随着节能减排政策的提出,人们的环境保护意识不断加强,有关部门也逐步建立起一系列与国际接轨的环保法规。涂料市场因此发生极大改变,由于传统涂料对环境与人体健康都有不利的影响,所以相关人员都致力于研究和开发环境友好型涂料。而纳米材料凭借其优异的纳米级特性,在涂料改性方面的应用也越来越广泛。本文从纳米材料在涂料改性方面的研究现状,论述了涂料行业近几年研究的热点,并列举了一些无机纳米材料用于涂料改性方面的典型实例。结合课题组前期研究的结果,从理论上阐述了天然植物纤维微/纳米纤丝用于涂料改性的可行性。天然植物纤维微/纳米纤丝改性的家具用涂料,对于涂层的耐磨性、耐划伤性、柔韧性等基本性能将会有很大的改善。由于市场对绿色环保型涂料的需求不断增加,基于天然纤维微/纳米纤丝材料的高强度、高硬度、低密度、在水溶液中悬浮分散性好、可生物降解等特点,将其作为家具用水性涂料的增强改性材料在未来将会有很大的发展空间。
1纳米材料在涂料改性方面的研究现状
纳米材料具有表面效应、小尺寸效应、量子尺寸效应、光学效应等特殊性质,可以赋予材料新的特殊功能。将无机纳米材料用于涂料改性方面的研究国内外报道很多,也是涂料行业近几年研究的热点。
陈中华等介绍了一种高硬度单组分自交联水性木器涂料的配方设计,通过水性丙烯酸树脂和水性聚氨酯树脂复配,对多种成膜助剂进行优化选择,再加入水性纳米氧化铝浆料,利用纳米材料特性,在保证透明性和光泽的同时,提高了涂料膜的硬度。
颜家振等在金红石型纳米TiO2对白色木器面涂料抗老化性能影响的研究中发现,TiO2粉体在紫外区能分别反射与吸收95%、70%的紫外光,应用纳米粉体于丙烯酸树脂木器涂料中,结果证明复合纳米涂料能有效阻止基体树脂的氧化,延长涂料使用寿命,而且改性能力与纳米粉体的加入量基本呈一定比例关系。
金祝年等采用内乳化法在聚氨酯主链引入亲水基形成自乳化水性聚氨酯分散体,选用多元胺作为扩链剂,选择添加1%以下的阴离子羟基硅油微乳液,以SiO2为载体基的纳米银化合物作为水性木器涂料的抗菌粉,制成纳米水性环保健康涂料,使之具有较强的吸附甲醛和抗菌的作用。
Hsu-ChiangKuan等[5]合成了一种纳米碳管/水性聚氨酯纳米复合材料,这种水性聚氨酯乳液储存稳定,胶膜的热稳定性提高了26℃,拉伸强度提高了370%,拉伸模量提高了170.6%。
赵石林等采用水性聚氨酯树脂与纳米SiO2,通过共混法制备水性纳米UV屏蔽透明涂料。刘红波等在紫外光固化木器涂料体系中引入无机纳米抗菌剂,得到了一种既有良好理化性能又具有抗菌性的纳米复合涂料,其理化性能符合紫外光固化木器涂料行业标准,对大肠埃希氏菌和金黄色葡萄球菌的抗菌率超过99%。
国内外学者近些年来对天然纤维增强热塑性树脂材料的性能研究较多,而将天然植物纤维微/纳米纤丝用于涂料改性方面的研究几乎未见报道。本文结合前期研究的结果论述天然植物纤维微/纳米纤丝用于涂料改性的可行性。
2天然纤维微/纳米纤丝改性家具用涂料的前景
2.1天然微/纳米纤丝的分离方法
微/纳米纤丝一般被认为是植物纤维中最小的结构单元,它由成束的高强度和高弹性模量的纤维素分子链组成,并且密度低,机械性能好,因而有可能替代部分玻璃纤维、碳纤维和其他的合成纤维作为增强相来合成可生物降解的纳米复合材料。据报道,纤维素微/纳米纤丝的杨氏模量为130~150GPa,拉伸强度达到10GPa。分离微/纳米纤丝的方法主要有两种:一种是化学方法,主要是通过强酸水解;另一种是机械方法,主要包括高能超声波处理[11-13],高压纳米均质机处理[14-19],高压研磨处理[20],微流化处理。经化学方法处理得到的产物被称作纤维素晶须或纤维素纳晶。然而,经机械方法分离得到的产物被定义为纤维[FS:PAGE]素微纤丝或微纤丝化纤维素。
2.2天然纤维微/纳米纤丝改性高分子材料的应用研究
Cheng等利用微/纳米纤丝作为增强材料,分别制备了聚丙烯和聚乙烯醇纳米复合材料,并对材料的力学性能进行了评价。添加了微/纳米纤丝的纳米复合材料的拉伸性能均有不同程度的提高。Svagan等利用漂白针叶材浆制备的纤维素纳米晶须增强淀粉得到了高性能纳米复合材料,随着纳米晶须含量增加,纳米复合材料的水汽扩散率显著下降。Qua等将亚麻纤维和微晶纤维素经化学-机械联合法制得的纤维素纳米晶须作为增强材料与聚乙烯醇水凝胶共混,制得的纳米复合材料的热学性能和机械性能均有显著提高。Omrani等的研究发现,纤维素纳米晶须的添加量对热固性环氧树脂的固化有很大影响。在低添加量的改性环氧树脂中表现出很好的固化动力学特征和热机械性能。Nakagaito等利用一种新方法制备了微晶纤维素高添加量增强酚醛树脂复合材料。研究表明,当微晶纤维素添加量达60%时,复合材料具有极低的热膨胀系数。
