微纳米薄层石墨基水性防氡涂料的制备及其性能研究

曲瑞雪，李靓洁，邓跃全

（1.四川金和新型建材有限公司，四川绵阳 621000；2.重庆市綦江区住房和城乡建设委员会，重庆 401420；3.西南科技大学，四川绵阳 621000）

0 引言

氡子体的衰变周期短，在空气中形成放射性气溶胶，易被呼吸系统截留，并在肺部不断累积引起肺癌，严重影响人们的生命健康［1-2］，因此，近年来室内氡污染问题越来越多地引起人们的重视，而防氡功能涂料作为一种良好的屏蔽材料，不失为一种解决室内氡污染的好方法［2］。

石墨烯是由碳原子紧密堆积构成的二维晶体，具有优异的屏蔽作用，可以显著提高涂层的致密性及屏蔽性［3-4］。本研究采用可膨胀石墨制备了一种分散性能优良的微纳米薄层石墨浆料，并将其成功应用于水性防氡涂料中。

1 试验部分

1.1 试验原料

可膨胀石墨，青岛东凯石墨有限公司；偶联剂（KH-550），阿拉丁试剂（上海）；消泡剂、成膜助剂、羟乙基纤维素、增稠剂、分散剂、多功能助剂、苯丙乳液，四川蓉丰化工有限公司；重质碳酸钙，四川利达粉体材料有限公司；绢云母、玻璃粉，灵寿县瑞达矿业有限公司；钛白粉，四川龙蟒钛业股份有限公司；高岭土，山西恒源高岭土有限公司。

1.2 微纳米薄层石墨浆料的制备

（1） 称取一定量的可膨胀石墨，放于马弗炉中，设定温度为500 ℃，煅烧至无烟气冒出，降温，取出膨胀石墨粉。

（2） 打开高速分散机，调整转速为300 r/min，依次将称量好的水、羟乙基纤维素、偶联剂、分散剂、成膜助剂、膨胀石墨粉加入分散杯中，调整转速至3 000 r/min，高速分散40 min，然后调整转速至1 500 r/min，加入增稠剂，搅拌分散10 min后倒入磨浆机中，研磨4.5 h，制得微纳米薄层石墨浆料。微纳米薄层石墨浆料的配方见表1。

表1 微纳米薄层石墨浆料的配方Table 1 Formula of micro nano thin layer graphite slurry

1.3 水性防氡涂料的制备

1.3.1 参考配方

水性防氡涂料的参考配方见表2。本研究考虑到微纳米薄层石墨浆料的含水量超过85%，因此当微纳米薄层石墨浆料的添加量改变时，需通过调节水的添加量，来调整防氡涂料体系的固含量。

1.3.2 生产工艺

打开高速分散机，调整转速至300 r/min，按配方依次将称量好的水、各种填料、微纳米薄层石墨浆料、羟乙基纤维素、分散剂、多功能助剂加入分散杯中，调整转速至3 000 r/min，高速分散40 min，然后调整转速至800 r/min，加入乳液、成膜助剂、增稠剂，搅拌分散30 min，制得微纳米薄层石墨基防氡涂料。

表2 水性防氡涂料的参考配方＊Table 2 Reference formula of waterborne anti-radon coatings

1.4 性能测试

1.4.1 基本性能测试

参照GB/T 9756—2009《合成树脂乳液内墙涂料》［5］标准测试涂料的基本性能。

1.4.2 防氡性能测试

（1） 采用RAD-7型α能谱氡气检测仪对氡源本底值及涂料的防氡性能进行测试。

（2） 在氡源上罩上玻璃罩，四周用密封胶密封干燥后，测试其本底值，4 h后达到平衡，平均值为1 253 Bq/m3。

（3） 在尺寸为15 cm×15 cm的滤纸上刮涂一层耐水腻子，待其完全干燥后，涂刷1道水性抗碱底漆，3道防氡涂料，自然干燥2 d后，将其置于氡源表面，然后罩上玻璃罩，密封干燥后，用止水夹将上下橡胶软管夹紧4 h后，测定其防氡性能，每1 h为1个周期，共8个周期。

