二氧化硅對(duì)水性涂料改性及漆膜封閉性的影響

蒯薈羽　閆小星　楊河莉　郝苗苗　陳誠(chéng)　戴鈺潔

摘 要：文章通過SiO2改性水性木器涂料，對(duì)SiO2含量、烘箱溫度和干燥時(shí)間三個(gè)因素進(jìn)行正交實(shí)驗(yàn)，對(duì)各種工藝參數(shù)進(jìn)行優(yōu)化。實(shí)驗(yàn)表明，改善涂層性能的主要影響因素是干燥時(shí)間。在WSiO2為2，干燥溫度為40℃，干燥時(shí)間為20min時(shí)，硬度為2H，附著力1級(jí)。當(dāng)干燥溫度大于10min呈現(xiàn)亞光的光澤度，在20min左右時(shí)，水性木器涂層具有較好的力學(xué)性能和亞光光澤度。

關(guān)鍵詞：水性木器涂料；優(yōu)化；性能

中圖分類號(hào)：S781.7 文獻(xiàn)標(biāo)志碼：A 文章編號(hào)：2095-2945（2017）36-0020-02

水性涂料是一類環(huán)境友好型涂料產(chǎn)品，具有無(wú)毒環(huán)保、節(jié)約資源等優(yōu)點(diǎn)。此次研究目的在于通過對(duì)水性涂料進(jìn)行改性使其能夠大規(guī)模推廣使用。SiO2具有無(wú)機(jī)剛性、高比表面積等特性，添加到涂料中能提高涂層的硬度、耐刮傷性、抗紫外老化等能力[1]。本文通過SiO2改性水性涂料，對(duì)工藝參數(shù)進(jìn)行優(yōu)化，力圖改善水性木器涂層的各項(xiàng)性能。

1 實(shí)驗(yàn)部分

1.1 材料準(zhǔn)備

實(shí)驗(yàn)中所用到的試劑都是未處理的分析純。涂料是宜華木業(yè)股份有限公司生產(chǎn)制造的。選取SiO2作為改性劑，是上海化學(xué)試劑有限公司提供的。基材選用表面涂有底漆的木質(zhì)基板，規(guī)格為200mm×200mm×20mm。

1.2 涂層制備

首先需要對(duì)木制基材進(jìn)行預(yù)處理，用砂紙打磨其表面，然后將準(zhǔn)備好的水性涂改料均勻地涂抹在其表面，最后放入烘箱中烘干。定好SiO2的用量，并添加到水性木器涂料中，用玻璃棒攪拌均勻，涂抹在處理好的木質(zhì)基板上，涂層厚度約60μm，放入烘箱內(nèi)進(jìn)行干燥，溫度為40°C-70°C，干燥時(shí)間定為20min-40min。

1.3 測(cè)驗(yàn)與表征

涂層硬度根據(jù)GB6739-86進(jìn)行測(cè)定。附著力根據(jù)GB/T1720-89，使用涂膜附著力實(shí)驗(yàn)儀進(jìn)行測(cè)量。光澤度采用廣州標(biāo)格達(dá)實(shí)驗(yàn)儀器用品有限公司的BGD512-60型光澤度儀進(jìn)行測(cè)試。

2 結(jié)果與討論

2.1 正交實(shí)驗(yàn)分析

在本次試驗(yàn)中，SiO2含量、烘箱溫度、干燥時(shí)間這三個(gè)因素對(duì)水性木器涂層性能均有一定程度的影響。用正交實(shí)驗(yàn)來優(yōu)化這三個(gè)因素對(duì)性能的影響。在此次實(shí)驗(yàn)中，三個(gè)組分的量設(shè)置范圍是：SiO2含量（A）：2.0%-5.0%，烘箱溫度（B）：40°C-70°C，干燥時(shí)間（C）：20min-40min。在每個(gè)因素中選兩個(gè)水平。因素A的第一個(gè)水平是SiO2含量2.0%，第二個(gè)水平是5.0%。因素B的第一個(gè)水平是烘箱溫度40°C，第二個(gè)水平是70°C。因素C的第一個(gè)水平是干燥時(shí)間20min，第二個(gè)水平是40min。

根據(jù)實(shí)驗(yàn)比較，可以發(fā)現(xiàn)三個(gè)因素對(duì)附著力的影響更為明顯。表1是對(duì)水性木器涂料附著力的影響。在同一列中，計(jì)算了與同一個(gè)因素相對(duì)應(yīng)的最大和最小平均附著力的極差（R），在表1的最后一排。R越大，效果越顯著。比較極差R的值，可以發(fā)現(xiàn)干燥時(shí)間對(duì)改性水性木器涂層的附著力影響最明顯，樣品4#的附著力為1級(jí)。在獨(dú)立試驗(yàn)中將烘箱溫度固定為40°C，SiO2的含量固定為2.0%。

