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納米SiO2在涂料中的應用研究進展 |
來源:中國粉體技術網 更新時間:2014-09-12 11:08:40 瀏覽次數: |
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(中國粉體技術網/遠志)納米SiO2 俗稱“超微細白炭黑”,是一種無定形的白色粉末,歸屬于納米材料。納米SiO2 呈現特別的物理化學性質,具有小尺寸、表面界面、量子尺寸效應,以及光、熱、吸收等性能,在高溫下具有高強度、高韌性、穩定性好等特性,使得其被廣泛地應用于各個領域。在涂料中添加少許的納米SiO2,可大幅度提高涂料的耐高溫性、耐磨性等特性。
1 納米SiO2 的特性及形態
納米SiO2 是一種無毒、無色、無污染的無機非金屬材料,單個納米SiO2 粒子因其表面作用力強而發生團聚,形成一種二次結構。在配制涂料時,首先必須對其進行表面改性,使其處于一次分散的狀態,從而改善基體分散性。與普通SiO2 相比,納米SiO2 微粒表面非配位原子居多,顯著提高了粒子與聚合物發生物理、化學結合的可能性,也增強了基體界面結合的可能,起到了提高強度和熱穩定性的作用。納米SiO2 粒子為蓬松粉體狀態,純度可達99.9% 以上。
2 納米SiO2 在涂料中的應用
在涂料中,利用納米SiO2 粒子的表面體積效應、量子尺寸效應和宏觀量子隧道效應等,可增加涂膜硬度,改善涂膜的耐磨性、抗沖擊性及柔韌性等性能。因此,納米SiO2 在涂料中的應用越來越廣泛。
2.1 納米SiO2 在建筑涂料中的應用
在建筑涂料中,加入少許納米SiO2 可以明顯提高涂料的耐磨性、防腐性、抗老化性等性能,并改善涂料的自清潔能力等,從而在墻面漆中得到了廣泛應用。
金祝年應用納米SiO2 改進外墻涂料的性能,發現納米SiO2 能降低涂料的色差值,提高耐老化性。
鄧前軍等人對納米SiO2 改性外墻涂料進行研究,將預處理后不同配比組合的納米SiO2 分別添加到純丙乳液外墻涂料中發現,當摻入4% 的納米SiO2 時,可以顯著改善涂料的穩定性、附著力、光澤、耐沾污性等特性。
2.2 納米SiO2 在金屬防護涂料中的應用
在全球,每年因金屬腐蝕給社會帶來巨額經濟損失,特別是在高溫、高濕、高腐蝕的條件下,例如爐管、壓縮機、發動機等金屬制品的內外殼腐蝕嚴重,極大制約著關鍵技術的推廣。目前,人們成功地將納米技術使用在金屬防護涂料中,并且取得了一系列較為理想的研究成果,但尚未達到成熟階段,有待進一步拓展。
咸才軍等人將納米技術應用在鋼結構水性超薄膨脹型防火涂料中,在其中添加納米SiO2 和TiO2 后可以提高防火涂料膨脹后炭質層的強度,耐火極限也進一步延長,當添加1.5%(質量分數)的納米SiO2 時,耐火極限可達110 min。
馬驕利用電化學阻抗譜(EIS)技術對納米SiO2 含量為5% 的有機硅復合涂層的防護性進行研究發現,添加納米SiO2,可以有效抵擋侵蝕介質的腐蝕,大大提高了其防護性能。
2.3 納米SiO2 在塑料涂料中的應用
近些年來,我國塑料涂料從一般的裝飾功能拓展到特殊功能,從溶劑型涂料發展到水性涂料。截止目前,用于涂裝ABS、HIPS、PS 和PP 等底材的塑料涂料已經問世,應用領域也在不斷拓寬。
張克杰等人采用苯丙乳液與納米SiO2 復合,制得高性能的水性納米塑料涂料。涂料性能檢測結果表明:涂膜硬度達3H 以上,在沸水環境中不發生回黏,呈現良好的耐水性。
S.Sepeur 等人采用溶膠- 凝膠方法研制出一種光化學反應固化的透明硬質涂層,極大地增強了有機高聚物的耐磨性。如噴在塑料基材上,只需幾微米的透明涂料,就能獲得優良的光學性、附著力、耐磨性等。
