无机纳米SiO_2复合涂料的制备及性能

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无机纳米SiO2复合涂料的制备及性能

周 荣，邱 平，曹勇兵，周 杨

上海汇丽涂料有限公司 技术部，上海 201318

摘要：本文介绍了无机纳米SiO2复合涂料的制备方法，讨论了SiO2胶体用量对涂料耐洗刷性、附着力影响以及SiO2胶体粒径大小对热稳定性的影响，并且给出合理的解释。关键词：纳米SiO2； 复合涂料； 丙烯酸酯乳液

中图分类号：TU56+1.62 文献标识码：B 文章编号：1004-1672(2008)05-0013-02

Preparation and Performance of Inorganic Nano SiO2 Hybrid Coatings / Zhou Rong et al // Technology Department of Shanghai Huili Paint Co.Ltd

Abstract: Preparation of Inorganic nano SiO2 hybrid coatings was introduced. Effects of content of colloidal nano SiO2 on washability and adhesion of coatings and effects of particle size of colloidal nano SiO2 on thermal stability of the hybrid coatings were discussed and rational explanation was given. Key Words: nano SiO2; hybrid coating; polyacrylate emulsion

随着对环保要求的提高，近年来无机纳米涂料的发展再次引起关注。无机纳米涂料在制备过程中最大的问题就是纳米分散与稳定的问题。纳米粒子的分散可以使用现行的涂料生产设备，分散时最重要的不是暂时的均匀分散，而是长时间的分散，防止纳米粒子在涂料液中的沉降、絮凝。但是，采用直接添加纳米粉体的方法制备的纳米涂料，存在着添加量不高、难以在纳米水平上均匀分散以及纳米粒子自身的不稳定性(如SiO2)易团聚等问题而严重阻碍着无机纳米涂料的广泛应用。本文以改性的硅溶胶/聚丙烯酸酯乳液为基料，从根本上解决了纳米SiO2易团聚、难分散和添加量低的问题。

硅溶胶是以SiO2为基本单位在水中的分散体，其分子式为H2SiO3，团颗粒细微，粒径范围一般在5~40 nm。析胶时，SiO2具有较高的活性，易于粘接涂料中的粉状颗粒，因此它用于涂料的一个最突出的优点就是无回溶性，以及具有良好的耐水性。单独使用硅溶胶时，常温固化成膜往往存在裂纹、内部微孔等致命缺陷，因此很少单独用其来配制涂料，常常是加入有机高分子乳液制得有机-无机复合型涂料。

1 无机纳米SiO2复合涂料的制备1.1 配方设计

水：20%~30%；乳液：10%~20%；硅溶胶：5%~10%；填料：30%~40%；成膜助剂：2%~4%；

防冻剂：2%~3%；分散剂：2%；消泡剂：4%；润湿剂：3%；增稠剂：6%。1.2 制备工艺

在混合罐中依次加入配方量的水、分散剂、消泡剂、润湿剂、颜料、填料均匀混合后进行砂磨，研磨至细度为30 μm，加入Texanol和乳液，用氨水调整pH至9.0~9.5，加入硅溶胶，最后用增稠剂调整黏度至KU80~85，缓慢搅拌均匀即可。2 结果与讨论

2.1 SiO2胶体用量对涂料耐洗刷性能的影响

涂料涂膜耐洗刷性能与聚合物乳液的特性密切相关。为了检验纳米SiO2对涂膜最终性能的改善以及对一般涂料的普遍适应性，选用丙烯酸酯乳液，其涂膜的耐洗刷性能与纳米SiO2含量的关系见表1。

表1 硅溶胶不同用量对涂料耐洗刷性的影响

从表1中可知，加入纳米SiO2对涂料的耐洗刷性能的提高确实有一定的效果。同时，并不是纳米SiO2含量越高耐洗刷性能就越强，当硅溶胶含量超

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化较大，稳定性越差。

表3 硅溶胶粒径对涂料稳定性的影响

过6%之后，耐洗刷次数相反会下降。这可能在微观理论上，纳米SiO2对乳液薄膜具有增强作用。纳米SiO2是以溶液状态存在的，其粒径比丙烯酸酯乳液粒径要小得多。由于纳米粒径小，具有比表面积大和表面自由能高的优点。将纳米SiO2作为填料加入乳液中，由于丙烯酸酯乳液在成膜过程中存在非理想堆积的结构缺陷，纳米粒子均匀分散于其中，最终形成相互贯穿、结合紧密且有化学键作用的多相结构，有效地改善乳胶粒之间的界面相互作用力，从而起到了增强和修补作用，提高涂膜的耐洗刷性。加入过量纳米SiO2，由于胶体微粒的比表面积巨大，隔离作用减弱，粒子发生凝聚的概率增大，乳胶粒之间的界面结合力减弱，同时也因为涂膜中聚合物含量相对减少，从而削弱了基体对填料的粘结作用，使得涂膜的耐洗刷性能反而降低。2.2 硅溶胶用量对涂料附着力的影响

丙烯酸酯乳液-硅溶胶的比例不同，对涂膜的干燥时间和与基层之间的附着力产生不同的影响。表2中的试验结果表明，当丙烯酸酯乳液-硅溶胶的比例以二者的固体计0.57左右时候，涂膜的干燥时间和与基层的附着力最佳。这是因为，丙烯酸酯乳液的粒径大，渗透力差；而硅溶胶的粒径小，渗透力强，易于渗透到多孔的水泥类底材中，堵塞毛细孔，减少基材对水分的吸收，使得所涂装的涂料不会过多地被基材吸收，干燥均匀，并和底材中的碱性物质形成化学作用，增强了涂膜的附着力，同时有助于减缓泛碱现象。

表2 纳米SiO2不同用量对涂膜附着力的影响

2.4 无机纳米SiO2复合涂料性能指标

表4中的数据说明，无机纳米SiO2复合涂料具有优异的耐候性、耐水性、耐碱性、耐湿擦洗性、耐沾污性及耐温变性。这可能是因为纳米SiO2的小尺寸效应、表面活性特性、光学特性与丙烯酸酯乳液有很强的协同作用所致。

表4 无机纳米SiO2复合涂料主要性能指标

2.3 硅溶胶粒径对涂料稳定性的影响

从表3中试验结果表明，在硅溶胶添加量相同的情况下，随着SiO2粒径的增大，涂料贮存前后的黏度变化增大，涂料稳定性越差。这是因为根据Stokes公式，沉降速率与粒径的平方成正比。粒径越大，对颜料的包裹能力越差，沉降越快，黏度变

3 结论

硅溶胶单独使用时成膜性差，为得到成膜性能优良的涂料，往往要和乳液复合使用，这样给涂料带来最大的问题是贮存稳定性问题，这是阻碍其发展应用的一大障碍。通过对硅溶胶的粒径、颜填料和助剂的选择，解决了这一难题，成功研制出高性能无机纳米复合涂料。研究结果表明：当硅溶胶含量达到6%，耐洗刷性能最好；当丙烯酸酯乳液-硅溶胶的比例以二者的固体计0.57左右时候，涂膜的干燥时间和与基层的附着力最佳；在硅溶胶添加量相同的情况下，随着SiO2粒径的减小，涂料热稳定性越好。

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收稿日期：2008-07-28

作者简介：周荣，单位地址：（201318）上海浦东横桥路406号，E-mail: strongyangyang@163.com