龐宏波，周樹學(xué)，武利民

（復(fù)旦大學(xué)材料科學(xué)系，教育部先進涂料工程研究中心，上海 200433）

【現(xiàn)代涂層技術(shù)】

硅油微膠囊及其水性防覆冰涂料的制備與性能

龐宏波，周樹學(xué)*，武利民

（復(fù)旦大學(xué)材料科學(xué)系，教育部先進涂料工程研究中心，上海 200433）

采用細乳液技術(shù)制備了一種以二氧化硅為殼層的硅油微膠囊乳液?？疾炝巳橐簆H、表面活性劑組成和核殼比例等因素對微膠囊制備的影響，獲得了穩(wěn)定性好、固含量高達 17.6%、以二氧化硅為殼層的硅油微膠囊乳液。將此硅油微膠囊乳液與丙烯酸乳液和顏填料混合配制成水性抗覆冰涂料，考察了硅油微膠囊含量和顏基比對涂層老化前后的水接觸角和覆冰附著力的影響規(guī)律。研究發(fā)現(xiàn)，在硅油含量為4.2%、顏基比為5.0時，涂層的防覆冰性能最佳。

防覆冰涂料；硅油；微膠囊；細乳液；水接觸角

1 前言

積雪或凍冰在輸電線路、飛機及其他室外設(shè)施表面富積，易造成輸電線路倒桿(塔)、斷線、飛機墜毀等重大事故，產(chǎn)生難以估計的損失。目前，已發(fā)展了30多種防覆冰技術(shù)[1]，如熱處理法、機械除冰法、防覆冰涂料法等，但是依然沒有完全解決防覆冰問題。在這些防覆冰技術(shù)中，防覆冰涂料法最為簡單易行，且成本低，因此，它越來越引起研究人員的重視。防覆冰涂料主要通過減慢、阻止冰晶在表面的生長或降低覆冰在表面的附著力而達到防覆冰效果。防覆冰涂料的研究已進行多年，主要為有機硅或氟碳聚合物等物質(zhì)組成的疏水涂層[2-5]。近幾年，超疏水性防覆冰涂層也有一些報道[6-8]。但不管是疏水還是超疏水防覆冰涂料，均為溶劑型涂料；另外，在實際使用過程中，這些涂層表面的疏水或超疏水持久性較差，從而限制了它們的大規(guī)模應(yīng)用。

硅油具有低表面張力、高絕緣性、低揮發(fā)、耐候性好以及無毒等優(yōu)點，在防水、防冰、防污、防霧、抗粘連等功能性涂料制備方面具有較好的應(yīng)用前景。如果將其制成硅油微/納膠囊，可以延緩硅油的釋放速率，從而延長功能涂料的使用壽命。本文采用細乳液技術(shù)，制備以二氧化硅為殼層的硅油微膠囊乳液，并將其與丙烯酸酯乳液、顏填料復(fù)合制備水性疏水涂料，考察了涂層老化前后的疏水特性和覆冰附著力。

2 實驗

2. 1 原料

四乙氧基硅烷(TEOS)，上海凌峰化學(xué)試劑有限公司；二甲基硅油(PDMS，H-201，25 °C動態(tài)黏度(500 ± 25) mm2/s)，上海文旻生化科技有限公司；氨水[w(NH3·H2O)= 25%]、硝酸[w(HNO3)= 66%]、十二烷基磺酸鈉(SLS)和OP-10，國藥集團化學(xué)試劑有限公司；十八烷基三甲氧基硅烷(OTMS，純度90%)，Aldrich公司；鈦白粉(Rutile R210，TiO2)，德國Sachtleben公司；純丙乳液(固含量51.8%)和流平劑TT-935，美國Rohm & Haas公司；消泡劑BYK-321，德國畢克化學(xué)有限公司；成膜助劑(醇酯-12)，美國伊士曼公司；分散劑(W-518)、潤濕劑(W-18)，德謙(上海)化學(xué)有限公司；去離子水，實驗室自制。

2. 2 硅油微膠囊乳液的制備

將SLS和OP-10溶解于100 mL的去離子水中，然后與預(yù)先配制的PDMS、TEOS和OTMS的混合物混合?；旌弦簲嚢?5 min后，用CP600型超聲波細胞粉碎機(Cole-Palmer Instruments)，在8級、功率70%的條件下超聲乳化20 min，超聲時冰水浴冷卻。用氨水調(diào)整細乳液pH至7.5，然后常溫下攪拌24 h，即得硅油微膠囊乳液，其固含量為15.1%，硅油含量為8.4% (均為質(zhì)量分數(shù)，下同)。

