纳米二氧化硅对水性涂料的黏度与漆膜性能影响研究

林福星 马 婷 陈晨晔 於奕辰 龚唐毅 张建汉

(三明学院 资源与化工学院，福建 三明 365004)

0 前 言

随着科技的发展和生活水平的提高，人们越来越注重家居环境的环保问题。墙体在家中是主要接触面，而涂料是最环保实用的墙面装修方式。用户不仅仅满足于采光、装饰、平滑、保护墙体等基本功能，对一些特殊作用和环保等级的要求也在与日俱增[1]。

传统的油性涂料又称油漆，以干性油为主要成膜物质，会在制造、施工和固化等过程中释放甲醛及其他挥发性有机化合物(VOC)，进而威胁人体健康[2]。以水性乳液成膜的水性涂料的甲醛、VOC含量比油漆低一半以上，环保性能更优异。因此，水性涂料的发展异军突起，获得消费者的广泛认可。

水性涂料的性能与黏度息息相关，合适的增稠剂对水性涂料的稳定性起着重要作用。纳米二氧化硅是应用较广的一种无机非金属材料[3]。纳米二氧化硅呈网状结构, 比表面积大且表面羟基含量高，成膜后会减少入射光的镜面散射，增加漫反射，使漆膜哑光[4]。将纳米二氧化硅颗粒作为颜填料，可以降低水性涂料的颜料分离能力，迅速恢复涂层黏度，实现防沉降功能，达到增稠效果，提高产品质量稳定性，延长产品储存周期。另外，添加纳米二氧化硅还能使涂料具备抗污、自清洁等优点。

本次研究添加纳米二氧化硅作为增稠剂，来有效地控制水性涂料的黏度。同时，对水性涂料的斯托默黏度、旋转黏度、对比率、光泽度和水接触角等指标进行测定，分析纳米二氧化硅对水性涂料流变性质、光泽度与遮盖力的影响。

1 材料与方法

1.1 材料

乳液来源于巴斯夫股份公司，羟乙基纤维素来源于上海阿拉丁生化科技股份有限公司，钛白粉购于南京钛白化工有限责任公司，重钙粉来源于河南东方钙业有限公司，助剂来源于毕克助剂(上海)有限公司，白炭黑由福建省沙县金沙白炭黑制造有限公司提供，氨水购于国药集团上海有限公司。

1.2 方法

1.2.1 材料配备

首先，将0.3 g羟乙基纤维素溶于40 mL水中，加入0.01 mL氨水调节溶液pH值，使用顶置式高速搅拌机搅拌5 min。然后，在上述溶液中加入24.0 g钛白粉，将搅拌机转速保持在1 500 r/min以内，搅拌15 min后加入9.6 g乳液，并添加4.0 g其他助剂，以900 r/min的转速继续搅拌10 min。制备完成后，将样品转移到塑料桶中备用。

根据不同的样品需求，分别加入0、0.1、0.2、0.3、0.4 g的纳米二氧化硅，以900 r/min的转速搅拌5 min，样品编号分别为1、2、3、4、5。

1.2.2 实验器材

实验器材主要包括：数字旋转黏度计(NDJ-9S，上海方瑞仪器有限公司)，电子天平(BS224S，深圳市泰立仪器仪表有限公司)，斯托默黏度计(STM-2T，上海方瑞仪器有限公司)，色差仪(XD-1054，上海现代环境工程技术股份有限公司)，接触角测量仪(OCA25，北京奥德利诺仪器有限公司)，反射率测定仪(C84-Ⅲ，上海亮研智能科技有限公司)，涂料耐洗刷测定仪(BGD-528，标格达精密仪器(广州)有限公司)，刮板细度计(BGD-242，标格达精密仪器(广州)有限公司)。

样品的pH值由pH计(雷磁PHS-3C)直接测量，斯托默黏度由斯托默黏度计测定，旋转黏度由数字旋转黏度计检测。利用湿膜制备器将样品在白纸上制膜，待漆膜干燥后使用色差仪测定漆膜的光泽度、对比率、水接触角等。

