調(diào)溫調(diào)濕抗菌內(nèi)墻涂料的研制

2013-01-20 北京國泰瑞華精藻硅特種材料有限

劉成樓，唐國軍

0 引言
隨著國家關(guān)于環(huán)保、節(jié)能政策的實(shí)施和人們生活水平的提高，人們的環(huán)保、節(jié)能意識(shí)和對(duì)健康的追求明顯增強(qiáng)，對(duì)生活居住環(huán)境的舒適度、安全環(huán)保性要求越來越高。室內(nèi)溫度和空氣相對(duì)濕度是生活舒適度的2項(xiàng)重要的環(huán)境參數(shù)，當(dāng)室內(nèi)溫度為20 ~ 23 ℃、相對(duì)溫度為50％~ 60%時(shí)，人體感覺最舒適。室內(nèi)VOC 濃度越低、可溶性重金屬（鉛、鎘、鉻、汞）含量越少，其環(huán)保性越好；室內(nèi)無菌（或少菌）無微生物繁殖和存活，為人身健康創(chuàng)造了條件。本文研制的調(diào)溫調(diào)濕抗菌內(nèi)墻涂料，以零VOC 純丙烯酸乳液為基料，以鈦白粉為顏料，以多孔結(jié)構(gòu)的硅藻土和定型相變儲(chǔ)能材料為填料，以納米TiO2/ZnO 為無機(jī)殺菌劑，在多種助劑的配合下，制備成調(diào)溫調(diào)濕抗菌內(nèi)墻涂料，其涂膜的物理性能和環(huán)保性能完全符合GB/T 9756—2001《合成樹脂乳液內(nèi)墻涂料》標(biāo)準(zhǔn)要求，并且具有相變儲(chǔ)能、調(diào)溫控溫、節(jié)省能源的功效；還具有吸濕放濕、防止結(jié)露、調(diào)節(jié)空氣濕度、防霉抗菌、凈化空氣的功效。

1 試驗(yàn)部分
1.1 原材料
零VOC 純丙烯酸乳液SF- 018（陶氏）；鈦白粉（濟(jì)南裕興）；硅藻土（北京國泰瑞華）；定型相變材料（自制）；高吸水性樹脂（保定）；海泡石粉（石家莊）；納米TiO2/ZnO（國家建材研究院）；助劑（市售）。
1.2 參考配方
調(diào)溫調(diào)濕抗菌內(nèi)墻涂料的參考配方見表1。

1.3 制備方法
1）納米水漿的制備：將70%的水、適量高分子分散劑、硅烷偶聯(lián)劑加入分散缸中攪拌5～10 min，加入30%的納米TiO2/ZnO 粉體，高速分散1 h，再經(jīng)反復(fù)研磨使粒徑小于100 nm。
2）用適量水將吸水性樹脂溶解成溶液。
3）將去離子水加入分散釜中，攪拌加入助劑、顏填料、納米漿、樹脂溶液，高速分散30～40 min，經(jīng)研磨細(xì)度達(dá)50 μm 成漿料；將研磨漿料打入調(diào)漆罐中，中低速攪拌加入乳液、消泡劑、增稠流變劑，過濾、出料。
1.4 性能檢測(cè)
1）常規(guī)性能指標(biāo)按GB/T 9756—2001 進(jìn)行檢驗(yàn)；
2）導(dǎo)熱系數(shù)按GB/T 1029—2008 進(jìn)行檢測(cè)；
3）吸放濕量按JISA 6909—2003 進(jìn)行檢測(cè)；
4）環(huán)保性能按GB/T 18582—2008 進(jìn)行檢測(cè)；
5）抗菌性按HG/T 3950—2007 進(jìn)行檢測(cè)；
6）調(diào)溫調(diào)濕效果采用模擬試驗(yàn)方法進(jìn)行：選擇成排平房中結(jié)構(gòu)相同的相鄰房間，其中一間房?jī)?nèi)墻輥涂普通內(nèi)墻涂料，另一間刮涂本文研制的涂料，涂膜厚度均為1 mm。用空調(diào)機(jī)控制室內(nèi)溫度為26 ℃，相對(duì)濕度為65%的情況下,穩(wěn)定5 h 后關(guān)閉空調(diào)機(jī)，測(cè)試2 間房室內(nèi)溫濕度下降情況。

