氧化鋁纖維在建筑乳膠涂料中的應用

　　摘要：以氧化鋁纖維氈經剪切、分散、除雜 及改性后，制得穩定的含氧化鋁纖維懸浮液的建筑乳膠涂料，經性能測試涂層硬度，耐沾污性和耐 擦洗性等有很大提高，涂料體系的觸變性、儲存穩 定性也有明顯改善。


　　關鍵詞；氧化鋁纖維；懸濁液；乳膠涂料

　　氧化鋁纖維是高性能的無機纖維，它不僅具有 強度高、模量大、熱導率小、熱膨脹系數低、耐熱性和耐高溫氧化性能好等優點，而且表面活性好，易與樹脂、金屬、陶瓷基體復合，形成諸多性能優異、應用廣泛的復合材料。在航天、軍工及高新科技領域中，氧化鋁纖維多用于增強復合材料和高溫耐熱材料。


１實驗部分

１． 1 主要原料及設備

    (1) 主要原料。氧化鋁纖維氈 ( 湖南科發窯爐公 司 ) ，主要用作陶瓷窯爐的保溫隔熱材料；表面活性劑：十二烷基苯磺酸 ~(DBS) ，化學純；基料：硅丙乳液 ( 北京互益公司 ) ；顏填料：重質碳酸鈣、金紅石型鈦白粉、滑石粉、硅灰石 ( 北京國利微粉公司 ) ；涂料助劑：乙二醇、分散劑、成膜助劑、流平劑、消 泡劑、增稠劑 ( 羅門哈斯、漢高、海川等公司提供 ) 。


    (2) 設備。 DJ-1 電動攪拌器， AR1 140 電子天 平， CFJ-0 ． 4 高速剪切分散儀， ZK072 電熱真空干 燥箱， OLYMPUS-BX51 偏光顯微鏡， QBY 一Ⅱ擺桿式漆膜硬度計， NDJ-1 型旋轉粘度計， C84-II 反射率儀， JTX — II 耐洗刷儀等。


１.2 氧化鋁纖維的制備與涂料配方

１.2.1 氧化鋁纖維氈的預處理及氧化鋁纖維的制備

    將氧化鋁纖維氈浸入水中，高速剪切 30min ，將棉絮狀纖維切散分開，并分離纖維包雜的氧化鋁微粒過 16 目篩，保留篩上物，再將篩上物化漿、過篩 (2 ～ 3) 次，充分除去氧化鋁微粒以得到較純的氧化鋁纖維。將除雜洗滌后的氧化鋁纖維分散在含有配方要求的 DBS 量的水中，呈懸濁狀，鋇 4 量其固含量，作為計算涂料配方的依據。


１． 2 ． 2 涂料配方及制備

    將涂料配方列于表 1 中。按表 1 配比，先將含氧化鋁纖維的懸濁液加入到分散罐中，在低速攪拌下依次加入分散劑、重質碳酸鈣、鈦白粉、滑石粉和硅灰石進行初步混合，然后高速剪切分散 (40 — 50)min ，最后再在低速攪拌下加入硅丙乳液、成膜助劑和增稠劑及流平劑等，即得到含氧化鋁纖維復合乳膠涂 料。


    能否將氧化鋁纖維應用于建筑涂料體系，使所研制的涂料的涂層強度得以增強、耐污性及其它性能得以改善，這是涂料工作者非常感興趣的。目前鮮見用無機纖維以增強涂層強度及改善涂料其它輔助效應的文獻資料。本文通過一定的分散方法，將用于陶瓷窯爐保溫的氧化鋁氈引用于涂料體系，制備了含氧化鋁纖維的復合涂料，并評價了該涂料涂層的硬度、耐沾污性、耐擦洗性以及涂料體系 的觸變性、存儲穩定性等性能，討論了氧化鋁纖維的應用效果，并分析了氧化鋁纖維用量對涂料性能的影響，從而給出了一種價廉有效的增強涂層強度的途徑。

