编号：TLHY00012

篇名：纳米SiOX在涂料中的分散作用

原文： 纳米硅基氧化物（简称纳米SiOX ）为无定型白色粉末（指其软团聚体），是一种无毒、无味、无污染的无机非金属材料。经透射电子显微镜测试与PET法分析，材料颗粒尺寸小，比表面积大，表面存在大量不饱和残键及不同键合状态的羟基。应用在涂料产品中能大幅提高其悬浮稳定性、流变性、耐水洗刷性、抓持力、光洁度、对比率、抗老化性和涂膜的表面硬度及自洁能力。其应用功效主要取决于纳米粉体材料在基体材料中的分散度。 　　一、分散的必要性 　　纳米SiOX的奇异性能是其获得广泛应用的前提，但也因此产生自身的团聚，使得应有的性能难以充分发挥。此外，纳米SiOX的诸多奇异性能能否得到充分发挥，还取决于最大限度降低粉体与介质间的表面张力。因此，纳米SiOX粉体必须均匀分散，充分打开其团聚体，才能发挥其应有的奇异性能。 　　纳米SiOX粒子高度分散于建筑涂料体系中，必然增加涂料体系的总界面，要求外界对体系做功，增加体系总能量，使纳米粒子在介质中不断地进行布朗运动（无规则的热运动），纳米粒子之间以及与其它颗粒之间不断发生碰撞，外部做功所增加的动能使得纳米粒子可以克服其自身间的引力，防止凝聚，保持体系的稳定。与此相反，体系的界面能减少，热运动减弱，纳米粒子的动能无法克服粒子间的引力，从而产生团聚。体系中界面能减少（即体系自由能降低）的过程是自发稳定过程，因此可认为该分散相是热力学不稳定体系。为尽量减小不稳定程度，就要降低界面张力，其最有效方法是在体系中加入高分子物或表面活性剂，降低界面之间的张力，同时据Gibbs吸附定理，界面上必然吸附稳定剂形成界面膜包敷纳米颗粒，即立体保护作用，当该吸附膜具有一定的厚度（＞10nm）和强度时，它们相互之间的排斥力可以保护纳米粒子不致聚集，膜的强度与吸附稳定剂的量有关。 　　纳米颗粒表面存在局部电荷不均，这是因为非极性键和弱极性键插入油相，极性键部分在水相中，因而极易产生吸引而团聚，如添加一些表面活性剂或无机分散剂，如多磷酸盐、羟基胺等，将在纳米粒子表面形成扩散的双电层，提高分散相的稳定性。 　　二、分散方式 　　（一）、化学预分散——无机纳米粉体表面改质 　　通过对纳米SiOX进行表面分子设计，使其具有表面疏水性或两亲性。 　　（二）、物理分散 　　在涂料的制备过程中，涂料的颗粒大小是按规定要求进行控制的，但因为粒子间的范德华力的作用，涂料的细微粒子会相互聚集起来，成为聚集体。因此，需将它们重新分散开来，这便需要很强的剪切力或撞击力，涂料中粉体（含纳米材料）的分散主要是靠剪切力的作用。纳米材料在涂料体系中分散，最好是将其与颜料或其它粉体填料预先混合，然后采用下述分散方法中的任意两种以上的方法配合使用，以达到良好的分散效果。 　　1、研磨分散：利用三辊机或多辊机的辊与辊速度的不同，将研磨料投入加料辊（后辊）和中辊之间的加料沟，二辊以不同速度内向旋转，部分研磨料进入加料缝并受到强大的剪切作用，通过加料缝，研磨料被分为两部分，一部分附加在加料辊上回到加料沟，另一部分由中辊带到中辊和前辊之间的刮漆缝，在此又一次受到更强大的剪切力作用。经过刮漆缝，研磨料又分成两部分，一部分由前辊带到刮刀处，落入刮漆盘，另一部分再回到加料沟，如此经几次循环，可达到均匀分散的目的。用三辊机或多辊机时，溶剂应为低挥发性的。