0 前言

木结构尤其是户外木结构古建筑等长期处于自然环境的腐蚀条件下，对于其寿命及美观具有极大的影响，其简单有效的防护手段就是涂覆木结构涂料。木结构涂料不仅具有装饰美化作用，而且对木材有很好的防腐保护作用，延长其使用寿命。

在我国用于木结构防腐及装饰的主要是溶剂型木结构涂料，分为硝基类、醇酸类、双组分聚氨酯类等。溶剂型木结构涂料在生产和施工过程中使用大量挥发性有机溶剂，如苯、甲苯、环己酮、甲醛、卤代烃等，都会对环境及人体健康造成极大的危害。

随着我国经济的快速发展和人民生活品质的不断提高，保护环境和节约能源越来越受到重视，对于涂料的污染和毒性问题也日益受到关注。水性木结构涂料以水为主要分散介质，仅含有极少量的溶剂，而其施工方法又与传统溶剂型木结构涂料相似，使用方便，因此极具发展潜力。

水性木结构涂料中具代表性成膜物的有丙烯酸乳液类和单组分水性聚氨酯类。丙烯酸乳液类水性木结构涂料的涂膜具有良好的耐光性、户外曝晒耐久性、耐酸碱盐腐蚀、极好的柔韧性和低的颜料反应性且成本低，是目前大量使用的一种水性木结构涂料。但其成膜物质丙烯酸乳液有以下缺点，如在玻璃化转变温度较低时形成的涂膜硬度低，而玻璃化转变温度较高时需引入大量的成膜助剂，故可挥发性有机物的含量较高。在温度较低时成膜性较差，影响使用，成膜助剂的挥发速度缓慢，涂膜的初始硬度较低。另外该类水性木结构涂料有“热粘冷脆”的缺点，因此涂膜的抗粘连性差，导致木器的堆积性差，不适合大规模工业化生产。

单组分水性聚氨酯类有阴离子型、阳离子型及非离子型3种水性聚氨酯。在水性木结构涂料中使用较多的是阴离子型水性聚氨酯树脂。水性聚氨酯树脂分子结构由硬链段和软链段组成的，其涂膜具有既硬又韧的独特性能，通过调节软硬链段的种类和组成比可得到不同性能的水性聚氨酯产品。其微观的两相结构使水性聚氨酯具有优异的低温成膜性、流平性，涂膜具有较好的柔韧性和耐磨性。但是其在耐候性及附着力性能方面较之水性丙烯酸乳液类涂料差。因此，本文采用丙烯酸对聚氨酯进行改性，以制备丙烯酸酯改性聚氨酯脂肪族交联型树脂，该树脂可以将聚氨酯较高的拉伸强度和抗冲强度、优异的耐磨性与丙烯酸酯树脂良好的附着力、耐候性有机结合，以达到佳的防腐及装饰效果。另外，在涂料体系中加入纳米粒子进一步提高涂膜的耐磨及户外曝晒耐久性能。
 

1 试验部分

1.1 主要原料和试剂(见表1)

1.2 试验步骤

1.2.1 交联型丙烯酸改性水性聚氨酯(LPUA)的合成

先通过异氰酸酯、多元醇反应生成异氰酸基封端的聚氨酯，之后加入含羟基丙烯酸酯反应，得到两端都含双键的预聚物，在预聚体中引入甲基丙烯酸羟乙酯，则该聚氨酯乳液既含有亲水性离子基团，又含有不饱和双键，因此它能和丙烯酸酯进行接枝共聚反应，形成交联型丙烯酸酯-水性聚氨酯复合乳液。
制备工艺为：100 g的聚酯多元醇聚己二酸己二醇酯在120 ℃真空脱水，将33.3 g IPDI缓慢滴加到装有冷凝管、机械搅拌和通氮管的三口烧瓶里，升温到75 ℃反应2 h；加入DMPA扩链和0.2 g的DBTDL，升温到85 ℃反应；隔一定时间取样，并用二正丁胺法滴定，当—NCO的质量分数比降至2%时，加入4.05 g甲基丙烯酸羟乙酯反应0.5 h，后降温到40 ℃，加入45.95 g的丙烯酸酯降黏，用三乙胺中和，在快速搅拌下加入340 mL含0.6%乙二胺的去离子水进行乳化分散；将乳液升温至85 ℃，再加入85 g的丙烯酸酯类单体，并在一定时间内滴加完1.08 g引发剂过硫酸钾的水溶液，保温出料。

1.2.2 纳米浆料的制备

由于纳米氧化铝及氧化硅在空气中极易团聚，若直接参与水性木结构乳液的合成或直接添加在水性木结构涂料乳液中，分散效果都很差，因此必须对纳米氧化铝或氧化硅进行表面改性，制备成浆料。
制备工艺为：在200.0 g去离子水中加入聚丙烯酰胺3.8 g、润湿剂聚乙二醇2.0 g和辛醇聚氧乙烯醚(AEO)2.2 g，在高速分散条件下加入纳米氧化物粉体200.0 g，在砂磨速度为2 000～2 200 r/min的砂磨机中研磨，并加入聚硅氧烷类消泡剂0.8 g，高速研磨2 h后，加入保护胶聚乙烯吡咯烷酮10.0 g，搅拌均匀，然后超声波发生器处理4 h，得到纳米氧化物浆料，置于阴凉处备用。