2. 3 水性防覆冰涂料的配制

稱量水、W-518、W-18、BYK-321、鈦白粉和氣相二氧化硅，攪拌混合，加入鋯珠(粒徑1.5 mm)，在轉(zhuǎn)速2 000 r/min下研磨2 h。隨后，將轉(zhuǎn)速降低至500 r/min，依次加入TT-935、醇脂-12、BYK-321、純丙乳液，攪拌30 min，再加入一定量的硅油微膠囊乳液，攪拌約10 min，用無紡紗布過濾后得涂料成品。典型涂料配方為：

得到的涂膜顏基比5.0，干膜中硅油含量4.2%。用8#線棒將涂料涂覆在表面經(jīng)過砂皮打磨處理的鋁板上(濕膜厚度100 μm)，室溫干燥24 h后，進行疏水持久性測試，放置兩周后進行覆冰附著力測試。

2. 4 表征方法

由 H-600型透射電子顯微鏡(日本日立公司)和XL30型掃描電子顯微鏡(荷蘭飛利浦公司)觀察微膠囊形貌。將微膠囊乳液用去離子水稀釋，滴于銅網(wǎng)上干燥，用于TEM觀察，或者滴于載玻片上干燥，噴金后，用于SEM觀察。

硅油微膠囊的粒徑及其分布由N4 Plus型動態(tài)激光光散射粒徑分析儀(美國Beckman-Coulter公司)測定，數(shù)據(jù)由單峰分析模式得到。

由OCA15型接觸角測試儀(德國Dataphysics公司)測定涂層表面的水接觸角，測定水滴體積為2 μL。同一樣品測量5次以上，取平均值。

用QUV/Se型QUV人工加速老化儀(美國Q-Panel公司)進行涂層耐候性測試，選用340 nm紫外燈，測試循環(huán)條件：50 °C下紫外輻照8 h，輻照強度0.68 W/m2、40 °C下冷凝4 h。

用PosiTest AT拉脫法附著力測試儀(美國DeFelsko公司)測定涂層表面覆冰附著力。具體為：將托頭表面用稀鹽酸溶液進行蝕刻，然后在托頭表面涂覆去離子水，再將托頭放置在涂層表面，將涂料樣板和托頭一起置于-10 °C的GDWJS-250型恒溫恒濕箱(上海邁捷有限公司)中，放置15 min，然后用拉脫法附著力測試儀測試冰的附著力。每樣測3次以上，取平均值。

3 結(jié)果與討論

3. 1 硅油微膠囊乳液制備工藝研究

曾采用細乳液技術(shù)，在較低濃度下利用十六烷為液滴模板，一步法制得了單分散的二氧化硅空球[9]。本研究采用類似方法，在高液滴濃度下制備以二氧化硅為殼層的硅油微膠囊，即利用陰離子型表面活性劑SLS和OP-10在水中對含有TEOS、PDMS和OTMS的混合液預(yù)乳化15 min，再超聲細乳化20 min，然后調(diào)節(jié)pH，進一步常溫攪拌鈍化24 h，得硅油微膠囊乳液。

