编号：TLHY00033

篇名：纳米二氧化硅的分散技术及其在涂料中的应用

机构： 上虞市宇达化工有限公司

原文： 近年来，随着纳米产业的快速发展，纳米改性涂料也成了广大涂料生产企业和研究机构开发研制的重点和热点。特别是纳米二氧化硅，作为一种较为廉价的纳米材料，又能有效提高涂料的颜料悬浮性、触变性、粘接性、自洁性、抗老化性和耐紫外线、耐洗涮等性能，已越来越多地被作为改性材料应用于涂料行业。 然而，随着纳米粉体材料的广泛应用，“分散难” 的问题也显得越来越突出。这主要表现在：一，纳米材料的分散往往需要用专用的分散设备，如高速搅拌机、研磨机、超声波发生器等，而且工艺繁琐，导致分散成本很高；二，即使使用了专用设备和繁琐的工艺进行分散，其分散效果仍不理想，这极大地影响了纳米材料的改性效果，也因此极大地制约了纳米二氧化硅在涂料中的推广应用。 例如，一种常规的纳米二氧化硅分散方法为：先将纳米二氧化硅用0.5-1.0%的硅烷偶联剂处理后，用醇水稀释液或丙酮或其他溶剂混合分散，然后再用高速搅拌或超声波等方法进一步分散，得到所需的纳米二氧化硅分散液。但通过这种复杂的分散过程所分散得到的却还仅仅是一个个小粉团 (即团聚体)的分散体，而远非单个纳米颗粒的分散体，从外观上看，这种分散液也往往是乳白色浆状不透明的，而里面的团聚体的颗粒一般也在几百至几千纳米。由于分散颗粒过大，既无法克服颗粒间的范得华力和重力的自然沉降，导致分散液无法稳定存放，同时也严重地降低了纳米二氧化硅的利用率，抑制了其优越性能的充分发挥，大大降低了实际使用的效果。为了增加改性效果，有的厂家还不得不采取加大纳米材料用量的方法，从而更增加了其直接成本。 可以说，纳米材料应用技术的明显滞后已成为纳米产业飞速发展的瓶颈，而分散技术的欠缺又成了纳米材料应用技术提高的瓶颈！ 针对这一现状，上虞市宇达化工有限公司从2001年起调整企业研究重心，从纳米材料生产技术的研究调整到了纳米材料应用技术的研究。通过近两年时间的钻研和试验，现已在纳米粉体材料的分散技术上有了重大突破。 纳米材料由于颗粒极微，其表面原子比率很高，比表面积很大，所以颗粒间往往会通过范得华力、氢键以及少量一些共价键的作用而相互吸引，形成二次粒径、三次粒径，即团聚体。这就是许多纳米材料原生粒径很小(十几到几十纳米)，而实际表现出来的颗粒较大(几百至几千纳米)、改性效果不够显著的原因。通过研究我们发现，纳米材料团聚体颗粒间的作用合力(范得华力、氢键、共价键之和)往往在30kJ/mol以上，而一般的搅拌设备即使到5000转/分的搅拌速度时，其剪切力也只能达到10-20kJ/mol，所以常规的机械分散方法无法使纳米材料真正“解聚”、充分分散。 在探索了多种可行性方案后，上虞市宇达化工有限公司研究人员研究出了一种全新的化学分散方法：即，在分散时创造出一种新的作用力，该作用力明显大于纳米材料团聚体中的作用合力，使团聚体在该作用力的拉动下被分离，使纳米材料彻底“解聚”。事实证明，我们以上的分析和所采取的措施是完全有效的，目前，我们已经能将所有纳米粉体材料，以单个纳米颗粒为单位，分散到任何一种溶剂介质中。这项分散技术现已申请了国家发明专利。 例如：运用上述技术，我们成功地将纳米二氧化硅粉体均匀地分散到了水性介质中，得到了一种稳定、透明、清亮的纳米二氧化硅分散液。这种分散液可直接加入到苯丙、纯苯系等多种水性涂料中，无需用高速搅拌机、研磨机、超声波等分散设备，也无需改变涂料配方，只需普通搅拌设备即可将纳米材料充分分散到普通涂料中，轻易制成性能优越的纳米改性涂料，提高涂料的涂覆性、粘接性和自洁性，增加涂料的白度，改善涂料的耐水、耐洗涮、耐腐蚀、抗紫外线、抗老化、耐候等性能。这个产品已经在一些涂料厂家被成功地使用，使用效果十分明显。 这种纳米二氧化硅分散液（以YD-11为例）的理化指标如下： 外 观 微乳白透明至半透明液体 nm-SiO2含量(wt) 11±0.5% nm-SiO2粒径 10-20nm PH值(25℃) 7-9 黏度(25℃) <25 C.P 密度(25℃) 1.05-1.15g/cm3 水 溶 性 与1：1水完全混溶，无析出物 通过研究和试验我们还发现：在涂料中纳米二氧化硅的最高有效作用量约为2%，即当纳米二氧化硅的加入量超过2%时，其改性效果便不再明显上升；当纳米二氧化硅的加入量为0.5-1.5%时，加入量的增加与改性效果的提高基本成正比。所以，对一般涂料的改性，建议涂料厂家在使用纳米二氧化硅时，以选择1%左右的加入量为较宜。 小结： 1、由于一般的搅拌设备的剪切力明显小于纳米材料团聚体内纳米颗粒间的作用合力，常规的机械分散方法无法使纳米材料真正“解聚”、充分分散，影响了纳米材料性能的发挥。 2、上虞市宇达化工有限公司采取的化学分散方法，可使纳米材料彻底“解聚”、以单个纳米颗粒为单位均匀分散到任何一种溶剂介质中，较好地解决了纳米材料的分散问题，并且这种纳米二氧化硅乳液可直接加入到涂料中、无需专用分散设备就可制得性能卓越的纳米改性涂料。