PMS改性硅溶胶的制备及其在涂料中的应用研究

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硅溶胶无机涂料在环保、机械性能、耐久耐候性方面有无可比拟的优势,但是其施工性能、成膜性能等方面存在明显短板。为了提升硅溶胶涂料的耐水性能,减少涂膜开裂并提升硅溶胶涂料的施工性能,本文选取了甲基硅酸钾(PMS)为硅溶胶疏水改性剂,研究了PMS改性硅溶胶(PMS-Si)的机理及对其理化性质的影响。在此基础上,制备了PMS改性硅溶胶无机涂料和PMS改性硅溶胶-硅丙(PMS-Si-SAE)杂化乳液,并对其进行了应用探索,实验结果如下:(1)利用PMS对硅溶胶进行表面疏水改性,讨论了改性温度和PMS用量对硅溶胶粒径、Zeta电位、稳定性、疏水性能的影响。研究发现,当改性温度为50℃,PMS用量5%时,得到平均粒径为33.7 nm、Zeta电位为-26.8 m V、涂膜静态接触角为92°、贮存稳定性良好的改性硅溶胶。(2)通过粒径分析、TEM、SEM-EDX、FTIR、XPS、XRD联合说明了PMS改性硅溶胶的改性机理和改性硅溶胶的化学结构。研究发现,PMS通过硅羟基间的脱水缩合被固定在二氧化硅胶团表面。在涂膜失水时,PMS参与硅溶胶的成膜过程,胶团之间彼此交联成高聚体硅酸,继而形成硅溶胶涂膜,-CH3成功接枝到涂膜表面。(3)以PMS-Si为单一成膜物质,添加适当的颜填料和助剂,制备了硅溶胶基无机涂料。研究发现,PMS有效降低了涂料黏度,提升了涂料的机械性能、疏水耐水性能、耐酸碱性能、耐冲刷性能。当PMS用量为5%时,涂料黏度为0.05 Pa·s,涂层铅笔硬度为6H,静态接触角为152°,吸水率仅为0.09%。SEM显示,该涂层随PMS用量增加变得更为致密。(4)采用共混法将PMS-Si与硅丙乳液复合得到PMS-Si-SAE杂化乳液,探究了PMS和硅丙用量对杂化乳液和涂膜各项性能的影响。研究发现,PMS在硅溶胶与硅丙乳液之间起到连接作用,使杂化乳液更稳定。硅丙乳液的引入在增强涂层抗裂性能和机械性能的同时也提升了涂膜的疏水性能。当PMS用量为5%,硅丙乳液用量为4%时,杂化乳液平均粒径约为100 nm,稀释不分层,冻融循环为5个,常温贮存>60 d,热贮存3 d,涂膜静态接触角为118°。(5)将PMS-Si-SAE杂化乳液充当底漆用于无机涂料的施工过程,对其有效性进行了探究。结果发现,该底漆硬度高,与基材的附着力好,能有效提高无机涂料的表干时间与施工性能。滚涂、刮涂适配底漆建议浓度:PMS:3%,硅溶胶:22.5%,硅丙乳液:4%;喷涂适配底漆建议浓度:PMS:2%,硅溶胶:22.5%,硅丙乳液:4%。综上所述,短链有机硅也可作为硅溶胶的疏水改性剂,并且操作简单,效果明显,PMS改性硅溶胶涂料与PMS-Si-SAE杂化乳液性能优异,制备简单,具有工业化生产的潜力。
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