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(xué) 材料科學(xué)與工程學(xué)院，四川 綿陽 621010)

0 引言

石墨是一種非金屬礦產(chǎn)資源，多為不規(guī)則狀、鱗片狀[1]，由多層片狀石墨烯構(gòu)成，因其具有突出的力學(xué)、電學(xué)性能，優(yōu)異的化學(xué)穩(wěn)定性，電子遷移率高等特性而被應(yīng)用于涂料行業(yè)[2-4]。但由于納米石墨烯具有超疏水性，易團(tuán)聚，因而不利于水性化涂料的制備[5]，且成本高達(dá)每千克上萬元，因此開發(fā)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(jī)溶劑、VOC(揮發(fā)性有機(jī)化合物)含量低、易于施工而被稱為環(huán)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(yīng)用[8-9]。近年來，房屋建筑滲漏問題時(shí)常發(fā)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(fā)了一種成本僅為每千克數(shù)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(jié)合，可以制備水性微納米石墨丙烯酸酯防水涂料。

1 試驗(yàn)研究

1.1 原料及儀器

原料：可膨脹石墨、彈性乳液、膨潤(rùn)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(yàn)分散砂磨機(jī)、拉伸試驗(yàn)機(jī)、不透水儀、接觸角測(cè)定儀、大功率電動(dòng)攪拌器、掃描電子顯微鏡。

1.2 試驗(yàn)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(jī)中依次加入水、多種助劑及配制好的質(zhì)量分?jǐn)?shù)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(xù)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(chǔ)丙烯酸酯防水涂料的原料配比見表1。

表1 基礎(chǔ)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(chǔ)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(hào)為1～6，其中以石墨加入量為0作為空白對(duì)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(cè)干燥時(shí)間；再涂刷一遍，待自然晾干后，用于檢測(cè)耐水性；將整個(gè)鐵片涂刷兩遍，待自然晾干后，用于檢測(cè)耐鹽水性，且每次涂刷間隔時(shí)間為24 h。

1.2.4 涂層性能測(cè)試

a.涂層的性能指標(biāo)按照GB/T 16777—2008《建筑防水涂料試驗(yàn)方法》[13]中的要求測(cè)試，結(jié)果參照J(rèn)C/T 864—2008[14]中的Ⅱ型指標(biāo)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(cè)定法》[15]和GB 9274—1988《色漆和清漆 耐液體介質(zhì)的測(cè)定》[16]中的要求測(cè)試，結(jié)果參照GB/T 1766—2008[17]中的指標(biāo)要求。

c.涂層的疏水性采用接觸角測(cè)量?jī)x測(cè)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(yàn)方法》[18]中的外墻涂料涂層要求測(cè)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(jié)構(gòu)。

2 結(jié)果與討論

2.1 涂層性能測(cè)試

2.1.1 涂層性能測(cè)試指標(biāo)

涂層性能的測(cè)試指標(biāo)見表2。由表2可知，涂層各項(xiàng)性能指標(biāo)均符合JC/T 864-2008[14]的要求。編號(hào)2-編號(hào)6與編號(hào)1對(duì)比，斷裂伸長(zhǎng)率和拉伸強(qiáng)度的差別均很小，說明水性微納米石墨漿體的加入對(duì)丙烯酸酯防水涂料的斷裂伸長(zhǎng)率和拉伸強(qiáng)度影響不大。在干燥性檢驗(yàn)中，編號(hào)2-編號(hào)6的干燥表干時(shí)間為3 h、實(shí)干時(shí)間為5 h，相比于編號(hào)1，縮短了干燥時(shí)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(cè)試指標(biāo)

2.1.2 涂層的耐水性和耐鹽水性

編號(hào)1-編號(hào)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(hào)1-編號(hào)6涂層樣板無異?，F(xiàn)象，隨著時(shí)間的延長(zhǎng)，編號(hào)1涂層樣板有輕微變化，而編號(hào)2-編號(hào)6涂層樣板未出現(xiàn)異常，2個(gè)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(qiáng)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(shí)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(shí)的涂層的水接觸角

測(cè)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(shí)的涂層的耐沾污性試驗(yàn)照片見圖3。

圖3 水性微納米石墨漿體加入量為4%時(shí)的涂層的耐沾污性試驗(yàn)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(jí)為0級(jí)，灰卡等級(jí)為5，耐沾污性能優(yōu)異。

2.2 機(jī)理分析

水性微納米石墨漿體加入量為4%時(shí)的涂層的場(chǎng)發(fā)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(shí)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(xù)的片狀堆積結(jié)構(gòu)，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(dá)到了較好的防水效果。

3 結(jié)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(xiàng)性能指標(biāo)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(shí)間明顯縮短，耐水性和耐鹽水性增強(qiáng)，涂層表面的水接觸角約為112°，耐沾污等級(jí)為0級(jí)，疏水性和耐沾污性優(yōu)異。

b.機(jī)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(jié)構(gòu)，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。