二氧化硅對水性涂料改性及漆膜封閉性的影響

蒯薈羽　閆小星　楊河莉　郝苗苗　陳誠　戴鈺潔

摘 要：文章通過SiO2改性水性木器涂料，對SiO2含量、烘箱溫度和干燥時間三個因素進行正交實驗，對各種工藝參數進行優化。實驗表明，改善涂層性能的主要影響因素是干燥時間。在WSiO2為2，干燥溫度為40℃，干燥時間為20min時，硬度為2H，附著力1級。當干燥溫度大于10min呈現亞光的光澤度，在20min左右時，水性木器涂層具有較好的力學性能和亞光光澤度。

關鍵詞：水性木器涂料；優化；性能

中圖分類號：S781.7 文獻標志碼：A 文章編號：2095-2945（2017）36-0020-02

水性涂料是一類環境友好型涂料產品，具有無毒環保、節約資源等優點。此次研究目的在于通過對水性涂料進行改性使其能夠大規模推廣使用。SiO2具有無機剛性、高比表面積等特性，添加到涂料中能提高涂層的硬度、耐刮傷性、抗紫外老化等能力[1]。本文通過SiO2改性水性涂料，對工藝參數進行優化，力圖改善水性木器涂層的各項性能。

1 實驗部分

1.1 材料準備

實驗中所用到的試劑都是未處理的分析純。涂料是宜華木業股份有限公司生產制造的。選取SiO2作為改性劑，是上海化學試劑有限公司提供的。基材選用表面涂有底漆的木質基板，規格為200mm×200mm×20mm。

1.2 涂層制備

首先需要對木制基材進行預處理，用砂紙打磨其表面，然后將準備好的水性涂改料均勻地涂抹在其表面，最后放入烘箱中烘干。定好SiO2的用量，并添加到水性木器涂料中，用玻璃棒攪拌均勻，涂抹在處理好的木質基板上，涂層厚度約60μm，放入烘箱內進行干燥，溫度為40°C-70°C，干燥時間定為20min-40min。

1.3 測驗與表征

涂層硬度根據GB6739-86進行測定。附著力根據GB/T1720-89，使用涂膜附著力實驗儀進行測量。光澤度采用廣州標格達實驗儀器用品有限公司的BGD512-60型光澤度儀進行測試。

2 結果與討論

2.1 正交實驗分析

在本次試驗中，SiO2含量、烘箱溫度、干燥時間這三個因素對水性木器涂層性能均有一定程度的影響。用正交實驗來優化這三個因素對性能的影響。在此次實驗中，三個組分的量設置范圍是：SiO2含量（A）：2.0%-5.0%，烘箱溫度（B）：40°C-70°C，干燥時間（C）：20min-40min。在每個因素中選兩個水平。因素A的第一個水平是SiO2含量2.0%，第二個水平是5.0%。因素B的第一個水平是烘箱溫度40°C，第二個水平是70°C。因素C的第一個水平是干燥時間20min，第二個水平是40min。

根據實驗比較，可以發現三個因素對附著力的影響更為明顯。表1是對水性木器涂料附著力的影響。在同一列中，計算了與同一個因素相對應的最大和最小平均附著力的極差（R），在表1的最后一排。R越大，效果越顯著。比較極差R的值，可以發現干燥時間對改性水性木器涂層的附著力影響最明顯，樣品4#的附著力為1級。在獨立試驗中將烘箱溫度固定為40°C，SiO2的含量固定為2.0%。

2.2 二氧化硅對水性木器涂層力學性能的影響

為了探究SiO2的關鍵作用，在正交實驗的基礎上，進行獨立實驗：把烘箱溫度固定為40°C，SiO2含量為2.0%，改變干燥時間分別為5min、10min、20min、30min和40min。涂層硬度是表示涂層機械強度的重要性能之一，也是表示涂層性能優劣的重要指標之一[2]。圖1顯示了干燥時間對水性木器涂層硬度影響的變化趨勢。可以看出，當干燥時間從5min增加到20min時，水性木器涂層的硬度在2H。繼續增加干燥時間至30min-40min，涂層硬度降低至H。當干燥時間過長，水性涂料中揮發性物質揮發到一定程度，SiO2粒子間容易發生團聚，與水性木器涂料結合力下降，導致硬度下降。

圖2顯示干燥時間和附著力之間的關系，隨干燥時間增加，附著力呈現“U”形曲線。隨著干燥時間從5min增加至20min，附著力變化不大，均是2級。當干燥時間在20min時，附著力較佳，達到1級。這是由于隨著干燥時間的增加，涂層的內聚力和機械聯鎖增加，導致了附著力增加。然而，進一步將干燥時間從30min增加至40min，附著力有所下降，至2級。隨著溫度升高，水性涂料中揮發的物質揮發完全，SiO2含量升高在高含量下產生聚集，粒子不能均勻分散所造成的[3]。導致涂層較易破碎，附著力降低。

2.3 二氧化硅對水性木器涂層光澤度的影響

干燥時間對光澤度影響的結果見圖3，涂層光澤度隨著時間的增加而降低。當烘箱干燥時間從5min提高到40min時，水性木器涂層的光澤度從58%顯著下降到24%，干燥時間超過10min時呈現亞光光澤。SiO2顆粒不是實心顆粒，在微觀結構上呈現微型海綿狀，存有大量孔隙，孔隙中充滿空氣。SiO2的平均粒徑及其粒徑分布對于涂料消光起重要作用[4]。由于SiO2在水性木器涂料中為不溶物，隨著干燥時間增加，在涂料成膜過程中在表層的體積濃度增大，形成了微細粗糙度表面。

3 結論

正交實驗表明，水性木器涂層的力學性能在很大程度上取決于干燥時間。SiO2對水性木器涂層力學性能的影響結果顯示，在SiO2與水性涂料的質量比為2，干燥溫度為40℃，干燥時間為20min時，硬度達2H，附著力為1級。當干燥溫度大于10min時，光澤度低于35%，呈現亞光的光澤度。當干燥溫度在20min左右時，水性木器涂層具有較好的力學性能和亞光光澤度。

參考文獻：

[1]沈雪鋒，茍小青，王堅.水性UV涂料在木材上的應用[J].上海涂料，2008，46（12）：1-3.

[2]姜銀方.復合涂層附著力的研究[J].表面技術，1997（06）：18-21.

[3]莫引優，陳奎，何其飛，等.用二氧化硅聚氨酯涂料改良木材表面性質的研究[J].北京林業大學學報，2012，34（04）：154-159.

[4]章奕，陳菲斐.二氧化硅消光劑在水性涂料中的應用研究[J].上海涂料，2011，49（06）：7-11.endprint