯酸酯两类材料各自的不足、综合了两者的优良性能[7,8], 在建筑涂料、耐高温粘胶剂和高分子材料的改性添加剂等领域, 发展前景广阔。特别是有机硅改性丙烯酸酯建筑涂料涂膜的表面能低、不容易被污染, 是理想的外墙装饰涂料。

在各种有机硅改性丙烯酸酯乳液中, 有机硅大单体的含量(占单体总质量比) 最高只有20%[9]。作者选择适当的聚合工艺, 调整有机硅的含量, 制得了高固含量和硅含量的稳定的有机硅改性丙烯酸酯乳液, 同时参照国家标准对该乳液制备的涂料涂膜后的性能进行了全面测试。

1800) , 星火化工厂; 十二烷基苯磺酸钠(SDBS ) , 天津

天达净化材料精细化工厂; 辛基酚聚氧乙烯醚马来酸酯钠(OP 210) , 北京化工厂; 过硫酸铵(A PS ) , 洛阳化工厂, 用前经重结晶处理; 碳酸氢钠(Na HCO 3) , 上海恒利精细化学有限公司。

SFJ 2400型砂磨、分散、搅拌、多用机, 上海现代环境工程技术有限公司; Q FS 型涂料耐洗刷测定仪、Q FZ 型漆膜附着力测试仪、Q TX 型漆膜弹性测试仪、QCJ 型漆膜冲击器、QM H 型磨耗仪、QB Y 型摆式硬

度计、Q EP 型黑白格玻璃板, 天津伟达实验机厂。112　有机硅改性丙烯酸酯乳液的合成

将单体、有机硅大单体、复合乳化剂、引发剂和去离子水等按比例加入到装有电动搅拌器、冷凝管、N 2导入管及温度计的反应釜中, 通N 2后搅拌预乳化30min ; 然后放料4/5作为滴加液, 剩余部分作为种子液, 升温至80℃控温引发, 待出现明显蓝光现象且自升温现象结束后, 将滴加液在1h 内均匀地加入其中; 滴加完后继续保温2h ; 反应结束后降温至40℃以下, 出料, 备用。其中有机硅大单体Si 21800的用量(以单体总质量计) 分别为0%、15%、23%、30%和35%。113　涂料的制备

将O P 210、681F (消泡剂) 、GA 240(流平剂) 、

丙二

1　实验

111　试剂与仪器

丙烯酸丁酯(BA ) 、甲基丙烯酸甲酯(MMA ) , 天津

博迪化工有限公司, 使用前分别经碱水和去离子水洗涤至p H 值为7; 端乙烯基聚硅氧烷(Si 21800, M n =

基金项目:湖北省自然科学基金资助项目(2006ABA022) , 湖北省教育厅科研项目(Q200610004) 收稿日期:2011-06-21

作者简介:严微(1976-) , 女, 湖北鄂州人, 讲师, 研究方向:乳液聚合、涂料、功能高分子、磁性纳米微球; 通讯作者:程时远, 教授, E 2

mail :[email protected] 。

严　微等:有机硅改性丙烯酸酯涂料的性能研究/2011年第9期

33　　

醇、成膜助剂、2%HBR(增稠剂) 、钛白粉、重钙和水按一定比例加入到分散机内高速搅拌分散均匀, 然后加入制得的有机硅改性丙烯酸酯乳液, 搅拌均匀, 再加入氨水和T T 2935(流平剂) 混匀, 出料, 备用。114　涂料的涂膜11411　实验样板的处理

部位的涂膜完整程度, 如某一部位的格子有70%以上

完好, 则定位该部位是完好的, 否则应认为坏损。附着力测试标准分7个等级,1级最好。涂膜的附着力测试结果见表2。

表2

T ab. 2硅含量/%涂膜的附着力

Adhesion of f ilm

07

236

306

352

石棉水泥板:将制作好的石棉水泥板用氢氧化钠溶液(p H 值为14) 浸泡7d , 再用自来水浸泡7d , 直至石棉水泥板表面p H 值为8。室温下自然干燥, 备用。

