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氧化铝纤维是一种高性能无机纤维,不仅具有强度高、模量大、导热系数小、热膨胀系数低、耐热性好、耐高温氧化等优点,而且具有良好的表面活性,易于与树脂复合,金属与陶瓷基体,形成多种性能优异、应用广泛的复合材料。在航空航天、军事工业和高新技术领域,氧化铝纤维主要用于增强复合材料和高温耐热材料。
氧化铝纤维能否应用于建筑涂料体系中,提高涂料的强度、耐沾污性等性能,对涂料工作者有着重要的意义。目前,利用无机纤维增强涂层强度和改善涂层的其它辅助效果的方法还不多见。本文采用一定的分散方法,将陶瓷窑炉保温用氧化铝毡引入涂料体系,制备了含氧化铝纤维的复合涂料。评价了涂层的硬度、耐沾污性、耐擦洗性、触变性和贮存稳定性。讨论了氧化铝纤维的应用效果,并对氧化铝纤维进行了分析
(1) 主要原材料。氧化铝纤维毡(湖南科发窑炉公司)主要用于陶瓷窑炉保温材料;表面活性剂:十二烷基苯磺酸(DBS),化学纯;基材:硅丙乳液(北京互惠公司);颜填料:重质碳酸钙、金红石二氧化钛、滑石粉,硅灰石(北京国力微粉有限公司)涂料添加剂:乙二醇、分散剂、成膜剂、流平剂、消泡剂、增稠剂(罗门哈斯、汉高、海川等提供)。
(2) 设备。DJ-1电动搅拌机、AR1 140电子天平、cfj-0.4高速剪切分散机、zk072电动真空干燥箱、olympus-bx51偏光显微镜、qby-ii摆杆漆膜硬度计、NDJ-1旋转粘度计、c84-ii反射计、jtx-ii耐洗性试验机等
将氧化铝纤维毡浸入水中,高速剪切30min,将棉状纤维切成碎片,将纤维覆盖的氧化铝颗粒分离,通过16目筛网,将内容物留在筛网上,然后将理化浆置于筛网上,通过筛网(2-3)次,完全去除氧化铝颗粒以获得纯氧化铝纤维。将除杂洗涤后的氧化铝纤维以悬浮液的形式分散在水中,以配方要求的DBS用量,以钡的固含量作为计算涂层配方的依据。
涂料配方见表1。根据表1的比例,先将含有氧化铝纤维的悬浮液加入分散槽中,然后在低速搅拌下依次加入分散剂、重质碳酸钙、二氧化钛、滑石粉和硅灰石进行初步混合,最后进行高速剪切分散(40-50)min,最后将含有氧化铝纤维的悬浮液通过低速添加硅胶乳、成膜剂、增稠剂和流平剂,制备出含氧化铝纤维的复合乳胶漆。
使用的氧化铝纤维毡是棉状的,里面有一些氧化铝颗粒。去除氧化铝颗粒和分散氧化铝纤维是实验的关键步骤。
此外,氧化铝虽然是一种亲水性固体,但由于重力的作用,在水中会迅速下沉,因此氧化铝纤维可能会影响涂层的稳定性。为了更好地发挥氧化铝纤维在涂料体系中的作用,必须对氧化铝纤维进行分散和有机改性,以提高其悬浮稳定性。
氧化铝纤维毡的高速剪切分散是一种有效的方法。如前所述,高速剪切分散可以切断长纤维,增加表面能,减少长纤维由于重力的沉降趋势,改善其悬浮性。在含有0.01mol/L阴离子表面活性剂DBS的溶液中,通过控制体系的pH值,利用DBS在Al2O3/水界面上的静电吸附作用,可以实现对氧化铝纤维的改性。由于dbs-al2o3表面具有疏水基团,改性后的氧化铝纤维表面具有一定的疏水性,可以抵消纤维在重力作用下的下沉趋势,提高其在水中的分散稳定性。
为了测试改性氧化铝的外墙保温承包施工合同分散效果,分别将分散改性前后的5%氧化铝悬浮液100ml注入量筒中,置于室温下。12h后发现,非分散改性氧化铝悬浮液固液分离明显,大部分氧化铝被浓缩,上清液为36ml,但分散改性氧化铝悬浮液由于疏水性强,表面相对较小,由于氧化铝表面张力高,大部分在水溶液中漂浮,上清液只有3ml左右
