柯博　黄志杰　左美祥　马全利

摘要：利用高科技产品纳米SiO₂ 的特殊性能,对传统涂料进行改性，以改善涂料的触变性、抗老化性等。

关键词：纳米SiO₂ 　涂料　改性

1 　前　言

    纳米是长度计量单位,为1 m 的十亿分之一。物质颗粒直径小于100 nm 的粉粒集合体称为纳米微粒。纳米微粒是一种新物态,只有在电子显微镜下才能观察到其颗粒形态。纳米微粒具有奇异或异常的物理、化学性能,已在机械、电子、化工、能源、生物、国防及日常生活的诸多领域得到广泛的应用。将纳米粒子用于涂料中所得的一类具有抗辐射、耐老化与剥离强度高的新型涂料称为纳米涂料。高科技产品纳米SiO₂ 的开发并批量化生产,为涂料产业带来全新的领域,具有广阔的发展前景。

2 　纳米SiO₂ 的基本物性

    纳米SiO₂ 是无定型白色粉末(指其团聚体) ,表面存在不饱和的残键及不同键合状态的羟基,其分子状态呈三维链状结构(或称三维网状结构、三维硅石结构等) ,如图1 所示。

    纳米SiO2 的各项技术指标如表1 所示。

    其中S - SiO₂ 是一种球状粒子; P - SiO₂ 是一种多孔状粒子;

    纳米SiO₂ 的杂质含量/ %: Fe ≤01001 , Ca ≤01015 , Sn ≤01015 , Al ≤01002 , Mg ≤01001 , Ti ≤01010 ,Cu ≤01003 ,Cl ≤01028

3 　纳米SiO₂ 改性涂料的原理

    一般来讲,纳米粒子表面相互聚集的氢键之间的作用力不强,易以剪切力加以分开。然而,这些氢键会在外部剪切力消除后迅速复原,使其结构迅速重组。这种依赖时间与外力作用而回复原状的剪切力弱化反应,称为“触变性”或者“剪切稀释特性”。触变性是纳米SiO₂ 改善传统涂料各项性能的主要因素。

    纳米微粒具有大颗粒所不具备的特殊光学性能,普遍存在“蓝移”现象,即光吸收带移向短波方向。经分光光度仪测试表明,纳米SiO₂ 具有极强的紫外吸收、红外反射特性,对波长400 nm 以内的紫外光吸收率高达70 %以上,对波长400 nm 以内的红外光反射率也达70 %以上。它添加在涂料中,能对涂料形成屏蔽作用,达到抗紫外老化和热老化的目的,同时增加涂料的隔热性。

    由于纳米SiO₂ 具有的三维硅石结构,庞大的比表面积,表面严重的配位不足,表现出极强的活性,以致对色素粒子的吸附力很强,紧紧包裹在色素粒子的表面,形成屏蔽作用,大大降低了因紫外光的照射而造成的色素衰减(尤其是对外墙涂料) ,而纳米SiO2粒子被充分、均匀地分散在介质中形成的分散相是透明的,对色彩无丝毫影响。这既可提高颜料的悬浮性,又能长久保持涂料的颜色不变。由此可见,添加纳米SiO₂ 后,涂料的“颜料悬浮”性、抗老化性、触变性等都得以改善。

4 　表面处理

    纳米SiO₂ 添加到涂料中前,要针对其表面物性进行不同的表面处理。表面处理过的纳米SiO₂ ,其亲水性可以转变成亲油性,这样可以改变其表面极性,提高粒子分散性,特别是使之与不同极性的体系相容,达到真正分散的目的。

    经过处理的纳米SiO₂ 表现以下三种特性:第一种,表面亲油性。纳米SiO₂ 用硅酮液、硅氮烷或卤硅烷处理后,由于其外表面为亲油的烷基,故具有亲油性。第二种,表面接枝。当所用的处理剂分子具有两个基团,一个基团可与纳米粒子表面的基团反应,另一个基团(不饱和键) 可与聚合物基体反应,后一个基团可与聚合物基体接枝,提高相容性。第三种,两亲性。当所用的处理剂分子具有两个以上基团时,除了其中一个与纳米粒子表面基团反应外,其余基团既有亲水基团,也有亲油基团时,则所得的纳米粒子具有两亲性。

5 　使用方法

5.1 　使用量

    针对不同的要求,纳米SiO₂ 使用量也不同。对防流挂的涂层,用量为0.5 %～1.0 %;对涂层较厚的高固体分涂料,用量为2 %～3 %;对控制多彩涂层的薄片定向,用量为15 %～20 %;为改善印花式涂层质量,用量为0.5 %～1.0 %。

5.2 　使用类型

    S - SiO₂ 是一种球状粒子,易于分散; P - SiO₂ 是一种多微孔状粒子,更适于表面吸附。表面处理过的纳米SiO₂ 亦可分为表面非极性纳米SiO₂ 和表面极性纳米SiO₂ 。经过硅烷偶联剂处理的纳米SiO₂ 可为非极性和极性表面。

    一个涂料体系的整体极性和氢键键合能力取决于所用的聚合物体系及溶解聚合物的溶剂。聚合物体系如有交联基团存在,如羟基、环氧基或异氰酸酯基,会使聚合物极化。在此体系中,可直接使用处理的纳米SiO₂ ,同时纳米SiO₂ 在溶液中的pH 值为7～9 。溶剂对纳米粒子效能的影响也很大,如酮、醚、酯和醇等溶剂,会对纳米SiO₂ 的效能产生不良影响。

5.3 　分散度

    纳米SiO₂ 必须充分均匀分散在涂料中,才能取得最有效的流变控制。分散均匀,涂层在短时间内全面重组网络,可有效阻止流挂;分散不均匀或分散过度,则只能形成部分网络,防流挂效果就差。纳米SiO₂ 在液体中分散时,需采用超声波分散,并预先对pH 值进行调配,使之达到所需的pH 值,也就是与涂料本身的极性电荷相匹配。