２ 結果與分析

２． 1 氧化鋁纖維除雜及改性分析

     所用的氧化鋁纖維氈呈棉絮狀，其間夾雜了一些氧化鋁微粒，除去氧化鋁微粒，分散氧化鋁纖維是 實驗工作的關鍵步驟。

     圖 1 是氧化鋁剪切除雜前后懸濁液的偏光顯微鏡照片。


     從圖 I 表明，處理前的氧化鋁纖維呈簇狀，其間夾雜著近球形和橢圓形的氧化鋁粒子。將氧化鋁氈浸入水中，進行高速剪切，這既可將纖維打散，將夾 雜于其中的氧化鋁粒子分離，也可把一些長纖維剪短切斷，使纖維長度大致具有一致性。從處理后的氧 化鋁懸濁液照片看，未見氧化鋁球形顆粒，各纖維呈單根狀，分散均勻。


     此外，氧化鋁雖然是一種親水性固體，但置于水中因重力的作用會很快下沉，那么氧化鋁纖維就可 能會影響涂料的穩定性。為了在涂料體系中更好地 發揮氧化鋁纖維的作用，需要對其進行分散和有機化改性，以提高其懸浮穩定性。


     將氧化鋁纖維氈的高速剪切分散，是一種較為有效的方法，如前所述，高速剪切分散可切斷長纖維，增大表面能，減小長纖維因重力的沉降趨勢，提高其 懸浮性。在含有 0 ． 01 mol ／ L 的陰離子表面活性劑 DBS 溶液中，通過控制體系的 pH 值，利用 DBS 在 Al2O3 ／水界面上的靜電吸附，可實現對氧化鋁纖維 的改性。改性后的氧化鋁纖維由于 DBS — Al2O3 表面有疏水基團，纖維表面具有一定的憎水性，可抵消纖維因重力的下沉趨勢，從而提高其在水中的分散穩定性。


     為檢驗氧化鋁的改性分散效果，將分散改性前 后 5 ％氧化鋁懸濁液各 100mL 分別注入量筒中于室溫下靜置， 1 2h 后發現，未分散改性的氧化鋁懸濁液固液分離明顯，氧化鋁大部分聚沉，上層清液達到 36mL ；而分散改性后的懸濁液，由于氧化鋁表面較 強的疏水性，故大部分氧化鋁因具有較大的表面張 力而使其在水溶液中漂浮不沉，上層清液只有 3mL 左右。


２． 2 涂膜硬度

     按照表 l 給出的涂料配方，通過控制懸濁液中氧 化鋁纖維的加入量，制得氧化鋁纖維質量分數分別為 O ％， 0 ． 05 ％， 0 ． 1 ％， 0 ． 2 ％， 0 ． 35 ％， 0 ． 5 ％的涂料 試樣，經涂覆各種試板后檢測其各項性能。


    作為高強度、高模量的氧化鋁纖維，本身就常常作為一種補強增韌的填料在樹脂、陶瓷、金屬合金等復合材料中廣泛應用。將氧化鋁纖維應用于乳膠涂料體系，首先要考察它對涂層的增強效果，其涂膜硬度見圖2 。

                   圖 2 氧化鋁用量對涂層硬度的影響

    從圖 (2) 表明：加入氧化鋁纖維的可明顯提高 涂膜硬度，且隨著纖維用量的增加，其硬度逐漸增大。涂層硬度的提高主要得益于氧化鋁纖維在涂層中的增強效應。當其充分攪拌分散后，氧化鋁纖維傾向于形成交錯排列的架狀或網狀結構，并且氧化鋁纖維穿插于涂層的基體之上所形成網絡狀結構，類似于加強筋的作用。所以當引用不同量的氧化鋁纖維后，其涂膜硬度不同程度的提高。


２． 3 涂膜耐沾污性及耐擦洗性

     氧化鋁纖維的用量對涂料體系耐沾污性和耐擦洗性的影響如圖 3 所示。

        圖 3 氧化鋁纖維用量對涂層耐洗性和耐沾污性的影響

      由圖 3 可以看出，氧化鋁纖維用量的增加，涂層耐擦洗性由最初的 20000 多次提升到 30000 多次，涂層的沾污率逐漸下降，即耐沾污性逐漸變好。

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