根据表1给出的涂层配方,通过控制悬浮液中氧化铝纤维的加入量,制备了氧化铝纤维质量分数分别为0%、0.05%、0.1%、0.2%、0.35%和0.5%的涂层样品,并对其进行了不同试板的涂层后性能测试。
氧化铝纤维是一种高强度、高模量的氧化铝纤维,常用作树脂、陶瓷、金属合金等复合材料的增强增韧填料。氧化铝纤维应用于乳胶涂料体系时,首先要研究氧化铝纤维对涂料的增强作用,涂层硬度如图2所示。
图(2)表明,加入氧化铝纤维可以提高涂层的硬度,且硬度随纤维含量的增加而逐渐增加。涂层硬度的提高主要是由于涂层中氧化铝纤维的增强作用。当充分搅拌分散时,氧化铝纤维往往形成交错的骨架或网状结构,氧化铝纤维在涂层基体上互穿形成的网状结构类似于加强筋的作用。因此,当氧化铝纤维用量不同时,涂层的硬度有不同程度的提高。
由图3可以看出,随着氧化铝纤维含量的增加,涂层的耐擦洗性由最初的2万次提高到3万次,涂层的污染率逐渐降低,即耐沾污性逐渐提高。
由前文分析可知,引入氧化铝纤维形成的交错重叠网络结构,有利于乳胶粒子与颜填料的更紧密结合,有利于聚合物界面分子链在网络结构中的相互扩散、渗透和缠绕,提高了成膜后涂层的密度和强度。良好的密度可以抵抗污染物对涂层的侵蚀,高强度可以提高涂层的耐擦洗性能。
乳胶涂料体系的触变性对其生产、加工、贮存稳定性和施工有很大影响。通过控制乳胶涂料触变指数在一定范围内(一般为1.5-3.5),不仅可以避免乳胶涂料在贮存过程中的沉淀现象,而且可以很好地解决乳胶涂料施工中的流平与下垂矛盾,达到综合平衡在某些条件下[7-8](见图4)。
由图4可以看出,引入乳胶涂料体系后,氧化铝纤维的触变性得到了一定程度的调整。随着氧化铝纤维的加入,涂层的触变指数逐渐增大。这是因为当氧化铝纤维通过搅拌分散在涂层系统中时,它们倾向于形成交错的网状结构。由于氧化铝纤维之间的作用力较小,这种结构可能会被破坏而形成一种新的结构,如平行排列,当外力消除时,氧化铝纤维加入越多,网络结构越强,涂层越触变
与涂料体系触变性的提高相比,氧化铝纤维乳胶涂料贮存后的析水性相应降低,即贮存稳定性更好。这主要是由于氧化铝纤维在涂料体系中形成的网状结构,增加了颜料颗粒相互碰撞的空间电位电阻。触变指数越高,网络结构越强,空间电位电阻越大,颜料粒子聚集沉淀的概率越小,颜料的稳定性越高。
结果表明,氧化铝纤维的分散性越好,即氧化铝纤维在水中的悬浮性越好,涂层的贮存稳定性越好。
图4还表明,在水分演化曲线中存在一个临界值,即0.35%纤维含量涂层的水分演化最小;当纤维含量增加到0.5%时,水分略有演化。这可能是由于氧化铝纤维用量过大时出现的团簇现象,或是由于氧化铝纤维用量过大导致改性效果差或自身结构和自身重力不足,导致部分氧化铝纤维出现不同程度的沉降。纤维越长,越容易团聚,越容易使纤维间的色素颗粒缠结或吸附,与长纤维一起沉淀,从而产生水的析出现象。
在GB/T9755-2001合成树脂乳液外墙涂料的基础上,对氧化铝纤维含量为3.5%的复合乳胶漆进行了涂刷性能、冻融性能、耐水性、耐碱性和耐老化性能的测试。试验结果表明,样品各项指标均达到或超过国家技术要求提出的优质指标。可见,氧化铝纤维复合乳胶涂料具有优异的综合性能。
将经过除杂分散改性后的氧化铝纤维悬浮液应用于建筑乳胶涂料中,可显著提高涂料的硬度、耐沾污性和耐擦洗性;涂料的触变性和贮存稳定性也有相应的改善;当氧化铝纤维含量为0.35%时,涂层材料的综合应用效果最佳。