水性微納米石墨丙烯酸酯防水涂料的制備*

吳 婷，鄧躍全，楊 威，吳 昊

(西南科技大學 材料科學與工程學院，四川 綿陽 621010)

0 引言

石墨是一種非金屬礦產資源，多為不規則狀、鱗片狀[1]，由多層片狀石墨烯構成，因其具有突出的力學、電學性能，優異的化學穩定性，電子遷移率高等特性而被應用于涂料行業[2-4]。但由于納米石墨烯具有超疏水性，易團聚，因而不利于水性化涂料的制備[5]，且成本高達每千克上萬元，因此開發可以低成本水性化改性及適合于涂料制備的微納米石墨材料十分必要。

單組分丙烯酸酯防水涂料因不含有機溶劑、VOC(揮發性有機化合物)含量低、易于施工而被稱為環境友好型涂料[6-7]，在屋面、墻面、地下室等建筑防水工程中得到了廣泛應用[8-9]。近年來，房屋建筑滲漏問題時常發生[10]，因此要求防水涂料具有更好的耐水性能[11]。

本課題組研發了一種成本僅為每千克數十元且水性化的微納米石墨材料，其平均粒徑在17 μm左右，中值粒徑D50約為20 μm，寬度在5～50 μm，厚度在5～27 nm，分散性良好[12]，與自制的丙烯酸酯防水涂料相結合，可以制備水性微納米石墨丙烯酸酯防水涂料。

1 試驗研究

1.1 原料及儀器

原料：可膨脹石墨、彈性乳液、膨潤土、二氧化硅(100目)、碳酸鈣(320目)、消泡劑(XHD103)、成膜助劑(醇酯-12)、分散劑(DS-172)、羥乙基纖維素、鐵片。

儀器：電子天平、試驗分散砂磨機、拉伸試驗機、不透水儀、接觸角測定儀、大功率電動攪拌器、掃描電子顯微鏡。

1.2 試驗方法

1.2.1 水性微納米石墨漿體的制備[12]

稱取一定量的可膨脹石墨置于馬弗爐中煅燒至450～500 ℃，直至無水汽冒出，取出。向分散機中依次加入水、多種助劑及配制好的質量分數為2%的羥乙基纖維素水溶液，攪拌分散至混合均勻，然后加入煅燒后的膨脹石墨粉，繼續攪拌至均勻，制得水性微納米石墨漿體。

1.2.2 水性微納米石墨丙烯酸酯防水涂料制備

基礎丙烯酸酯防水涂料的原料配比見表1。

表1 基礎丙烯酸酯防水涂料的原料配比 單位：%

水性微納米石墨丙烯酸酯防水涂料的制備工藝流程見圖1。

圖1 水性微納米石墨丙烯酸酯防水涂料制備工藝流程

取加入量為0、2%、4%、6%、8%、10%的水性微納米石墨漿體，分別與加入量為100%、98%、96%、94%、92%、90%的基礎丙烯酸酯防水涂料充分混合，制備水性微納米石墨丙烯酸酯防水涂料，依次編號為1～6，其中以石墨加入量為0作為空白對照。

1.2.3 涂層樣板制備

將制備好的水性微納米石墨丙烯酸酯防水涂料均勻涂刷在鐵片上，待自然晾干后，用于檢測干燥時間；再涂刷一遍，待自然晾干后，用于檢測耐水性；將整個鐵片涂刷兩遍，待自然晾干后，用于檢測耐鹽水性，且每次涂刷間隔時間為24 h。

1.2.4 涂層性能測試

a.涂層的性能指標按照GB/T 16777—2008《建筑防水涂料試驗方法》[13]中的要求測試，結果參照JC/T 864—2008[14]中的Ⅱ型指標要求。

b.涂層的耐水性和耐鹽水性分別按照GB/T 1733—1993《漆膜耐水性測定法》[15]和GB 9274—1988《色漆和清漆 耐液體介質的測定》[16]中的要求測試，結果參照GB/T 1766—2008[17]中的指標要求。

c.涂層的疏水性采用接觸角測量儀測量涂層表面的接觸角。

d.涂層的耐沾污性按照GB/T 9780—2013《建筑涂料涂層耐沾污性試驗方法》[18]中的外墻涂料涂層要求測試，采用粉煤灰懸浮液作為污染源。

1.2.5 表征方法

采用掃描電子顯微鏡表征水性微納米石墨丙烯酸酯防水涂料的形貌結構。

2 結果與討論

2.1 涂層性能測試

2.1.1 涂層性能測試指標

涂層性能的測試指標見表2。由表2可知，涂層各項性能指標均符合JC/T 864-2008[14]的要求。編號2-編號6與編號1對比，斷裂伸長率和拉伸強度的差別均很小，說明水性微納米石墨漿體的加入對丙烯酸酯防水涂料的斷裂伸長率和拉伸強度影響不大。在干燥性檢驗中，編號2-編號6的干燥表干時間為3 h、實干時間為5 h，相比于編號1，縮短了干燥時間，說明加入水性微納米石墨漿體的丙烯酸酯防水涂料的干燥性較好。

表2 涂層性能的測試指標

2.1.2 涂層的耐水性和耐鹽水性

編號1-編號6涂層的耐鹽水性和耐水性符合GB/T 1766—2008[17]的要求，在浸水、浸鹽水96 h后，編號1-編號6涂層樣板無異常現象，隨著時間的延長，編號1涂層樣板有輕微變化，而編號2-編號6涂層樣板未出現異常，2個月后與初始涂層樣板仍基本無差異，說明水性微納米石墨漿體的加入在一定程度上可增強涂料的耐水性和耐鹽水性。

2.1.3 涂層的疏水性

水性微納米石墨漿體加入量為4%時的涂層的水接觸角見圖2。

圖2 水性微納米石墨漿體加入量為4%時的涂層的水接觸角

測得該涂層的水接觸角約為112°，大于疏水材料要求的90°，說明該涂層有良好的疏水性，有利于防水。

2.1.4 涂層的耐沾污性

水性微納米石墨漿體加入量為4%時的涂層的耐沾污性試驗照片見圖3。

圖3 水性微納米石墨漿體加入量為4%時的涂層的耐沾污性試驗照片

由圖3可見，沖洗后的涂層樣板與初始的涂層樣板相比，基本無污染和無光感色差，得出該涂層的耐沾污等級為0級，灰卡等級為5，耐沾污性能優異。

2.2 機理分析

水性微納米石墨漿體加入量為4%時的涂層的場發射掃描電子顯微鏡(FESEM)照片見圖4。

圖4 水性微納米石墨漿體加入量為4%時的涂層的FESEM圖

由圖4可見，大量的石墨片重疊在涂膜中，在涂膜上平鋪展開，形成了連續的片狀堆積結構，增加了涂層薄膜的阻隔性和致密性，石墨具有超疏水性，提高了涂層的疏水性能，使涂層達到了較好的防水效果。

3 結論

a.加入不同量水性微納米石墨漿體的丙烯酸酯防水涂料的各項性能指標均符合JC/T 864—2008的要求，其中加入水性微納米石墨漿體的丙烯酸酯防水涂料干燥時間明顯縮短，耐水性和耐鹽水性增強，涂層表面的水接觸角約為112°，耐沾污等級為0級，疏水性和耐沾污性優異。

b.機理分析表明，微納米片狀石墨比表面積大，在涂膜中平鋪形成多層致密結構，提高了涂料的防水性能，石墨的超疏水性提高了涂層的疏水和耐沾污性能。