马口铁板:清洗干净后在室温下自然干燥, 备用11412　涂料的涂膜

, 在常温下自然干燥7115　涂膜性能测试

耐洗刷性依据G B/9266-88测试; 附着力依据G B/T 1720-79通过划圈法测试; 柔韧性依据G B/T 1731-93测试; 耐冲击性依据G B/T 1732-93测试; 耐磨耗性依据G B/T 1768-79测试; 硬度依据G B/T 1730-93测试; 光泽度依据G B/T 9754-88和ISO -281345°测试; 遮盖力依据G B/T 1726-79测试; 耐水性依据G B/T 1733-93测试; 耐碱性依据G B/T 9265-88测试。

2　结果与讨论

211　涂膜的耐洗刷性

2, 随着有机硅单体Si 21800含量的增大,

, 当有机硅含量达到35%时, 涂膜的附着力优良。涂膜与基材之间可通过机械结合、物理吸附、形成氢键和化学键、相互扩散等作用结合在一起, 这些作用产生的粘附力, 决定了涂膜与基材间的附着力。在室温干燥过程中, 硅丙聚合物侧链上的有机硅烷氧基团在水的存在下容易水解为硅醇基, 并经缩合反应, 形成硅氧硅键(Si -O -Si ) 的网状结构, 从而提高了聚合物胶膜的附着力。同时本反应体系中硅烷偶联剂V TES 带有的C 2H 5O -基团水解之后变成羟基, 也能与无机表面发生化学反应。因此, 随着有机硅单体Si 21800含量的增大, 涂膜的附着力明显增强。213　涂膜的柔韧性

依据G B/T 1731-93, 用双手将试板涂膜面朝上紧压于规定直径的轴棒上, 利用两大拇指的力量在2～3s 内绕轴棒弯曲试板, 弯曲后两大拇指应对称于轴棒中心线, 然后用4倍放大镜观察涂膜, 检查涂膜是否产生网纹、裂纹及剥落等现象。涂膜的柔韧性测试结果见表3。

表3

T ab. 3硅含量/%

依据G B/T 9266-88, 将实验样板涂膜面向上, 水平固定在洗刷实验机的实验台板上, 将预处理过的刷子置于实验样板的涂膜面上, 试板承受约450g 的负荷(刷子及夹具的总重) , 往返摩擦涂膜, 同时滴加洗刷介质(按质量计算, 配成015%的洗衣粉溶液) 。使洗刷面保持湿润, 洗刷至规定的次数。观察涂膜有无破损, 不露出底漆颜色, 则认为其耐洗刷性合格。涂膜的耐洗刷性测试结果见表1。

表1

T

ab. 1硅含量/%洗刷次数

涂膜的柔韧性

Flexibility of the coating f ilm

15

23

30

35

柔韧性等级Pass axis 7Pass axis 7Pass axis 7Pass axis 7Pass axis 7

涂膜的耐洗刷性

W ashing resistance of the coating f ilm

02000

15>20000

23>20000

30>20000

35>20000

由表1可知, 和纯丙涂料相比, 有机硅改性丙烯酸酯涂料的耐洗刷性明显增强。212　涂膜的附着力

依据G B/T 1720-79, 制备马口铁样板3块, 待涂膜实干后, 于恒温恒湿条件下测定。评级方法:以样板上划痕的上侧为检查的目标。依次标出1、2、3、4、5、6、7等七个部位, 相应分为七个等级。按顺序检查各

由表3可知, 和纯丙涂料相比, 有机硅改性丙烯酸

酯涂料的柔韧性基本无变化。214　涂膜的耐冲击性

依据G B/T 1732-93, 将试板涂膜面朝上固定在铁砧上, 试板受冲击部分距边缘不少于15mm , 每个冲击点的边缘相距不得少于15mm , 重锤借控制装置固定在滑筒的某一高度(其高度由产品标准规定或商定) , 按压控制钮, 重锤即自由地落于冲头上, 提起重锤, 取出试板。记录重锤落于试板上的高度。同一试板进行3次冲击实验。然后用4倍放大镜观察涂膜, 检查涂膜是否产生网纹、裂纹及剥落等现象。涂膜的