2 结果与讨论

2.1 微纳米薄层石墨浆料的添加量对涂料防氡性能的影响

微纳米薄层石墨浆料的添加量对涂料防氡性能的影响见表3和图1。如表3和图1所示，随着微纳米薄层石墨浆料添加量的增加，涂料的防氡性能呈现先快速上升，然后趋于稳定的趋势，其原因是绢云母、玻璃粉等片状材料在乳液中形成连续的片状堆积结构，但在这些片状堆积结构中仍然存在着一些空隙，随着微纳米薄层石墨浆料含量的上升，厚度更薄（图2）的微纳米石墨鳞片有效填充了这些片层结构之间的空隙，形成了更加致密的片状堆积结构（图3），因此涂料的防氡性能快速上升，当石墨浆料的含量达到一定程度后，对致密性的影响逐渐减弱，涂料的防氡性能趋于稳定，考虑到实际应用的经济性，微纳米薄层石墨浆料的添加量以3%为宜。

表3 微纳米薄层石墨浆料添加量对涂料防氡性能的影响Table 3 The effect of adding amount of micro nano thin layer graphite slurry on anti-radon performance of coatings

图1 微纳米薄层石墨浆料添加量对涂料防氡性能的影响Figure 1 The effect of adding amount of micro nano thin layer graphite slurry on anti-radon performance of coatings

图2 微纳米薄层石墨材料的SEM照片Figure 2 SEM photo of micro nano thin layer graphite

图3 微纳米薄层石墨浆料添加量3%时涂膜的SEM照片Figure 3 SEM photo of coating film with 3% addition of micro nano thin layer graphite slurry

2.2 颜色对涂料防氡性能的影响

当微纳米薄层石墨浆料的添加量为3%时，研究了未调色、黄色、蓝色、红色、绿色、黑色等颜色对涂料防氡性能的影响，结果见表4。如表4所示，在不同颜色下，微纳米薄层石墨基防氡涂料的防氡效率几乎不变，标准偏差仅为0.184%，说明颜色对涂料的防氡效率无影响，实际应用过程中可根据用户需求进行调色。

表4 颜色对涂料防氡性能的影响Table 4 Influence of color on anti-radon performance of coatings

2.3 防氡性能稳定性的研究

本研究采用UV（紫外线）老化试验箱研究了微纳米薄层石墨基防氡涂料的防氡性能稳定性，控制温度为45 ℃，湿度为75%，UV灯管功率为600 W，结果如表5、图4所示。

表5 涂料的防氡性能稳定性Table 5 Anti-radon performance stability of coatings

图4 涂料的防氡性能稳定性Figure 4 Anti-radon performance stability of coatings

从表5、图4中可以看出，当紫外光照射时间≤400 h时，涂料防氡效率的标准偏差仅为0.168%，防氡性能稳定，其原因是：微纳米薄层石墨基防氡涂料中所含的绢云母、玻璃粉、微纳米石墨鳞片防氡基元材料与二氧化钛、高岭土等颜填料在乳液中形成了一个致密的鳞片状堆积结构（图3），其中所含的防氡基元材料及金红石型二氧化钛对紫外光具有良好的屏蔽及散射作用，有效延缓了漆膜的老化过程，保证了其防氡性能的长效稳定性。本研究选用的乳液是一款内墙涂料用苯丙乳液，其耐紫外线老化性能一般，当紫外光照射时间达到500 h时，涂料的防氡效率出现了明显下降（图4），表明此时漆膜已经出现老化，致密性降低（图5），但同时参照GB/T 9755—2014《合成树脂乳液外墙涂料》［6］检测发现，紫外老化试验全程中漆膜未出现起泡、剥落及裂纹现象。由此，理论上该款防氡涂料室内正常使用时间超过10 a，具有推广应用价值。

图5 紫外光照射500 h后漆膜的SEM照片Figure 5 SEM photo of film after UV irradiation for 500 h

3 结语

选用苯丙乳液作为成膜基料，绢云母、玻璃粉及微纳米薄层石墨鳞片为防氡基元材料，配以合适的颜填料及助剂，制备了一种水性防氡涂料，研究发现，微纳米薄层石墨浆料添加量以3%为宜，此时涂料的防氡效率达到92.7%；涂料调色对其防氡效率无影响；其防氡效率长效稳定，耐紫外光老化时间超过400 h，理论上该防氡涂料室内正常使用时间可达10 a以上，具有推广应用价值。