纳米复合粉体和其它粉体在浸润状态下进行研磨，以提高分散性，降低环境污染，提高材料的利用率。 　　2、球磨分散：通过球磨机中磨球之间及磨球与缸体间相互滚撞作用，使接触钢球的粉体粒子被撞碎或磨碎，同时使混合物在球的空隙内受到高度湍动混合作用而被均匀地分散并相互包覆。利用球磨机分散纳米材料既可在干法状态下施行也可在湿法状态下进行。 　　3、砂磨分散：砂磨是球磨的外延。只不过研磨介质是用微细的珠或砂。砂磨机可连续进料，纳米粉体的预混合浆通过圆筒时，在筒中受到激烈搅拌的砂粒所给予的猛烈的撞击和剪切作用，使得纳米SiOX改质材料能很好地分散在涂料中，分散后的浆离开砂粒研磨区通过出口筛，溢流排出，出口筛可挡住砂粒，并使其回到筒中。 　　4、高速搅拌：对于高速搅拌，我们要求转速每分1500转以上（指配合其它分散方式），利用搅拌机强大的剪切力把材料均匀分散在涂料中。如单纯采用高速搅拌分散，建议采用转速每分5000转以上的搅拌机在以水为介质的状态下进行，但不可把纳米SiOX粉体与乳胶混合分散，以免破乳。 　　此外，纳米SiOX 在液体中分散时，也可采用超声分散、胶体磨分散，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。以使其保持稳定的悬浮性能和施工性能。 　　（三）、分散工艺 　　由于涂料配方中一般均含有乙二醇、季戊四醇，而这两种物质对改性后的纳米SiOX的分散有极大的帮助，因此生产过程中我们首先将纳米SiOX 与其他各种粉体填料（部分或全部）在以水（含有的乙二醇、季戊四醇）做介质的状态下，在砂磨机上砂磨成均匀的浆料，进而与配方中的其他组分在无级变速分散设备中进一步混合、搅拌即可。如有胶体磨，则最后可再通过胶体磨分散即可制成纳米改性涂料。实际生产中，如果没有砂磨机亦可采用研磨机代替。如生产彩色涂料，应最早将纳米SiOX 与颜料粉体或者色浆在球磨机上球磨或在砂磨机上砂磨成均匀的浆料，进而按上述工艺进一步分散。 　　三、作用与机理 　　（一）、改性作用 　　在水性体系的建筑涂料原配方基础之上，添加总重量份的3‰左右的纳米SiOX，经过充分的分散获得改性涂料。其各项技术性能指标均有很大幅度的提高：干燥时间由原来的2小时缩短到小于1小时；耐洗刷性能由1000次（外墙涂料）和100次（内墙涂料）提高到10000次以上；人工加速老化试验由240小时的一级变色、二级粉化提高到450小时无任何变化，650小时发生轻微变色，色差4.8。此外，由于纳米材料奇异的理、化特性，使得改性涂料一些无须测试的技术指标诸如涂层与基体之间的接合强度、涂膜的表面硬度、涂膜的自洁能力等也获得了显著提高。 　　（二）、作用机理 　　1、纳米SiOX具有很强的表面活性与超强吸附能力，添加在涂料中，极易与树脂中的氧起键合作用，提高分子间的键力以及涂料的施工性能与涂膜与基体之间的结合强度。 　　2、纳米SiOX具有常规材料所不具备的特殊光学特性，对紫外中长波段反射率高达85％以上，故添加在涂料中可以达到屏蔽紫外的目的，大幅度提高涂料的抗老化性能。 　　3、纳米SiOX具有的小尺寸效应使其产生淤渗作用，在涂层界面形成致密的“纳米涂膜”，大大改善涂料的耐洗刷性和涂膜表面自洁性。 　　4、纳米SiOX特有的空间网状结构，表面存在大量不饱和残键和不同键合状态的羟基，可与体系产生良好的亲和性，从而改善涂料的悬浮稳定性与流变性。