實驗發(fā)現(xiàn)，在制備微膠囊過程中，超聲細乳化后的pH調(diào)節(jié)對形成硅油微膠囊和體系穩(wěn)定性至關(guān)重要。由于去離子水呈弱酸性，所以超聲細乳化后的細乳液pH為5.5。如果不調(diào)節(jié)體系的pH，24 h常溫攪拌后，未發(fā)現(xiàn)有硅油微膠囊形成。這可能是因為：此條件下，TEOS的水解縮合速率很慢造成的；而且，在此條件下，體系大多會在1 ～ 3周內(nèi)發(fā)生絮凝。當(dāng)細乳液中加入少量硝酸溶液后，體系在一周內(nèi)即有絮狀物沉淀，即體系不穩(wěn)定。原因可能是TEOS在酸性條件下水解速率大于縮合速率，從而使得 TEOS水解產(chǎn)物不能很好地在油水界面發(fā)生縮合反應(yīng)，而是直接進入水相，進一步縮合導(dǎo)致部分凝膠。因此，采用氨水溶液來調(diào)節(jié)細乳液的pH。但是，實驗過程發(fā)現(xiàn)，一旦體系pH超過8，膠乳溶液中會出現(xiàn)大量的二氧化硅粒子。這可能是因為在強堿條件下，TEOS縮合速率過快，造成TEOS和OTMS之間的偶聯(lián)反應(yīng)變得困難，從而在體系中生成大量的二氧化硅粒子。研究發(fā)現(xiàn)，硅油微膠囊乳液在pH為7.5的條件下有很好的穩(wěn)定性，且只有很少量的二氧化硅粒子存在，在常溫下，它至少能保持兩個月的穩(wěn)定期而沒有絮凝，且固含量高達17.6%。另外發(fā)現(xiàn)，調(diào)節(jié)pH的階段不同，對硅油微膠囊的生成也有很大影響。如果在超聲細乳化之前或者攪拌鈍化24 h后調(diào)節(jié)pH，均不利于硅油微膠囊的形成。上述情況可作如下解釋：超聲細乳化之前調(diào)節(jié)pH時，由于TEOS/OTMS的水解縮合作用，已經(jīng)在硅油液滴表面形成一層極薄的氧化硅殼，而這些極薄的氧化硅殼層在超聲細乳化過程中極有可能被破壞，造成部分TEOS/OTMS未參與形成二氧化硅殼層，對形成硅油微膠囊產(chǎn)生不利影響；攪拌鈍化24 h后調(diào)節(jié)pH，與加硝酸的情況類似，TEOS的水解產(chǎn)物很可能在攪拌過程中已經(jīng)進入水相，此時，再通過氨水溶液調(diào)節(jié)體系的pH，可以使水解的TEOS產(chǎn)物加速生成二氧化硅粒子，大大降低了硅油液滴表面形成二氧化硅殼層所需的TEOS量。

另外，乳化劑的組成對硅油微膠囊乳液穩(wěn)定性也有顯著影響。SLS和OP-10均不能單獨穩(wěn)定本體系中的混合油滴。因此，采用SLS和OP-10復(fù)配型乳化劑。但當(dāng)SLS用量低于15%時，得到的為粘稠的白色乳液；如果不使用 OP-10，體系則很容易產(chǎn)生分層。當(dāng)SLS/OP-10質(zhì)量比在15∶85至75∶25范圍內(nèi)變化時(SLS/OP-10總質(zhì)量與PDMS質(zhì)量比為1∶10)，所得硅油微膠囊乳液穩(wěn)定性佳，平均粒徑約 200 nm。隨著SLS/OP-10比例的增加，氧化硅殼層厚度變化不明顯。

氧化硅殼體前驅(qū)體組成對硅油微膠囊乳液的粒徑有一定影響。當(dāng)TEOS/OTMS總質(zhì)量不變(即與PDMS的質(zhì)量比固定為11.5∶10)、而質(zhì)量比從9.5∶2.5調(diào)節(jié)至11.0∶0.5時，乳液粒徑從220 nm下降至190 nm；或者固定OTMS/PDMS比例為1∶10，將TEOS/PDMS質(zhì)量比從4∶10升至13∶10，乳液粒徑從234 nm降至173 nm。由此可見，體系中TEOS用量的增加，將導(dǎo)致硅油微膠囊的粒徑減小。但在本研究 TEOS/OTMS的組成范圍內(nèi)，殼層的厚度變化不明顯，約為20 nm。

硅油微膠囊的形成機理見已發(fā)表的論文[10]。本文的水性防覆冰涂料的硅油微膠囊乳液的制備配方確定為：

圖1a為所得微膠囊的TEM照片，深色部分為二氧化硅殼體；圖1b為其局部放大照片。由圖1可見，微膠囊結(jié)構(gòu)已經(jīng)成功獲得。

圖1 所制備的硅油微膠囊乳液的TEM照片F(xiàn)igure 1 TEM images of the prepared silicone oil microcapsule emulsion

圖2為所得微膠囊的SEM照片。它表明，部分微膠囊已發(fā)生變形和破裂。這進一步說明了微膠囊結(jié)構(gòu)的存在；另一方面，說明微膠囊殼層薄，力學(xué)強度不高，但這有利于硅油的釋放。

圖2 所制備的硅油微膠囊乳液的SEM照片F(xiàn)igure 2 SEM images of the prepared silicone oil microcapsule emulsion