2 結(jié)果與討論
2.1 基料的選擇
乳液是涂料的主要成膜物，乳液的種類及其性能對(duì)涂膜性能起決定性作用。本文選用零VOC 彈性純丙烯酸乳液SF- 018 作基料，這是一種無皂化、核殼結(jié)構(gòu)的乳液，其成膜溫度為0 ℃，無需成膜助劑就能低溫成膜，涂膜具有優(yōu)異的機(jī)械強(qiáng)度、延伸抗裂性和耐水耐沾污性。調(diào)溫調(diào)濕抗菌內(nèi)墻涂料涂膜的耐洗刷性、耐沾污性與吸、放濕量是一對(duì)矛盾，乳液用量大時(shí)涂膜耐洗刷性較好，但吸放濕性能降低，通過試驗(yàn)尋找1 個(gè)平衡點(diǎn)確定乳液的最佳添加量，試驗(yàn)結(jié)果見表2。
表2 乳液用量對(duì)涂膜主要性能的影響

可知，隨著乳液用量的提高，涂膜的調(diào)濕性能明顯降低，而耐洗刷性和耐沾污性提高，這是因?yàn)槿橐河昧吭黾邮雇磕さ闹旅芏壬仙?。?dāng)純丙乳液SF- 018的用量達(dá)到25%左右時(shí)，能夠取得涂膜調(diào)濕性與耐洗刷性的較好平衡。

2.2 調(diào)濕材料的選擇[1]
適用于水性調(diào)濕涂料的材料有聚丙烯酸鹽類吸水性樹脂和輕質(zhì)開孔結(jié)構(gòu)的無機(jī)物（如硅藻土、沸石粉、海泡石粉、膨脹珍珠巖等）2 種。通過對(duì)上述無機(jī)開孔材料進(jìn)行飽和吸濕性能測(cè)試得出：硅藻土和沸石粉的吸濕能力最強(qiáng)，其飽和吸濕量可達(dá)到15%～16%，海泡石吸濕量不足5%。通過試驗(yàn)，最終調(diào)濕材料選擇m 硅藻土∶m 海泡石粉∶m 高吸水性樹脂=15∶1∶0.03 配合使用。
2.2.1 硅藻土的性能及影響
硅藻土是由單細(xì)胞低等水生植物硅藻的遺骸堆積而成，是一種含水二氧化硅（SiO2·nH2O）礦物，外觀為白~ 灰白色或米黃色粉末，密度小而松散，具有獨(dú)特有序的微孔結(jié)構(gòu)且孔道相互連通，空隙率達(dá)到85%以上，比表面積達(dá)53.8 萬cm2/g，吸水能力強(qiáng)、彈性模量高、微粒質(zhì)硬、強(qiáng)度高、耐劃痕性能強(qiáng)，且耐酸、防腐、不燃、分散性好，并有良好的保溫隔熱性和火山灰性能。尤其是經(jīng)600～800 ℃煅燒、磨細(xì)后的硅藻土，具有較大的孔容（1.34 mg/g）和內(nèi)比表面積，極強(qiáng)的吸附性能和反應(yīng)活性。以其為填料制備的內(nèi)墻涂料其涂層具有保溫隔熱、調(diào)節(jié)濕度、吸附有毒氣體、防結(jié)露和降噪等性能。在配方中其他因素不變的條件下，改變硅藻土的添加量檢測(cè)對(duì)涂層主要性能的影響，見表3。
表3 硅藻土的用量對(duì)涂層主要性能的影響

可知，在涂料配方中，隨著硅藻土用量的增加，涂層的吸、放濕量相應(yīng)增加，耐洗刷性逐步下降，導(dǎo)熱系數(shù)降低、保溫隔熱性提高。當(dāng)硅藻土選取20%左右時(shí)，其涂層的調(diào)濕性、耐洗刷性及保溫隔熱性能達(dá)到較好的平衡。
2.2.2 高吸水性樹脂的性能及影響
高吸水性樹脂由丙烯酸、丙烯酰胺、交聯(lián)劑N，N-亞甲基雙丙烯酰胺經(jīng)過硫酸鉀引發(fā)反應(yīng)而成，具有吸濕膨脹、放濕還原、高吸水、高放水、高增稠和水分遷移等特性。在涂料配方中其他因素不變的條件下，添加不同量高吸水性樹脂，檢測(cè)涂層性能，結(jié)果見表4。
表4 高吸水性樹脂用量對(duì)涂層性能的影響

