纳米材料的制备及其对水性防水涂料的改性探究

纳米材料的制备及其对水性防水涂料的改性探究
发布时间：2021-11-26T08:57:36.174Z 来源：《城镇建设》2021年22期作者：方星
[导读] 在化工行业向着节能、环保方向发展的背景下，水性涂料将大量应用，
方星
广东东方雨虹建筑材料有限公司广东广州 510000
摘要：在化工行业向着节能、环保方向发展的背景下，水性涂料将大量应用，但目前该种涂料涂膜在稳定性等方面仍然存在问题。

基于此，引入纳米二氧化钛材料进行水性防水涂料改性分析，采用液相水热法进行纳米材料制备，然后用于对水性环氧聚氨酯涂料进行改性。

通过开展涂料制备试验，完成涂料表征和性能分析，能够确认在二氧化钛含量达0.6%时防水性、热稳定性等各项性能最佳。

关键词：纳米材料改性；水性防水涂料；防水性能
引言：随着生态环保意识的增强，水性防水涂料应用日渐广泛，但在使用过程中呈现出稳定性差、絮凝等系列问题。

而从有关研究来看，使用纳米技术进行涂料改性，能够增强材料耐候性、防水性等诸多性能，赋予涂料新功能。

如使用纳米二氧化硅进行水性苯丙乳液涂料分散改性，可以增强材料耐碱性、流平性，但在耐水性方面取得的效果并不理想。

而纳米二氧化钛具有光催化性，在水性环氧聚氨酯中添加可以解决复合水性涂料耐水性差、硬度低等问题。

因此研究纳米材料制备及其对水性防水涂料的改性方法，能够为研制优质防水涂料指明方向。

1纳米材料的制备分析
纳米二氧化钛的粒径较小，比表面积较大，具有良好分散性和导热性。

而材料表面拥有较多非配对原子，容易与环氧树脂等材料发生物理或化学结合，增强与基体界面结合，获得增强增韧聚合物的效果。

实际在材料制备阶段，可以采用液相水热法，取50mL烧杯，添加10mL钛酸丁酯和10mL无水乙醇，利用玻璃棒搅拌至原料充分溶解，获得溶液X。

另取250mL烧杯，放入20mL无水乙醇和100mL去离子水，均匀混合后可以获得溶液Y。

将装有Y溶液烧杯放在磁力搅拌器上，使其始终处于搅拌状态，然后利用滴管缓慢向烧杯中滴入溶液X。

经过10min后，利用氨水调节pH值，达到9后可以确认生成前驱体，然后装入含四氟乙烯内衬的高压密封反应釜。

在恒温、干燥的环境下进行4h 反应，冷却至室温后可以获得二氧化钛材料。

利用乙醇、去离子水分别进行三次洗涤后，利用离心机进行处理，将沉淀后的产物取出，在60℃下烘干[1]。

加入二甲基乙酰胺、并超声进行产物分散处理，然后重复洗涤过程，烘干后可以获得纳米二氧化钛材料。

2纳米材料对水性防水涂料的改性方法
2.1改性方法
水性聚氨酯涂料具有抗磨、耐低温等诸多优良性能，而环氧树脂拥有较高强度、模量、胶黏性，如二者复合可以获得各方面性能良好的水性复合涂料[2]。

按照常规制备方法，可以按照一定比例将二者相混合，利用环氧树脂对水性聚氨酯进行改性，但取得的改善效果有限。

借助环氧树脂中的羟基和聚氨酯中异氰酸酯发生共聚反应，实现分子交联复合，能够确保产品综合性较佳，但也存在硬度、耐水性差的情况。

针对上述问题，使用纳米二氧化钛对水性复合防水涂料进行改性，可以获得性能更优的材料。

而纳米二氧化钛属于无机材料，难以与有机物较好相容，如果要用于制备复合材料通常需要进行亲油改性 - 即先与表面活性剂反应，使粒子表面包裹小分子有机物[3]。

利用钛酸丁酯一步法制得的纳米二氧化钛，是一种亲油性材料，因此可以直接用于与聚氨酯反应。

在MID催化剂作用下，异氰酸酯和材料表面羟基反应，实现其他基团和组分原料接枝。

之后，通过将二氧化钛接枝到水性环氧聚氨酯分子链上，利用三乙胺中和，能够完成预聚体的离子化处理，再加水搅拌即可获得改性涂料。

2.2涂料制备
按照上述方法制备水性复合防水涂料，需要先做好原料、试剂、仪器和设备的准备。

使用的钛酸丁酯、无水乙醇、聚醚多元醇、丙酮、二月桂酸二丁基锡、聚醚、三乙胺等均为分析纯，使用的环氧树脂为工业级，使用的去离子水为实验室自制。

按照纳米材料制备方法，可以完成纳米二氧化钛的制备。

在涂料性能检测方面，需要准备FT-IR型傅里叶红外光谱仪、JSM-6610LV扫描电子显微镜、TD3500型X射线衍射仪、KH19A型离心机、101A型恒温干燥箱、电子拉力试验机等。