2.4 納米SiO2 在紫外光固化涂料中的應用
納米SiO2 具有強烈的紫外吸收和紅外反射等特性。在波長 400 nm 以內的紫外光照射下,其吸收率可以達到70% 以上;在波長 400 nm 以內的紅外光照射下,其反射率高達70% 以上。將納米SiO2 添加到涂料中,可以起到抗紫外光和熱老化作用,增強涂料的隔熱性。
Sangermano 等人利用共混法制得紫外光固化納米SiO2/ 環氧樹脂體系,通過紅外光譜跟蹤發現:隨著納米SiO2 用量的逐漸增加,涂料的玻璃化轉變溫度、表面硬度等不斷提高。從TEM 圖中可見:納米SiO2 沒有發生團聚,而是以5~50 nm 粒徑均勻分布在環氧樹脂中,其很低的吸水性使其在耐水涂料中具有很高的實用價值。
3 納米SiO2/ 有機硅雜化涂料的性能
納米SiO2/ 有機硅雜化涂料應用十分廣泛,尤其在功能性涂料方面具有十分廣闊的應用前景。
3.1 納米SiO2改善涂料的耐磨性
納米SiO2 的表面羥值較高,且反應活性強,加之納米SiO2 比表面積配位不足,較易發生鍵合作用,獲得理想的界面結合力,進而提高涂膜的強度、透明性與耐磨性等特性。
孫道興等人利用核殼乳液聚合方法將交聯共聚體、氨基硅烷偶聯劑等與丙烯酸類單體、苯乙烯進行共聚制得軟殼硬核的乳液,然后引入納米SiO2、功能性多胺聚合物等復配,制得環保型路標涂料,呈現出優異的耐磨性等。
3.2 納米SiO2在耐磨涂料中的應用與發展趨勢
目前研制的納米涂料主要是利用雜化方法,將無機納米微粒摻入到聚合物基體中,制得有機- 無機納米雜化涂料。在有機玻璃透明件用耐磨涂料的研究中,有機- 無機雜化涂料得到了飛速地發展,其中很多研究成果已實現工業化生產,然而其表面硬度與耐磨性能在實際工作中仍存在著一定的缺陷。
SDC Coatings 公司的耐磨透明涂料SILVUE 系列產品不僅可以防霧與紫外線,還適用于高層建筑等玻璃。納米二氧化硅在耐磨涂料中的發展趨勢大概歸納為以下兩點:(1) 利用溶膠- 凝膠法制備光固化有機- 無機雜化玻璃用透明耐磨涂層將是未來涂料領域的研究熱點和發展方向。(2) 由于有機玻璃所用耐磨涂層的綜合性能與光學質量要求很嚴格,市場需求很小,目前尚無專業廠家生產有機玻璃耐磨涂層,迫切需要政府的有力支持來推動其發展。
3.3 納米二氧化硅改善涂料的防腐蝕性
目前,市售防腐涂料產品有2 個缺點:第一,耐高溫性不太好,最高只有幾百攝氏度;第二,防腐性能較窄,能抗氯離子酸腐蝕,卻未必能抗氧化性酸腐蝕;能耐三大酸性物質強烈腐蝕,卻可能承受不住氫氟酸的腐蝕;能抵抗酸腐蝕,不見得能耐堿腐蝕。將納米技術運用于防腐涂料中,可提高其耐腐蝕性能,以及涂層的綜合性能等。在防腐涂料中添加納米二氧化硅,可以改善涂層防腐性與耐磨性,表面層納米SiO2 以其三維鏈狀網絡結構,使得納米微粒呈現出很高的表面活性,因而增加了涂層的致密度與結合力。白紅英等人研究了改性對環氧有機硅涂料特性的影響,將該涂料配以亞微米級的陶瓷粉,可以形成具有優良防腐蝕性、熱穩定性和物理機械性的致密涂層。
4 結語
隨著科學技術的不斷進步與經濟的跨越發展,研制高性能涂料已刻不容緩地成為社會經濟快速發展的要求。利用不同的物理、化學技術對涂料進行改性達到改善其綜合性能的效果,是涂料研究人員共同努力的目標。特別是納米材料在涂料中的推廣已成為國內外科技人員研究的熱點,截止目前,納米SiO2 在涂料中的應用還處在探索研究的階段,并且有很多關鍵問題亟待解決:
(1) 通過在樹脂中原位生成納米粒子的方法解決納米顆粒較易相互吸附,從而發生團聚現象。
(2) 在有機硅樹脂中應用納米技術,以提高有機硅樹脂的耐高溫性、耐磨性、硬度等性能。
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