2.2 二氧化硅對(duì)水性木器涂層力學(xué)性能的影響

為了探究SiO2的關(guān)鍵作用，在正交實(shí)驗(yàn)的基礎(chǔ)上，進(jìn)行獨(dú)立實(shí)驗(yàn)：把烘箱溫度固定為40°C，SiO2含量為2.0%，改變干燥時(shí)間分別為5min、10min、20min、30min和40min。涂層硬度是表示涂層機(jī)械強(qiáng)度的重要性能之一，也是表示涂層性能優(yōu)劣的重要指標(biāo)之一[2]。圖1顯示了干燥時(shí)間對(duì)水性木器涂層硬度影響的變化趨勢(shì)。可以看出，當(dāng)干燥時(shí)間從5min增加到20min時(shí)，水性木器涂層的硬度在2H。繼續(xù)增加干燥時(shí)間至30min-40min，涂層硬度降低至H。當(dāng)干燥時(shí)間過長(zhǎng)，水性涂料中揮發(fā)性物質(zhì)揮發(fā)到一定程度，SiO2粒子間容易發(fā)生團(tuán)聚，與水性木器涂料結(jié)合力下降，導(dǎo)致硬度下降。

圖2顯示干燥時(shí)間和附著力之間的關(guān)系，隨干燥時(shí)間增加，附著力呈現(xiàn)“U”形曲線。隨著干燥時(shí)間從5min增加至20min，附著力變化不大，均是2級(jí)。當(dāng)干燥時(shí)間在20min時(shí)，附著力較佳，達(dá)到1級(jí)。這是由于隨著干燥時(shí)間的增加，涂層的內(nèi)聚力和機(jī)械聯(lián)鎖增加，導(dǎo)致了附著力增加。然而，進(jìn)一步將干燥時(shí)間從30min增加至40min，附著力有所下降，至2級(jí)。隨著溫度升高，水性涂料中揮發(fā)的物質(zhì)揮發(fā)完全，SiO2含量升高在高含量下產(chǎn)生聚集，粒子不能均勻分散所造成的[3]。導(dǎo)致涂層較易破碎，附著力降低。

2.3 二氧化硅對(duì)水性木器涂層光澤度的影響

干燥時(shí)間對(duì)光澤度影響的結(jié)果見圖3，涂層光澤度隨著時(shí)間的增加而降低。當(dāng)烘箱干燥時(shí)間從5min提高到40min時(shí)，水性木器涂層的光澤度從58%顯著下降到24%，干燥時(shí)間超過10min時(shí)呈現(xiàn)亞光光澤。SiO2顆粒不是實(shí)心顆粒，在微觀結(jié)構(gòu)上呈現(xiàn)微型海綿狀，存有大量孔隙，孔隙中充滿空氣。SiO2的平均粒徑及其粒徑分布對(duì)于涂料消光起重要作用[4]。由于SiO2在水性木器涂料中為不溶物，隨著干燥時(shí)間增加，在涂料成膜過程中在表層的體積濃度增大，形成了微細(xì)粗糙度表面。

3 結(jié)論

正交實(shí)驗(yàn)表明，水性木器涂層的力學(xué)性能在很大程度上取決于干燥時(shí)間。SiO2對(duì)水性木器涂層力學(xué)性能的影響結(jié)果顯示，在SiO2與水性涂料的質(zhì)量比為2，干燥溫度為40℃，干燥時(shí)間為20min時(shí)，硬度達(dá)2H，附著力為1級(jí)。當(dāng)干燥溫度大于10min時(shí)，光澤度低于35%，呈現(xiàn)亞光的光澤度。當(dāng)干燥溫度在20min左右時(shí)，水性木器涂層具有較好的力學(xué)性能和亞光光澤度。

參考文獻(xiàn)：

[1]沈雪鋒，茍小青，王堅(jiān).水性UV涂料在木材上的應(yīng)用[J].上海涂料，2008，46（12）：1-3.

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[3]莫引優(yōu)，陳奎，何其飛，等.用二氧化硅聚氨酯涂料改良木材表面性質(zhì)的研究[J].北京林業(yè)大學(xué)學(xué)報(bào)，2012，34（04）：154-159.

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