做好准备后，可以先在120℃、1.33MPa条件下对聚醚多元醇实施脱水处理。

经过1.5h脱水后，利用电子天平称量0.3g二氧化钛（通过2.1中步骤制得），利用超声波分散于40mL丙酮溶液中。

将获得的溶液滴加至MDI中搅拌均匀，然后升温至75℃后，可以再次添加两滴催化剂和18mL聚醚。

经过1.5h反应后，保温1h，然后降温至60℃，添加4g环氧树脂和3滴催化剂。

经过2.5h反应后，将温度降至40℃，添加三乙胺及去离子水。

经过40min搅拌，确认材料乳化，可以将丙酮溶剂脱除，获得改性防水涂料。

将涂料均匀涂刮在试板上，在室温下固化48h，可以进行各项性能测试。

2.3材料表征
对材料进行结构表征分析，能够确认是否将二氧化钛分散到涂料中。

从红外吸光光谱来看，环氧树脂吸收峰在915cm-1位置，而环氧聚氨酯羟基和异氰酸酯的吸收峰分别在3528cm-1和2270cm-1位置，说明已经完全反应。

而改性涂料中的纳米二氧化钛吸收峰在681cm-1位置，说明同样融入到分子结构中。

对涂料粒径展开分析，可以发现随着纳米二氧化钛质量百分比从0.2%增加至1.0%，有效粒径从29.5nm增加至83.8nm。

检测涂料吸收率，可知环氧树脂占比越大，涂膜吸水率越小。

在占比达到0.6%时，经过24h浸泡涂膜并未变色，能够获得较强的耐水性。

为确定纳米二氧化钛使用给涂料粒径带来的影响，需要在不同百分比下开展测试，可知占比从0.6%提升至0.8%，涂料由小粒径从185.3nm变为78.7nm。

随着二氧化钛含量的增加，材料的拉伸强度也有所增加，在含量达到0.6%时能够达到12MPa。

但随着纳米材料的持续增加，各项性能参数却并未随之进一步改善、甚至略有下降，这说明过高的粒子含量可能发生了粒子团聚，引发力学缺陷。

在占比达到0.6%时，可以增大有效粒径，使二氧化钛更好地融入到涂料中。

对该占比下的改性涂料进行横断面分析，确认纳米材料分布均匀，能够成功接枝到聚氨酯分子链上，能够保证涂料性能稳定。

利用10万倍扫描电镜进行观察，如图1所示，可以发现涂膜中有100nm纳米粒子，嵌入到的树脂材料中，使涂膜表面更加粗糙。

而同时，纳米粒子分布较广，却未出现团聚情况，因此可以与涂料分子较好粘结，涂料也借助无机离子改善了涂膜性能。

图 1 扫描透镜成像
2.4性能分析
对复合涂料性能展开分析：
（1）开展了热稳定性测试。

在氮气环境中，以20℃/min速度升温至600℃，促使涂料受热分解。

在硬段相阶段，高纯聚氨酯将在237℃分解，添加0.6%的二氧化钛后可将该温度将提升至252℃。

而在软段相阶段，原本聚氨酯分解温度为348℃，改性后该温度提升至363℃，因此可以说明涂料获得了更高热稳定性。

（2）防水性测试。

对涂料进行防水性测试，可以借助接触角反映材料防水性，测试结果显示改性后的涂料接触角增加2.6°，明显提升了材料防水性，可以达到水性复合防水涂料使用要求。

（3）涂膜测试。

涂料制作涂膜，经过7d干燥后，测得的硬度达到H。

在常温条件下经过24h浸水，涂膜并未出现起泡、开裂等异常情况，能够达到耐水性要求。

（4）耐碱测试。

使用浓度50%的乙醇开展测试，1h内无异常情况，确认涂料具有一定耐碱性。

（5）光学性质测试。

考虑到纳米二氧化钛具有光催化性，对涂料吸光性进行测试，发现在246~330nm位置呈现出强紫光吸收，可以获得更宽吸收带，使涂料获得屏蔽紫外线功能的同时，起到了增强涂料抗菌效果的作用。

结论：采用钛酸丁酯进行纳米二氧化钛材料制备，得到的产物可以直接用于对水性环氧聚氨酯防水涂料进行改性。

通过调整环氧树脂和二氧化钛占比，能够达到调整水性复合材料有效粒径大小的目的，进而改善涂料性能。

从涂料综合性能来看，经过改性的水性复合涂料不仅具有环保性，也能通过防水性、热稳定性等各项性能测试，达到一定硬度，并获得较强的紫外线吸收能力，可以起到抗菌作用，在防水作业领域有良好应用前景。

参考文献：
[1]李运成,赵丽.水性聚氨酯改性涂料的研究[J].建材技术与应用,2021(03):27-29.
[2]陈中华,曾明,李亮,等.纳米材料改性水性环氧防腐涂料研究进展[J].化工新型材料,2021,49(05):34-38.
[3]于国玲,赵万赛,王学克.国内水性醇酸树脂涂料改性的研究进展[J].弹性体,2021,31(02):66-69.。