2 实验与分析

2.1 样品制备

通过观察、闻嗅以及测定等方式对比不同样品之间的物理性状差异(见表1)。由表1可知，纳米二氧化硅的投加量对涂料样品的物理性状影响不大，各个样品的宏观性状、细度和密度基本保持一致。随着纳米二氧化硅投加量的增加，涂料样品的pH值略微降低。

表1 不同样品的外观性能对比

2.2 样品性能对比

目前，为了迎合消费者对抗菌、耐沾污等功能的需求，水性涂料大多添加了功能助剂，导致其黏度降低且不易调控，质量稳定性下降。此外，成膜之后的性能差异更加显著。本次研究分析了不同水性涂料样品的黏度，漆膜的对比率、光泽度以及水接触角。

2.2.1 水性涂料的黏度

水性涂料的黏度制约着产品质量的稳定性,同时对水性涂料的施工方法、施工条件、最终效果等起着决定性作用[5]。因此，本次研究选取旋转黏度和斯托默黏度等2个指标，以便更直观地反映不同样品之间的黏度差别(见图1)。

由图1可知，随着纳米二氧化硅加入量的增加，水性涂料的黏度逐渐增加，其中，斯托默黏度从93.5 KU增加到117.2 KU，旋转黏度从1 288.9 cp增加到2 652.1 cp。这说明纳米二氧化硅的加入可以影响水性涂料的流变性能，从而达到增稠的效果。

图1 水性涂料的斯托默黏度与旋转黏度

2.2.2 漆膜的对比率、光泽度

对比率是体现水性涂料遮盖力的指标，反应了漆膜最基本的遮盖、装饰功能。光泽度与漆膜表面发生的光学反射有关，包含镜面反射和漫反射，主要由折射率和光滑度决定。加入纳米二氧化硅后，对漆膜的对比率和光泽度(采用80°光泽度仪)进行测定(见图2)。

由图2可知，随着纳米二氧化硅加入量的增加，漆膜的对比率略微降低，在加入量达到0.2 g之后，漆膜的对比率基本不再发生变化。而光泽度则呈现出一种相反的趋势，是随着纳米二氧化硅加入量的增加而增加，在加入量达到0.2 g之后，漆膜光泽度的上升趋势放缓。这可能是因为纳米二氧化硅的多孔结构提升了涂料表面的反射能力，使其光泽度的增加明显。此外，由于纳米二氧化硅的加入，纳米二氧化钛被排挤稀释，导致对比率降低，在加入量达到0.2 g之后，对比率基本不再发生变化。

图2 漆膜的对比率与光泽度

2.2.3 漆膜的水接触角

水接触角可以反应漆膜表面的耐水性能。对于家用涂料来说，耐水性是一个重要指标。对加入纳米二氧化硅后漆膜的水接触角进行测定(见图3)。不添加纳米二氧化硅的漆膜水接触角只有69.7°。当加入0.1 g的纳米二氧化硅后，漆膜水接触角提高到71.8°，说明漆膜的疏水性能已有了一定的变化。当纳米二氧化硅加入量增加至0.4 g时，漆膜水接触角提高到81.55°。随着纳米二氧化硅加入量的增加，漆膜水接触角逐渐增大，即漆膜的疏水性逐渐增强，进而提高了涂料的耐用性，提升了涂层的抗污、自清洁能力。

图3 漆膜的水接触角

3 结 语

为了满足消费者对水性涂料的抗菌、负离子等多种功能的需求，本次研究将纳米二氧化硅作为水性涂料增稠剂。随着纳米二氧化硅加入量的增加，水性涂料的黏度逐渐增加，但基本不影响水性涂料的宏观性状、细度、密度和pH值等；漆膜的对比率略微降低，但光泽度和耐水性明显提高。因此，添加纳米二氧化硅不仅不会破坏水性涂料的原有体系，而且能够达到较好的增稠效果。