3. 2 硅油微膠囊的緩釋特性

將得到的硅油微膠囊乳液加入水性硅丙乳膠涂料中，期望通過測量干燥后涂層的水接觸角變化，來驗證硅油微膠囊的緩釋特性。但是，涂層在一干燥后即達到最大水接觸角，無法觀察到表面水接觸角隨干燥時間的變化過程。因此，設(shè)計了一種新方法來驗證涂層中硅油微膠囊的緩釋特性：先將涂層在80 °C下放置8 h，測量其水接觸角；然后用自來水恒流連續(xù)沖刷2 h，作為一個侵蝕循環(huán)。圖3所示為含硅油微膠囊涂層和對比樣(含硅油涂層)的水接觸角隨侵蝕循環(huán)次數(shù)的變化情況。由圖可見，兩種涂層的初始水接觸角相同；添加了硅油微膠囊的涂層的水接觸角在連續(xù) 9個侵蝕循環(huán)后仍保持不變，并且隨著侵蝕次數(shù)的增加，其水接觸角緩慢升至 106°。這可能是在水流的侵蝕下，涂層表面粗糙度增加造成的。但是，對比樣的接觸角則隨著侵蝕次數(shù)的增加而下降；經(jīng)過17次侵蝕循環(huán)后，其水接觸角降至 88°，與純硅丙乳液涂膜的接觸角一致。說明經(jīng)過長時間的沖刷后，對比樣中的硅油已完全流失。上述結(jié)果較好地證明了硅油微膠囊的緩釋特性，同時也說明，將硅油制成微膠囊后，有利于制備疏水持久性較好的涂層。

圖3 涂膜表面水接觸角隨侵蝕循環(huán)次數(shù)的變化Figure 3 Variation of water contact angels of coating surface with the number of corroding cycle

3. 3 含硅油微膠囊涂層的疏水性和覆冰附著力

將硅油微膠囊乳液作為添加劑加入到純丙乳膠涂料中，在顏基比為5.0的條件下，考察了硅油含量對涂層的疏水性和覆冰附著力的影響規(guī)律，見圖4。

圖4 硅油含量對乳膠涂膜表面水接觸角和覆冰附著力的影響Figure 4 Effect of silicone oil content on ice adhesion and water contact angle of the surface of emulsion coating

由圖4可見，在乳膠涂料中添加1.1%、2.1%、3.2%和4.2%的硅油微膠囊后，涂層的水接觸角從不含硅油微膠囊時的 97°分別提高至 101.7°、104.5°、106.8°和107.3°，表明微膠囊中的硅油分子已遷移至涂膜最外層，從而提高了涂膜表面的疏水性。涂層的覆冰附著力隨著硅油含量的增加而減小。當(dāng)硅油含量超過3.2%后，覆冰附著力已低至0.55 MPa，與純?nèi)槟z涂膜相比，覆冰附著力下降35.3%，表明硅油微膠囊能改善乳膠漆的防覆冰性能。但繼續(xù)提高硅油微膠囊至4.2%，涂膜的附著力未有進一步下降。另外，圖中顯示，水接觸角越大，附著力越低，這與 Dotan等[11]觀察到的結(jié)果一致。

在硅油含量為4.2%時，研究了顏基比對涂膜表面疏水性和覆冰附著力的影響，結(jié)果見圖5。由圖5可見，在低顏基比時，涂膜的水接觸角隨著顏基比的增加而增大，覆冰附著力變化不大。但在顏基比大于6.0后，涂膜的水接觸角基本保持不變，覆冰附著力明顯增大。很明顯，這與圖4結(jié)果不同。水接觸角與覆冰附著力之間不存在對應(yīng)關(guān)系，但可用涂膜表面粗糙度給予解釋。由于本文所涉及的乳膠涂料的臨界顏料體積濃度(CPVC)約為57%(相當(dāng)于顏基比4.7)，在顏基比大于6.0時，顏填料用量已遠在CPVC之上，涂膜表面粗糙度明顯增大，因而覆冰附著力大大增加。因此，在粗糙度變化較大時，覆冰附著力主要取決于涂膜表面的粗糙度，而非水接觸角。

圖5 不同顏基比涂膜表面的覆冰附著力和水接觸角Figure 5 Ice adhesion strength and water contact angles of the coatings with various pigment-to-binder ratios