34　　　　严　微等:有机硅改性丙烯酸酯涂料的性能研究/2011年第9期

耐冲击性测试结果见表4。

表4

T ab. 4硅含量/%高度/cm

表6

T ab 16

硅含量/%

35>50

1523

涂膜的硬度

H ardness of the coating f ilm

次数

199146X

涂膜的耐冲击性

Impact resistant of the coating f ilm

045

1545

23>50

30>50

[***********]8201346

由表4可知, 随着有机硅单体Si 21800含量的增大, 有机硅改性丙烯酸酯涂料的耐冲击性能有了一定的提高。

215　涂膜的耐磨耗性

依据G B/T 1768-79, 盘上, 加压臂上加所需的载重g 算在内) 质量相同的平衡砝码, 放下吸尘嘴, 并调节至离样板1～115mm 。依次开启总开关、吸尘器开关、转盘开关。按产品标准规定调整计数器进行实验, 即行停止。取出样板, 抹去浮屑, 称量, 前后质量之差即为涂膜失重。涂膜的耐磨耗性测试结果见表5。

表5

T ab 15硅含量/%

磨耗前

015233035

[***********][**************]64

, 使涂料容易成膜, 进而使涂料的硬度下降。这两方面的因素都导致涂膜的硬度呈下降趋势。217　涂膜的光泽度

根据G B/T 9754-88, 先用45°的标准板将光泽度测试仪订标, 然后在成好膜的毛玻璃片上测试。涂膜的光泽度测试结果见表7。

表7

T ab 17硅含量/%光泽度/°

涂膜的光泽度

G lossiness of the coating f ilm

0716

15618

23619

30614

35619

涂膜的耐磨耗性

Abrasion resistance of the coating f ilm

质量/g

磨耗后

[***********][**************]43

[***********][1**********]1

失重/g

由表7可知, 和纯丙涂料相比, 有机硅改性丙烯酸酯涂料的光泽度略有不及。218　涂膜的遮盖力

依据G B/T 1726-79, 在感量为0101g 的天平上称出盛有涂料的杯子和漆刷的总质量(W 1) , 用漆刷将涂料均匀地涂刷于玻璃黑白格板上, 置于暗箱, 有黑白格的一端与平面倾斜成30°～45°交角, 在1支和2支日光灯下进行观察, 均以恰好看不见黑白格为终点。然后将盛有剩余涂料的杯子和漆刷称量(W 2) , 求出黑白格

) 依式(2) 计算:板上涂料的质量。涂膜的遮盖力(X ′

X ′=

×104

S

由表5可知, 与纯丙涂料相比, 有机硅改性丙烯酸酯涂料的耐磨耗性略有提高。216　涂膜的硬度

涂膜的硬度(X ) 是以一定质量的双摆, 置于被测试涂膜上, 在规定摆动角范围内摆幅衰减的阻尼时间与在玻璃板上于同样摆动角范围内摆幅衰减的阻尼时间的比值, 依式(1) 计算:

X =

n 0

(2)

式中:S =200cm 2。

涂膜的遮盖力测试结果见表8。

表8

T ab 18

硅含量/%

015233035

(1)

涂膜的遮盖力

Covering pow er of the coating f ilm

W 1/g

W 2/g

X ′/g ・m -2

式中:n 为摆杆在涂膜上5°～2°的摆动次数; n 0为玻璃板上摆动次数, 为364。

涂膜的硬度测试结果见表6。

由表6可知, 随着有机硅单体Si 21800的加入, 涂膜的硬度呈下降趋势。影响涂膜硬度的因素一方面是乳液的结构, 另一方面是成膜助剂。由于硅丙乳液分子链比纯丙乳液多了硅原子, 使得乳液硬度比纯丙乳