1.2.3 木结构耐磨防腐涂料的制备

将上述水性丙烯酸改性聚氨酯脂肪族交联型树脂、纳米氧化物色浆或氧化物溶胶按一定比例混合，再加入适当的助剂制备成木结构防腐耐磨涂料。
 

2 结果与讨论

2.1 交联型丙烯酸改性水性聚氨酯树脂的性能

该类树脂的性能及各个组分的影响因素在以往的文献报道中较多[6-9]，在本文中不再讨论。具体的交联型丙烯酸改性水性聚氨酯树脂的技术指标会详细列举，此处不再赘述。

2.2 纳米氧化物色浆对涂膜性能的影响

按比例分别添加纳米氧化铝色浆或铝溶胶，再添加适量的消泡剂、流平剂等助剂配制成涂料，然后以胶合板为底材喷涂制备成涂膜。测试结果表明，添加纳米氧化铝色浆或铝溶胶对于涂料的贮存稳定性(12个月)及涂膜的附着力(划格法，0级)、柔韧性(1mm)、耐水性(48 h，0级)、耐碱性(50 g/L的NaHCO3水溶液，4 h，0级)、耐酸性(2%硫酸溶液，4 h，0级)并没有太大的影响。涂膜性能有显著影响的技术指标如表2所示。

当添加纳米氧化硅色浆或硅溶胶时得到的结果与添加相同量的纳米氧化铝色浆及铝溶胶得到的结果相近，下文不再特别说明。由以上试验结果可以看出，随着纳米氧化物色浆含量的增加，涂膜的光泽和耐冲击强度有逐渐降低的趋势；涂膜的耐磨性和硬度逐渐升高，而耐腐蚀性和户外曝晒耐久性并没有明显的变化。而当相同量的溶胶时，涂膜的光泽并没有太明显的变化，涂膜的耐磨性、耐腐蚀性及户外曝晒耐久性明显提高，这可能是由于溶胶粒子参与成膜所致。

2.2.1 纳米氧化物色浆及溶胶对涂膜光泽的影响

涂膜中颜填料对涂膜光泽的影响主要有3个方面：一是颜填料的含量；二是颜填料的粒径；三是颜填料的特殊性能。氧化铝添加在涂料中时并没有特殊的消光效果，所以只能是氧化铝的含量及其粒径造成涂膜的光泽降低。在图1中可以看出，在氧化铝含量相同的条件下，平均粒径为100 nm的氧化铝色浆具有更为明显的消光效果；反之，在光泽度相同时，铝溶胶的用量更大。因此在不影响涂膜光泽的条件下，溶胶可引入涂料体系的量要远高于纳米氧化铝色浆，以提高涂膜硬度、耐磨性等性能。

2.2.2 纳米氧化物色浆及溶胶对涂膜耐磨性的影响

通常提高涂膜耐磨性的方法有两种：一是提高涂膜的硬度；二是提高涂膜的弹性。在本试验中由于涂膜较薄，增加树脂的弹性并不能明显提高涂膜的耐磨性能，因此提高涂膜的硬度以提高涂膜的耐磨性能。由图2及表2可知，添加纳米氧化物及其溶胶都能够有效地提高涂膜的耐磨性，且添加相同质量的溶胶时涂膜的耐磨性能比纳米氧化物有明显的提高。

2.2.3 纳米氧化物色浆及溶胶对涂膜耐盐雾性能及户外曝晒耐久性能的影响

由图3及图4可以看出，当添加纳米氧化物粉体的时候对于涂膜的耐盐雾性能及户外曝晒耐久性能几乎没有影响，而添加溶胶时涂膜的性能有明显的提高。通常涂膜的耐盐雾性能及户外曝晒耐久性相辅相成，在一般情况下，影响耐盐雾及曝晒耐久性的主要因素为黏结剂本身的键能，在本文所讨论的涂料体系中，添加的溶胶能够参与成膜，相应地，添加量越多时其耐盐雾及曝晒耐久性越好，但是超过2.5%时，涂膜的透明性受到影响，不适于用作透明面漆。

2.3 施工

当涂料中的纳米氧化物的含量在2%以上时，该涂料可添加其他的颜填料而用作底漆，不需打磨即可涂覆面漆。当纳米氧化物的含量小于2%时，可直接用作面漆。

该涂料理想的施工方式为喷涂，必要时也可以采用刷涂方式施工。涂料在施工时必须保证底材或底漆表面干净无污染，环境温度介于10～40 ℃，环境空气的相对湿度不超过80%。
 

3 结语

本文讨论了纳米氧化铝色浆或铝溶胶的添加对于涂膜贮存稳定性、附着力、硬度、户外曝晒耐久性、耐磨性、耐腐蚀性等性能的影响。随着纳米氧化铝色浆或铝溶胶添加量的增加，涂膜性能除冲击强度和光泽外的各项性能指标都有明显的提高。其中，与添加纳米氧化铝色浆相比，添加铝溶胶的涂膜性能更好，这是由于铝溶胶与树脂之间可以达到分子级别的交联复合。综合以上数据及使用效果，发现添加2%的铝溶胶可以实现综合性能的大提高，实际使用效果表明可以防护户外木结构3～5 a。