本课题组在前期的研究中,将稻秸微/纳米纤丝作为增强材料填充到聚丙烯(PP)基体中制备了稻秸微纳米纤丝/聚丙烯纳米复合材料,探讨了稻秸微/纳米纤丝以及改性剂(马来酸酐接枝聚丙烯)的不同添加量对于复合材料拉伸性能的影响。研究结果表明:稻秸微/纳米纤丝的添加对复合材料的拉伸性能和弹性模量均有一定的改善。在一定条件下,稻秸微纳米纤丝与热塑性树脂具有很好的相容性。
在前期对热塑性塑料增强改性研究的基础上,本课题组通过对添加了一定比例的天然纤维微/纳米纤丝的三聚氰胺浸渍液与未处理的浸渍液进行对比研究发现,添加了天然纤维微/纳米纤丝的三聚氰胺浸渍液固化后的耐磨性,硬度等指标均有较大程度的提高,龟裂现象明显减小。
2.3天然纤维微/纳米纤丝改性涂料的理论依据
基于上述天然纤维微/纳米纤丝对于几种高分子材料性能的改善均有一定的作用,而涂料也属于高分子材料,其种类繁多。天然纤维微/纳米纤丝对于涂料的改性,首先要确定对于哪种类型的涂料改性是有利的。涂料按挥发分特点可分为溶剂型涂料、无溶剂涂料、水性涂料与粉末涂料等。
溶剂型涂料是指涂料组成中含大量有机溶剂,依靠其中的有机溶剂挥发而干燥成膜。一类如早期的醇酸漆等,加入有机溶剂便于涂刷,涂层较厚,但干燥成膜速度较慢;另一类如硝基漆,其中含有70%的有机溶剂,黏度较小,适于喷涂,但涂层较薄,需多次喷涂。溶剂挥发型涂料成膜速度快,但因有有机溶剂挥发对环境造成一定污染。
无溶剂型涂料多为主要成膜物质与固化剂之间发生化学反应交联固化成膜的涂料,一般是双组分(主剂与固化剂)或三组分(主剂、固化剂与稀释剂),施工时要求即混即用。这类涂料涂膜较饱满,固化时根据涂料组成不同也会有不同的要求,如单组分聚氨酯漆在高气温、大湿度条件下可快速固化,不饱和聚酯漆又分为气干型和厌氧固化两种。但有些涂料(如聚氨酯涂料)施工时有一定毒性,要求通风良好,被涂部件表面必须干燥,但固化成膜后对环境与人体均无害。水性涂料以水作溶剂或分散剂,代替了溶剂型涂料中易燃、易爆、对人体与环境有害的有机溶剂,因此,这类涂料无毒环保、不含苯类等有害溶剂、不含游离TDI;施工简便、漆膜手感好;耐水性好、不燃烧;可与乳胶漆等其他涂料同时施工。这类涂料成膜方式分为自干型和强制干燥型(如交联固化和紫外光固化等)。粉末涂料是粉末状的涂料,没有溶剂,多用于建筑领域。
综上所述,根据涂料的挥发份特点,应将研究重点放在水性涂料。这是因为,水性涂料是以水作为溶剂或分散剂,而天然纤维微/纳米纤丝的制备通常是在水相中进行,这样做的最大目的就是避免微/纳米纤丝的团聚,使其便于保存。因此将其用于水性涂料上将更有利于其均匀分散和改性的目的。天然微/纳米纤丝可生[FS:PAGE]物降解,其纤丝表面的活性基团更易与同类木质、非木质等生物质材料之间产生结合。
涂料成膜是其发挥功能的前提。因此,涂层的强度(压缩、拉伸、断裂等)、柔韧性、耐冲击性、硬度、弹性、耐高低温循环性、耐磨性和耐划伤性等也是不可缺少的性能要求。成膜物是涂料的基础成分,它将所有涂料组分黏结在一起形成整体均一的涂层或涂膜,同时对底材或底涂层发挥润湿、渗透和相互作用而产生必要的附着力,并基本满足涂层的性能要求。成膜物也有热塑性和热固性树脂成膜物之分,而改善成膜树脂的脆性,研制高固体含量、低有机挥发物及无溶剂型涂料,也是环境友好型涂料发展方向之一。天然纤维微/纳米纤丝改性的家具用涂料,对于涂层的耐磨性、耐划伤性、柔韧性等基本性能将会有很大的改善。
3结语
随着中国家具工业的迅速发展,具有中国特色的家具工业体系逐渐形成,家具市场的竞争越来越激烈。与此同时,市场对家具用涂料的需求也不断增加,尤其是绿色环保型涂料的需求更不容忽视。随着纳米技术的兴起,人们将纳米材料应用于涂料[26]。由于纳米材料具有特异的性能,可以大大改善涂料性能,比如高的耐磨性、紫外线屏蔽性、高的表面活性等,因此,开发符合环保要求的高性能品种是现代涂料发展的方向。
天然纤维微/纳米纤丝材料的高强度、高硬度、低密度,在水溶液中悬浮分散性好,可生物降解等特点,及其对于热塑性塑料、热固性三聚氰胺树脂改性的成功,从理论和实际应用上支撑了其改性家具用涂料的可行性。因此,研究其改性的水性环保涂料,使其国产化,不仅可以填补国内的空白,而且可以获得一定的社会经济效益。( 责任编辑：管理员 ) |
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