二氧化硅对水性涂料改性及漆膜封闭性的影响

摘 要：文章通过SiO2改性水性木器涂料，对SiO2含量、烘箱温度和干燥时间三个因素进行正交实验，对各种工艺参数进行优化。实验表明，改善涂层性能的主要影响因素是干燥时间。在WSiO2为2，干燥温度为40℃，干燥时间为20min时，硬度为2H，附着力1级。当干燥温度大于10min呈现亚光的光泽度，在20min左右时，水性木器涂层具有较好的力学性能和亚光光泽度。

关键词：水性木器涂料；优化；性能

中图分类号：S781.7 文献标志码：A 文章編号：2095-2945（2017）36-0020-02

水性涂料是一类环境友好型涂料产品，具有无毒环保、节约资源等优点。此次研究目的在于通过对水性涂料进行改性使其能够大规模推广使用。SiO2具有无机刚性、高比表面积等特性，添加到涂料中能提高涂层的硬度、耐刮伤性、抗紫外老化等能力[1]。本文通过SiO2改性水性涂料，对工艺参数进行优化，力图改善水性木器涂层的各项性能。

1 实验部分

1.1 材料准备

实验中所用到的试剂都是未处理的分析纯。涂料是宜华木业股份有限公司生产制造的。选取SiO2作为改性剂，是上海化学试剂有限公司提供的。基材选用表面涂有底漆的木质基板，规格为200mm×200mm×20mm。

1.2 涂层制备

首先需要对木制基材进行预处理，用砂纸打磨其表面，然后将准备好的水性涂改料均匀地涂抹在其表面，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，用玻璃棒搅拌均匀，涂抹在处理好的木质基板上，涂层厚度约60μm，放入烘箱内进行干燥，温度为40°C-70°C，干燥时间定为20min-40min。

1.3 测验与表征

涂层硬度根据GB6739-86进行测定。附着力根据GB/T1720-89，使用涂膜附着力实验仪进行测量。光泽度采用广州标格达实验仪器用品有限公司的BGD512-60型光泽度仪进行测试。

2 结果与讨论

2.1 正交实验分析

在本次试验中，SiO2含量、烘箱温度、干燥时间这三个因素对水性木器涂层性能均有一定程度的影响。用正交实验来优化这三个因素对性能的影响。在此次实验中，三个组分的量设置范围是：SiO2含量（A）：2.0%-5.0%，烘箱温度（B）：40°C-70°C，干燥时间（C）：20min-40min。在每个因素中选两个水平。因素A的第一个水平是SiO2含量2.0%，第二个水平是5.0%。因素B的第一个水平是烘箱温度40°C，第二个水平是70°C。因素C的第一个水平是干燥时间20min，第二个水平是40min。

根据实验比较，可以发现三个因素对附着力的影响更为明显。表1是对水性木器涂料附着力的影响。在同一列中，计算了与同一个因素相对应的最大和最小平均附着力的极差（R），在表1的最后一排。R越大，效果越显著。比较极差R的值，可以发现干燥时间对改性水性木器涂层的附着力影响最明显，样品4#的附着力为1级。在独立试验中将烘箱温度固定为40°C，SiO2的含量固定为2.0%。

2.2 二氧化硅对水性木器涂层力学性能的影响

为了探究SiO2的关键作用，在正交实验的基础上，进行独立实验：把烘箱温度固定为40°C，SiO2含量为2.0%，改变干燥时间分别为5min、10min、20min、30min和40min。涂层硬度是表示涂层机械强度的重要性能之一，也是表示涂层性能优劣的重要指标之一[2]。图1显示了干燥时间对水性木器涂层硬度影响的变化趋势。可以看出，当干燥时间从5min增加到20min时，水性木器涂层的硬度在2H。继续增加干燥时间至30min-40min，涂层硬度降低至H。当干燥时间过长，水性涂料中挥发性物质挥发到一定程度，SiO2粒子间容易发生团聚，与水性木器涂料结合力下降，导致硬度下降。

图2显示干燥时间和附着力之间的关系，随干燥时间增加，附着力呈现“U”形曲线。随着干燥时间从5min增加至20min，附着力变化不大，均是2级。当干燥时间在20min时，附着力较佳，达到1级。这是由于随着干燥时间的增加，涂层的内聚力和机械联锁增加，导致了附着力增加。然而，进一步将干燥时间从30min增加至40min，附着力有所下降，至2级。随着温度升高，水性涂料中挥发的物质挥发完全，SiO2含量升高在高含量下产生聚集，粒子不能均匀分散所造成的[3]。导致涂层较易破碎，附着力降低。

2.3 二氧化硅对水性木器涂层光泽度的影响

干燥时间对光泽度影响的结果见图3，涂层光泽度随着时间的增加而降低。当烘箱干燥时间从5min提高到40min时，水性木器涂层的光泽度从58%显著下降到24%，干燥时间超过10min时呈现亚光光泽。SiO2颗粒不是实心颗粒，在微观结构上呈现微型海绵状，存有大量孔隙，孔隙中充满空气。SiO2的平均粒径及其粒径分布对于涂料消光起重要作用[4]。由于SiO2在水性木器涂料中为不溶物，随着干燥时间增加，在涂料成膜过程中在表层的体积浓度增大，形成了微细粗糙度表面。

3 结论

正交实验表明，水性木器涂层的力学性能在很大程度上取决于干燥时间。SiO2对水性木器涂层力学性能的影响结果显示，在SiO2与水性涂料的质量比为2，干燥温度为40℃，干燥时间为20min时，硬度达2H，附着力为1级。当干燥温度大于10min时，光泽度低于35%，呈现亚光的光泽度。当干燥温度在20min左右时，水性木器涂层具有较好的力学性能和亚光光泽度。

参考文献：

[1]沈雪锋，苟小青，王坚.水性UV涂料在木材上的应用[J].上海涂料，2008，46（12）：1-3.

[2]姜银方.复合涂层附着力的研究[J].表面技术，1997（06）：18-21.

[3]莫引优，陈奎，何其飞，等.用二氧化硅聚氨酯涂料改良木材表面性质的研究[J].北京林业大学学报，2012，34（04）：154-159.

[4]章奕，陈菲斐.二氧化硅消光剂在水性涂料中的应用研究[J].上海涂料，2011，49（06）：7-11.