[***********]1420614

[***********]1720412

[1**********]0

严　微等:有机硅改性丙烯酸酯涂料的性能研究/2011年第9期

35　　

由表8可知, 和纯丙涂料相比, 有机硅改性丙烯酸酯涂料的遮盖力略有下降。219　涂膜的耐水性依据G B/T 1733-93, 将涂有样品的石棉水泥板放在去离子水中浸泡96h , 再取出观察其表面是否发生皱皮、起泡、剥落、变软、失光、粉化等现象。涂膜的耐水性测试结果见表9。

表9

T ab 19硅含量/%耐水性

涂膜性能测试结果表明, 与传统丙烯酸酯涂料相比, 有机硅单体Si 21800增强了涂料对底材的附着力, 涂膜的耐洗刷性、耐冲击性、耐磨耗性也优于纯丙涂料, 并且随着有机硅单体Si 21800含量的增加, 涂膜耐洗刷性、附着力明显增强, 耐冲击性和耐磨耗性略有提高, 柔韧性基本无变化, 、光泽和遮盖力略有下降。

:

[1], , 等. 涂膜的耐水性

W ater resistance of the coating f ilm

15

23

30

35

,2011,32(2) :25228.

[2. 高硅含量有机硅-丙烯酸酯乳液的研制[J].化工新型材

合格合格合格料,2008,36(1) :31233.

[3]　桂强, 方荣利, 邓跃全, 等. 一种高性能有机硅改性丙烯酸酯乳液

由表9可知, 。

2110　涂膜的耐碱性

依据G B/T 9265-88, 将涂有样品的石棉水泥板放在112g ・L -1的Ca (O H ) 2溶液中浸泡48h , 再取出观察其表面是否出现起泡、裂痕、剥落、粉化、软化和溶出等现象。涂膜的耐碱性测试结果见表10。

表10

T ab 110硅含量/%耐碱性

的研制[J].化学建材,2004,20(4) :8211.

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涂膜的耐碱性

Alkali resistance of the coating f ilm

15

23

30

35

用化工,2009,28(2) :2362239.

[7]　张莉, 陈桐, 张雪. 有机硅改性丙烯酸酯乳液的研究进展[J].贵州

合格合格合格合格合格

化工,2008, (2) :31233.

由表10可知, 涂膜的耐碱性均合格。

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[9]　刘静, 彭慧, 程时远. 聚硅氧烷大单体与丙烯酸酯乳液共聚合[J].

3　结论

合成了Si 21800含量分别为15%、23%、30%、35%的一系列有机硅改性丙烯酸酯乳液, 并制备涂料。

应用化学,2003,10(8) :78282.

Study on Coating Properties of Organic Silicone Modif ied Acrylate Emulsion

YAN Wei 1,L U Q in 2, HU R ong 2tao 3,YANG Ting 2ting 1, G AO Q ing 1, PENG H ui 1,CHENG Shi 2yu an 1

(1. M i nist ry of Ed ucation Key L aboratory f or t he Green Prep aration and A p plication of

Functional M ateri als , S chool of M ateri als S cience and Engi neeri ng , H ubei U ni versit y , W uhan 430062, Chi na;

2. W uhan H uagong I m age Technolog y &Development Co. , L t d. , W uhan 430223, Chi na;

3. W uhan H ui p u N ew Chemical M ateri als Co. , L t d. , W uhan 430030, Chi na )

Abstract :Vinyl terminal polysiloxane (Si 21800) /met hyl met hacrylate (MMA ) /butyl acrylate (BA ) emul 2sion was p repared and used to coat on asbestos cement board and tinplate board. A series of coating properties of t he organic silicone modified acrylate emulsion coating were investigated and evaluated. It had been found t hat wit h t he addition of Si 21800,adhesion of t he coating to t he base material was reinforced and washing resistance , impact resistance ,abrasion resistance of t he coating films were imp roved. When Si 21800content increased from 15%to 35%,t he adhesive force and washing resistance of t he coating increased greatly

;impact resistance and abrasion resistance increased slightly ; t he flexibility remained nearly unchanged ; t he hardness , glossiness and covering power decreased slightly.

K eyw ords :organic silicone ;acrylate ;coating film