為了考察含硅油微膠囊涂層的長期防覆冰性能，對涂層進行了人工加速老化試驗。圖6為顏基比為5.0的不同硅油含量的涂膜在老化40 d后的覆冰附著力和水接觸角。

圖6 老化40 d后不同硅油含量涂膜的覆冰附著力和水接觸角Figure 6 Ice adhesion strength and water contact angles of the coatings with various silicone oil contents after 40 days weathering test

由圖 6可見，與原涂層相比，涂層的覆冰附著力均有所增加，但含4.2%硅油的涂層其覆冰附著力仍只有0.66 MPa，而純?nèi)槟z涂膜涂層的覆冰附著力已增至1.03 MPa。表明硅油微膠囊涂層仍具有較好的防覆冰性能。另外，老化后，不同硅油含量涂層的水接觸角差別增大，高硅油含量涂層的接觸角增加明顯，最大已達126°，這可能是表面粗糙度增加所致。與覆冰附著力比較可見，接觸角越大，覆冰附著力越小，與圖4結(jié)論相類似。

硅油含量為4.2%的不同顏基比的涂層在老化40 d后其水接觸角和覆冰附著力測試結(jié)果見圖7。它表明，老化后涂層的覆冰附著力增大，但與顏基比的變化關(guān)系仍類似圖5，即在顏基比為5.0左右時，覆冰附著力出現(xiàn)臨界突變。除顏基比為8.0外，涂層的水接觸角均增大，在顏基比4.0時，水接觸角就已達到123°。這是由于樹脂老化分解，涂膜表面粗糙度增加所致。在顏基比為8.0時，水接觸角已下降至98°，這可能是由于硅油流失嚴(yán)重，無法完全覆蓋填料顆粒所致。因此，合適的顏基比對保持涂層的長期疏水性和覆冰附著力非常重要。

圖7 老化40天后不同顏基比涂膜的覆冰附著力和水接觸角Figure 7 Ice adhesion strength and water contact angles of the coatings with various pigment-to-binder ratios after 40 days weathering test

4 結(jié)論

(1) 采用細乳液技術(shù)，通過pH、乳化劑組成、氧化硅前驅(qū)體組成等工藝參數(shù)的調(diào)節(jié)，成功制備了貯存穩(wěn)定性好、固含量高達17.6%、以二氧化硅為殼層的硅油微膠囊乳液。

(2) 硅油微膠囊在乳膠漆中具有緩釋特性，可提高乳膠涂層的水接觸角，降低覆冰附著力。并且，在顏基比為5.0、硅油含量為4.2%時，涂層的長期防覆冰性能最為理想。

(3) 在相同表面粗糙度時，表面水接觸角越大，覆冰附著力越低；在不同粗糙度時，覆冰附著力主要取決于涂層表面的粗糙度，而非水接觸角。

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Preparation and property of silicone oil microcapsules and its waterborne anti-icing coatings //

PANG Hong-bo, ZHOU Shu-xue*, WU Li-min

A silicone oil microcapsule emulsion with silica shell was prepared by miniemulsion technique. The effects of pH, type of surfactants and composition of silica shell precursors on the formation of silicone oil microcapsules were studied. A silicone oil microcapsule emulsion with good stability, solid content up to 17.6% and silica shell was obtained. The silicone oil microcapsule emulsion was incorporated into acrylic latex as well as pigments and fillers to prepare waterborne anti-icing coatings. The water contact angles and ice adhesion of the coatings with various silicone oil contents or various pigment-to-binder ratios were determined before and after QUV accelerated weathering tests. Results indicated that the best anti-icing performance was achieved for the coating with pigment-to-binder ratio of 5.0 and silicone oil content of 4.2%.

anti-icing coating; silicone oil; microcapsule; miniemulsion; water contact angle

Department of Materials Science, Advanced Coatings Research Center of Ministry of Education of China, Fudan University, Shanghai 200433, China

TQ637

A

1004 – 227X (2011) 06 – 0057 – 05

2011–02–16

上海市科委納米專項項目（0852nm00800）。

龐宏波（1985–），男，山西長治人，在讀碩士研究生，主要從事防覆冰涂料研究。

周樹學(xué)，教授，博導(dǎo)，(Email) zhoushuxue@fudan.edu.cn。

[ 編輯：韋鳳仙 ]