隨著高吸水性樹脂用量的增加，吸、放濕量相應(yīng)提高，說明調(diào)濕性能提高，但是耐洗刷性卻逐漸降低，說明涂層的耐水性下降；導(dǎo)熱系數(shù)逐漸上升，說明涂層的保溫隔熱性下降。由于高吸水性樹脂中含有極性較強(qiáng)的羧基，在堿性條件下羧酸鹽電解質(zhì)基本處于完全電離狀態(tài)，離子電荷相互排斥，分子充分伸展，吸水性較大，故其用量增加，吸放濕量增加，但同時(shí)也會(huì)引起涂層膨脹，降低了耐洗刷性；涂層內(nèi)含水量增加，導(dǎo)熱系數(shù)勢(shì)必會(huì)升高，保溫隔熱性下降。另外高吸水性樹脂對(duì)涂料有增稠作用，當(dāng)用量過高時(shí)涂料黏稠，施工困難。
2.2.3 海泡石的性能及影響
海泡石是一種天然黏土礦物，屬于富鎂型層鏈狀硅酸鹽，灰白色，呈針束狀，內(nèi)部多孔且孔隙相通，表面有凹槽，相對(duì)密度小，吸附性和水化性強(qiáng)，但吸水后不膨脹。在調(diào)濕涂料中加入適量的海泡石粉，不但會(huì)增進(jìn)涂層的吸放濕性，同時(shí)還有增稠作用，可有效地提高涂料的懸浮性、觸變性、貯存穩(wěn)定性；海泡石粉的針狀及表面凹槽結(jié)構(gòu)有利于其在涂層中異向分布、凹槽咬合、交聯(lián)，以改善涂層的物理性能。適宜用量應(yīng)在0.5%～1.5%范圍。
2.3 定型相變材料的調(diào)溫效果
將相變儲(chǔ)能材料與合適的基體材料復(fù)合制成定型相變材料，利用基體對(duì)相變材料的支撐、束縛作用，可使固- 液相變材料在相變過程中宏觀上不流動(dòng)，從而解決其泄漏問題[2]。目前，定型相變儲(chǔ)能材料的制備主要通過物理和化學(xué)方法，將相變材料與微膠囊、多孔材料、層狀硅酸鹽、聚合物等材料復(fù)合，形成儲(chǔ)能密度高、熱性能穩(wěn)定、傳熱性良好的儲(chǔ)能材料，極大地?cái)U(kuò)展了固-液相變材料的實(shí)際應(yīng)用潛力。本文自制的定型相變材料是采用2 種有機(jī)相變材料復(fù)合成相變溫度為23℃、潛熱為104 kJ/kg 的材料，在一定溫度和負(fù)壓條件下將其吸附于無機(jī)多孔材料的孔隙中，再用有機(jī)樹脂進(jìn)行包覆處理而成。將適量定型相變儲(chǔ)能材料加入調(diào)濕內(nèi)墻涂料中，可制備成調(diào)溫調(diào)濕內(nèi)墻涂料。為了確定定型相變儲(chǔ)能的最佳添加量，采用自然環(huán)境溫度變化下的模擬方法進(jìn)行試驗(yàn)：將定型相變材料含量分別為0（1#）、6%（2#）、8%（3#）、10%（4#） 的調(diào)溫調(diào)濕內(nèi)墻涂料樣品，分別刮涂于向陽面得同一墻面上，面積為1.5 m×1.5 m，厚度為1 mm，并分別標(biāo)為1#、2#、3#、4# 樣板。選擇白天最高氣溫為30℃、夜間最低氣溫為18℃的晴天，分別在15：00 和5：00 時(shí)測(cè)試樣板的表面溫度，檢驗(yàn)不同摻量定型相變材料的吸熱、放熱效果，結(jié)果見表5。
于試驗(yàn)房間的內(nèi)墻面，在調(diào)濕內(nèi)墻涂料中加入定型相變儲(chǔ)能材料，當(dāng)環(huán)境溫度≥相變溫度（23 ℃）時(shí)，相變材料由固態(tài)轉(zhuǎn)變?yōu)橐簯B(tài)，吸收熱量并將熱能儲(chǔ)存起來，隨著定型相變儲(chǔ)能材料用量的增加，由于相變潛熱總量的增加，吸收、貯存的熱量增多而使樣板表面溫度下降，當(dāng)定型相變材料摻量為10%時(shí)，15：00 的表面溫度降低了5 ℃，而在5：00 時(shí)，由于氣溫低于相變材料的相變溫度，相變材料已由液態(tài)轉(zhuǎn)變成固態(tài)，其貯存的熱量經(jīng)過一夜的散發(fā)，表面溫度仍比對(duì)照高2.5 ℃。由此證明，定型相變材料有優(yōu)良的調(diào)溫、控溫效果。在調(diào)濕內(nèi)墻涂料配方中，定型相變材料選取9%摻量制備成調(diào)溫調(diào)濕內(nèi)墻涂料，將其刮涂涂層厚度為1 mm。按照調(diào)溫調(diào)濕模擬試驗(yàn)方法，考察樣板間和對(duì)照間室內(nèi)溫度濕變化情況，并計(jì)算節(jié)能率，結(jié)果見表6。

