二氧化硅和硅烷偶联剂协同改性对水性涂料性能的影响

周彦瑜+闫小星+钱星雨+王晓婧+夏明+唐林芝+汪雨

摘 要：文章为了改善水性涂料涂层的力学性能和光学性能，通过实验对SiO2的含量、KH560的含量和干燥时间这三个影响因素进行优化。通过正交实验，可以发现，以上的三个因素中SiO2的含量对涂料涂层性能的影响是最大的。当SiO2的含量保持在3%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；性能；优化

中图分类号：TQ637 文献标志码：A 文章编号：2095-2945（2018）03-0035-02

Abstract： In order to improve the mechanical and optical properties of waterborne coatings， the content of SiO2， the content of KH560 and the drying time were optimized by experiments. Through the orthogonal experiment， it can be found that the content of SiO2 has the greatest effect on the coating performance of the above three factors. When the content of SiO2 is 3% or so， the waterborne wood coating has better mechanical properties and matte gloss.

Keywords： waterborne wood coatings； performance； optimization

水性木器漆具有绿色环保、可挥发物少等众多优点。但也存在耐水性、耐污性差，硬度低等问题[1]。二氧化硅（SiO2）具有粒径很小、化学纯度高、表面吸附力强等特性，在涂料中将其加入，不仅能提高涂料涂层的硬度，而且涂层表面自净能力也得到改善[2]。硅烷偶联剂（KH560）是一种有机硅化合物，将其加入涂料，能使涂料中的物质连接起来，提高涂料的性能[3]。本文通过添加助剂SiO2和KH560协同改性水性涂料，通过正交实验，力图优化工艺参数，从而使得水性涂料涂层的力学性能和光学性能有所改善。

1 实验部分

1.1 材料准备

目前实验中所有试剂都是未经处理的分析纯。涂料：水性涂料，改性剂：SiO2和KH560。

1.2 涂层制备

首先处理基板，打磨好后涂底漆。在水性木器涂料中将SiO2和KH560按预计设计好的量加入进去，之后用玻璃棒将其混合搅拌均匀，搅拌结束后将涂料均匀涂抹在已经处理过的木质基板（100mm×100mm×5mm）上，涂层厚度约为60μm。然后放入干燥箱内干燥，温度保持在90℃，干燥时间控制在15min-30min范围内。

1.3 测试方法

测量涂层附着力，使用涂膜附着力实验仪根据GB/T1720-89来测试。涂层的光泽度测试，采用的是BGD512-60°型光泽度仪。

2 结果与讨论

2.1 正交实验分析

在本实验中，影响涂料性能的主要因素是改性剂的含量即SiO2的含量和KH560的含量，还有一个影响因素是干燥时间。为了使得协同改性后的涂层力学性能能够达到较好的效果，本文通过正交试验对这些因素进行优化。在这个实验中，以上三个组分的量实验范围是：SiO2的含量（A）：2.0%-5.0%，KH560的含量（B）：2.0%-5.0%，干燥时间（C）：15min-30min。在每个因素中选两个水平。因素A即SiO2含量第一个水平是2.0%，因素A的第二个水平是5.0%。因素B即KH560的含量第一个水平是2.0%，因素B的第二个水平是5.0%。因素C即干燥时间15min第一个水平，因素C的第二个水平是30min。

在上述的這三个因素中，每一个因素对水性木器涂层的力学性都有一定的影响，相比之下，对附着力的影响更为明显。因此，在正交实验中，重点研究对附着力的影响。表1显示的是上述不同因素对水性木器涂料附着力的影响。在表1的同一列中，最后两行列出了对应因素的最大和最小平均附着力的极差（R）和方差。R值和方差越小，表明对应因素的影响效果越不明显，从表中可以发现三个因素中对附着力影响最为明显的因素是A即SiO2的含量。从表1中还可以看出样品1#和2#的水性木器涂层具有较好的附着力。在独立试验中，将KH560的含量固定为2%，干燥时间固定为15min。

2.2 二氧化硅对水性木器涂层力学性能的影响

为了探究影响程度最高的一个因素即SiO2的含量对涂膜附着力的具体影响情况，本文还进行了独立实验。把KH560的含量和干燥时间分别固定为2.0%和15min，控制变量SiO2的含量：0%、1%、2%、3%、4%和5%。图1表明了SiO2的含量和涂层附着力之间的关系。随SiO2含量的增加，涂层附着力会先平稳后上升。当SiO2的含量从0%增加至3%，可以看出附着力始终保持在1级。这是由于SiO2含量增多且其粒径很小，含量增多、粒子数增加，涂层内部聚合力提高，从而使得漆膜附着力性能良好。然而，图1中SiO2含量从3%继续增加至5%，附着力从1级逐渐不断下降，附着了变差。这是因为SiO2的含量越来越高，粒子不能均匀分散，涂层的弹性也收到了影响，使得涂层容易破碎[4]。

2.3 二氧化硅对水性木器涂层光泽度的影响

图2表示的是SiO2含量对涂层光泽度影响。由图2可以看出，水性木器涂料光泽度会随着SiO2含量的增加而降低。当SiO2含量从0上升到1%时，涂层的光泽度从94%快速下降到54%。SiO2含量继续从1%增加至3%，光泽度从54.0%下降到19.0%。随着SiO2含量从3.0%增加到5.0%，水性木器涂层的光泽度又从19%逐渐下降至8%，并且始终保持在一个较低的值上。这是因为SiO2含量增加较多，粒子不容易在涂料中进行分散，所以光泽度下降速度变慢。从图2可以看出，当SiO2的含量超过3%时，水性木器涂层呈现出亚光的光泽度。

2.4 协同作用与单一改性对水性木器涂层性能的对比

将不加改性剂、单一添加SiO2、单一添加KH560以及同时添加SiO2和KH560的样品进行对比。从表2看出，经SiO2和KH560协同改性后，涂层力学性能比不加改性剂和单一添加SiO2、单一添加KH560的力学性能提高、光泽度降低。

3 结束语

从实验可以看出，水性木器漆的力学性能在很大程度上取决于SiO2的含量。结果表明，在烘箱中干燥温度控制在90℃，时间固定为15min，KH560的含量固定2%，当SiO2含量从0增加到3%，水性木器涂层的附着力均是1级，光泽度从94%下降到19%。当继续增加SiO2含量至5%时，附着力逐渐下降至3级，光泽度低于19%，呈现出亚光的光泽度。

参考文献：

[1]李幕英，刘国旭，荆旺，等.水性工业涂料的发展现状及趋势[J].现代涂料与涂装，2010，13（01）：35-37.

[2]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.

[3]郭云亮，张涑戎，李立平.偶联剂的种类和特点及应用[J].橡胶工业，2003（11）：692-696.

[4]卢红梅，钟宏.有机硅在涂料中的应用[J].有机硅材料，2002（06）：22-27.

[5]王杰，闫小星，王粲，等.碳酸钙和硅烷偶联剂协同改性对水性涂料性能的影响[J].科技创新与应用，2017（24）：27-28.

[6]蒯荟羽，闫小星，杨河莉，等.二氧化硅对水性涂料改性及漆膜封闭性的影响[J].科技创新与应用，2017（36）：20-21.

[7]王粲，钱星雨，闫小星，等.协同改性对水性涂料性能的影响探究[J].科技创新与应用，2017（24）：31+33.endprint