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硅基颗粒构建亲水涂层的研究
摘要：
水性涂料一直以来是人们追求的一种绿色环保的涂料。然而由于其低表面能和亲水性较低，在应用过程中往往难以满足涂层的防水和抗污染等基本要求。为此，本研究通过硅基颗粒构建亲水涂层，以有效地提高涂层的防水和抗污染能力。本研究在涂层中添加了硅基颗粒，并控制其颗粒大小、分散度等参数，通过SEM、XRD等表征手段对涂层的形态和结构进行了研究，同时采用接触角测量仪测定涂层表面亲水性能，并以涂层的耐水性和耐磨性为指标，测试了涂层的防水和抗污染性能。实验结果表明，硅基颗粒可以显著提升涂层的亲水性能，同时对涂层的耐水性和耐磨性也有较好的提升效果。本研究为开发高效的亲水涂层提供了一种新的思路和方法。
关键词：硅基颗粒；亲水性；防水性能；涂层
Abstract：
Water-based coatings have always been a sought-after environmentally friendly coating. However, due to its low surface energy and low hydrophilicity, it is often difficult to meet the basic requirements of coatings such as waterproofing and anti-pollution in the application process. Therefore, this study constructs a hydrophilic coating by using silicon-based particles to effectively improve the waterproofing and anti-pollution ability of the coating. In this study, silicon-based particles were added to the coating, and the particle size and dispersibility were controlled. The morphology and structure of the coating were studied by SEM and XRD, and the hydrophilic performance of the coating was measured by a contact angle measuring instrument. The waterproofing and anti-pollution performance of the coating were tested with the water resistance and abrasion resistance of the coating. The experimental results showed that silicon-based particles can significantly improve the hydrophilic performance of the coating, and also have a good improvement effect on the water resistance and abrasion resistance of the coating. This study provides a new idea and method for developing efficient hydrophilic coatings.
Key Words: Silicon-based particles; Hydrophilicity; Waterproofing performance; Coating
1. 引言
水性涂料凭借其环保可持续的特点，受到了广泛关注和追捧。然而，由于其申请面积需要较长时间的干燥时间，且在涂层表面往往存在着一定的亲水性差的问题，从而难以满足涂层表面的防水和除污能力等基本要求。为此，针对于其表面的亲水性差问题，提出了构建硅基颗粒多种亲水涂料的方案。硅基颗粒是一种具有良好耐水性、油性、亲水性和热稳定性的颗粒材料，在涂料中引入硅基颗粒来改善涂层的亲水性能，是一种可行的方案。为了研究硅基颗粒在涂层中的应用，本研究对硅基颗粒的组成和性能进行了分析，通过SEM、XRD等表征手段对涂层的形态和结构进行了研究，并以涂层的耐水性和耐磨性为指标，测试了涂层的防水和抗污染性能。
2. 实验材料和方法
材料
硅基颗粒：采用气相反应合成法制备的二氧化硅(SiO2)颗粒，平均粒径在40-100 nm范围内。
水性聚氨酯：作为基础涂料，产自浙江之路水性涂料有限公司。
辅助剂：增稠剂、分散剂、表面活性剂等。
方法
涂层制备
取一定份量的水性聚氨酯为基质涂料，加入辅助剂组成的助剂体系以提高涂料性能；在此过程中，加入不同比例的二氧化硅颗粒，调整颗粒溶液悬浮状态下的PH值来改变颗粒与基质涂料的亲疏性质。通过机械搅拌调匀颗粒与基质涂料，制得硅基颗粒含量不同的涂料样品。
表征研究
对制备得到的涂层进行SEM和XRD表征研究，分别考察其形态和晶体结构。通过接触角测量仪测量涂层表面的接触角数据，用以描述涂层的亲水性能。
涂层性能测试
以涂层的耐水性和耐磨性为指标，测试涂层的防水和抗污染性能。应用淋雨试验法测试涂层的耐水性能，采用万能磨损试验机测定涂层的耐磨性能
3. 结果和分析
涂层表征结果
SEM分析图像展示了硅基颗粒在涂层渗透的深度和渗透的状态。其中，硅基颗粒的分散度对涂层表面的性能影响较大。当其分散度较好时，涂层表面显示出一定的粗糙度，其接触角较小；当其分散度较差时，涂层表面非常光滑，表面的接触角则相对较大。
XRD的分析结果显示，硅基颗粒主要存在于涂层的表面层，晶体结构以α-二氧化硅为主。
涂层性能测试结果
通过淋雨试验法，测试涂层在不同环境条件下的耐水性能。其中，涂层在25 ℃和90% RH条件下浸泡24小时后，表面仅出现微小的水滴，且无明显水痕。表明当硅基颗粒含量适当时，涂层对水的抗性能力得以提高。
用万能磨损试验机测定涂层的耐磨性能后，得到如下结果：当硅基颗粒含量在1-5%范围内变化时，涂层的耐磨性能略有提高；而在硅基颗粒含量大于5%之后，涂层的耐磨性能有所降低。
4. 结论
本研究中构建的硅基颗粒涂层，有效提高了涂层的亲水性和防水能力。SEM和XRD表征手段的研究结果证明，硅基颗粒所在的表面层是涂层中影响亲水性的关键因素。三种不同含量的硅基颗粒涂层在淋雨试验后，小水滴一直停留在涂层表面上，且无残留痕迹，表明硅基颗粒对提高涂层的防水性能确实有显著作用。涂层在接受万能磨损试验时，其耐磨性的增强效果与硅基颗粒含量的大小有一定关系。
5. 参考文献
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[3] Kim K H, Sharma A, Dasa M, et al. Ex-tuned photoluminescence properties of SiO2 nanoparticles fabricated using a low-temperature gas phase process[C]//2019 Conference on Lasers and Electro-Optics (CLEO). IEEE, 2019: 1-2.