當(dāng)室內(nèi)溫度26℃、相對(duì)濕度為65%，恒溫5 h 后關(guān)閉空調(diào)機(jī)，5 h 后室內(nèi)溫度樣板間比對(duì)照間高2℃、相對(duì)濕度低2%；10 h 后樣板間比對(duì)照間溫度高3.5℃、相對(duì)濕度高12%；15 h 后溫度高2℃、相對(duì)濕度高9%。關(guān)閉空調(diào)機(jī)15 h 后，樣板間從26.2℃下降至17.0℃，降低了9.2℃，相對(duì)濕度下降了29%，而對(duì)照間降低了11.3℃相對(duì)濕度降低了83%。室內(nèi)保持20℃以上時(shí)間樣板間為10 h，對(duì)照為5 h。說明添加定型相變材料的涂料其涂層的調(diào)溫控溫及調(diào)濕效果明顯。
按照公認(rèn)的環(huán)境溫度每升高1 ℃需多耗電能10%計(jì)算，試驗(yàn)樣板間比對(duì)照間節(jié)省電能消耗為2.0×10%=20%。
2.4 抗菌劑的選擇及其作用
目前抗菌涂料用抗菌劑主要有三大類：天然抗菌劑、有機(jī)抗菌劑和無機(jī)抗菌劑。其中無機(jī)抗菌劑在安全性、持久性、廣譜抗菌性及耐熱性等方面都優(yōu)于前者。無機(jī)抗菌劑可分為金屬離子型和氧化型2 種，本文選用氧化型中納米TiO2/ZnO 抗菌劑，這是一種經(jīng)過稀土激活的納米材料。
納米TiO2/ZnO 具有光催化作用，其抗菌機(jī)理是：
在空氣和水體系中，納米TiO2/ZnO 在陽光及燈光紫外線（UV）的照射下，能帶結(jié)構(gòu)中價(jià)帶電子會(huì)被激發(fā)到導(dǎo)帶上，在導(dǎo)帶和價(jià)帶上分別產(chǎn)生電子（e-）和空穴（h+）。電子（e-）與吸附在納米TiO2/ZnO 表面上的O2 及空穴（h+） 與吸附在納米TiO2/ZnO 表面上的H2O 分別生成具有強(qiáng)氧化和分解能力的超氧離子自由基（·O2-）和羥基自由基（·OH）。它們能夠?qū)⒓?xì)菌內(nèi)的有機(jī)物直接氧化成CO2、H2O 等無機(jī)小分子，從而起到殺菌作用。其中納米ZnO 在無光照條件下，對(duì)細(xì)菌、霉菌、微生物也有很強(qiáng)的殺滅作用。試驗(yàn)證明，當(dāng)納米TiO2/ZnO 的用量達(dá)到0.5%左右時(shí)，制備的調(diào)溫調(diào)濕抗菌內(nèi)墻涂料的殺菌率達(dá)到99.5%。
2.5 產(chǎn)品性能
調(diào)溫調(diào)濕抗菌內(nèi)墻涂料的性能指標(biāo)見表7。

3 結(jié)語
調(diào)溫調(diào)濕抗菌內(nèi)墻涂料由零VOC 純丙乳液為基料，鈦白粉、硅藻土、海泡石粉為顏填料、以定型相變儲(chǔ)能材料為調(diào)溫填料、以吸水性樹脂為吸濕輔助材料、以納米TiO2/ZnO 為殺菌劑，在多種助劑的配合制備而成。涂層除完全符合GB/T 9756—2001 規(guī)定的各項(xiàng)指標(biāo)外，還具有調(diào)溫控溫、節(jié)能環(huán)保、吸濕放濕、調(diào)濕防結(jié)露、殺滅細(xì)菌霉菌等功效，可廣泛應(yīng)用于居室、教室、辦公室、醫(yī)院等內(nèi)墻涂裝。