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| 納米SiO2在涂料中的應(yīng)用研究進(jìn)展 |
| 來源：中國(guó)粉體技術(shù)網(wǎng) 更新時(shí)間：2014-09-12 11:08:40 瀏覽次數(shù)： |
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（中國(guó)粉體技術(shù)網(wǎng)/遠(yuǎn)志）納米SiO2 俗稱“超微細(xì)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(xiàn)特別的物理化學(xué)性質(zhì)，具有小尺寸、表面界面、量子尺寸效應(yīng)，以及光、熱、吸收等性能，在高溫下具有高強(qiáng)度、高韌性、穩(wěn)定性好等特性，使得其被廣泛地應(yīng)用于各個(gè)領(lǐng)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(tài)
納米SiO2 是一種無毒、無色、無污染的無機(jī)非金屬材料，單個(gè)納米SiO2 粒子因其表面作用力強(qiáng)而發(fā)生團(tuán)聚，形成一種二次結(jié)構(gòu)。在配制涂料時(shí)，首先必須對(duì)其進(jìn)行表面改性，使其處于一次分散的狀態(tài)，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(fā)生物理、化學(xué)結(jié)合的可能性，也增強(qiáng)了基體界面結(jié)合的可能，起到了提高強(qiáng)度和熱穩(wěn)定性的作用。納米SiO2 粒子為蓬松粉體狀態(tài)，純度可達(dá)99.9% 以上。
2 納米SiO2 在涂料中的應(yīng)用
在涂料中，利用納米SiO2 粒子的表面體積效應(yīng)、量子尺寸效應(yīng)和宏觀量子隧道效應(yīng)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(yīng)用越來越廣泛。
2.1 納米SiO2 在建筑涂料中的應(yīng)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(yīng)用。
金祝年應(yīng)用納米SiO2 改進(jìn)外墻涂料的性能，發(fā)現(xiàn)納米SiO2 能降低涂料的色差值，提高耐老化性。
鄧前軍等人對(duì)納米SiO2 改性外墻涂料進(jìn)行研究，將預(yù)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(fā)現(xiàn)，當(dāng)摻入4% 的納米SiO2 時(shí)，可以顯著改善涂料的穩(wěn)定性、附著力、光澤、耐沾污性等特性。
2.2 納米SiO2 在金屬防護(hù)涂料中的應(yīng)用
在全球，每年因金屬腐蝕給社會(huì)帶來巨額經(jīng)濟(jì)損失，特別是在高溫、高濕、高腐蝕的條件下，例如爐管、壓縮機(jī)、發(fā)動(dòng)機(jī)等金屬制品的內(nèi)外殼腐蝕嚴(yán)重，極大制約著關(guān)鍵技術(shù)的推廣。目前，人們成功地將納米技術(shù)使用在金屬防護(hù)涂料中，并且取得了一系列較為理想的研究成果，但尚未達(dá)到成熟階段，有待進(jìn)一步拓展。
咸才軍等人將納米技術(shù)應(yīng)用在鋼結(jié)構(gòu)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(zhì)層的強(qiáng)度，耐火極限也進(jìn)一步延長(zhǎng)，當(dāng)添加1.5%（質(zhì)量分?jǐn)?shù)）的納米SiO2 時(shí)，耐火極限可達(dá)110 min。
馬驕利用電化學(xué)阻抗譜（EIS）技術(shù)對(duì)納米SiO2 含量為5% 的有機(jī)硅復(fù)合涂層的防護(hù)性進(jìn)行研究發(fā)現(xiàn)，添加納米SiO2，可以有效抵擋侵蝕介質(zhì)的腐蝕，大大提高了其防護(hù)性能。
2.3 納米SiO2 在塑料涂料中的應(yīng)用
近些年來，我國(guó)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(fā)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(jīng)問世，應(yīng)用領(lǐng)域也在不斷拓寬。
張克杰等人采用苯丙乳液與納米SiO2 復(fù)合，制得高性能的水性納米塑料涂料。涂料性能檢測(cè)結(jié)果表明：涂膜硬度達(dá)3H 以上，在沸水環(huán)境中不發(fā)生回黏，呈現(xiàn)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(xué)反應(yīng)固化的透明硬質(zhì)涂層，極大地增強(qiáng)了有機(jī)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(yōu)良的光學(xué)性、附著力、耐磨性等。
2.4 納米SiO2 在紫外光固化涂料中的應(yīng)用
納米SiO2 具有強(qiáng)烈的紫外吸收和紅外反射等特性。在波長(zhǎng) 400 nm 以內(nèi)的紫外光照射下，其吸收率可以達(dá)到70% 以上；在波長(zhǎng) 400 nm 以內(nèi)的紅外光照射下，其反射率高達(dá)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(qiáng)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(huán)氧樹脂體系，通過紅外光譜跟蹤發(fā)現(xiàn)：隨著納米SiO2 用量的逐漸增加，涂料的玻璃化轉(zhuǎn)變溫度、表面硬度等不斷提高。從TEM 圖中可見：納米SiO2 沒有發(fā)生團(tuán)聚，而是以5~50 nm 粒徑均勻分布在環(huán)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(shí)用價(jià)值。
3 納米SiO2/ 有機(jī)硅雜化涂料的性能
納米SiO2/ 有機(jī)硅雜化涂料應(yīng)用十分廣泛，尤其在功能性涂料方面具有十分廣闊的應(yīng)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(yīng)活性強(qiáng)，加之納米SiO2 比表面積配位不足，較易發(fā)生鍵合作用，獲得理想的界面結(jié)合力，進(jìn)而提高涂膜的強(qiáng)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(lián)共聚體、氨基硅烷偶聯(lián)劑等與丙烯酸類單體、苯乙烯進(jìn)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(fù)配，制得環(huán)保型路標(biāo)涂料，呈現(xiàn)出優(yōu)異的耐磨性等。
3.2 納米SiO2在耐磨涂料中的應(yīng)用與發(fā)展趨勢(shì)
目前研制的納米涂料主要是利用雜化方法，將無機(jī)納米微粒摻入到聚合物基體中，制得有機(jī)- 無機(jī)納米雜化涂料。在有機(jī)玻璃透明件用耐磨涂料的研究中，有機(jī)- 無機(jī)雜化涂料得到了飛速地發(fā)展，其中很多研究成果已實(shí)現(xiàn)工業(yè)化生產(chǎn)，然而其表面硬度與耐磨性能在實(shí)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(chǎn)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(fā)展趨勢(shì)大概歸納為以下兩點(diǎn)：（1） 利用溶膠- 凝膠法制備光固化有機(jī)- 無機(jī)雜化玻璃用透明耐磨涂層將是未來涂料領(lǐng)域的研究熱點(diǎn)和發(fā)展方向。（2） 由于有機(jī)玻璃所用耐磨涂層的綜合性能與光學(xué)質(zhì)量要求很嚴(yán)格，市場(chǎng)需求很小，目前尚無專業(yè)廠家生產(chǎn)有機(jī)玻璃耐磨涂層，迫切需要政府的有力支持來推動(dòng)其發(fā)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(chǎn)品有2 個(gè)缺點(diǎn)：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(zhì)強(qiáng)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(shù)運(yùn)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(wǎng)絡(luò)結(jié)構(gòu)，使得納米微粒呈現(xiàn)出很高的表面活性，因而增加了涂層的致密度與結(jié)合力。白紅英等人研究了改性對(duì)環(huán)氧有機(jī)硅涂料特性的影響，將該涂料配以亞微米級(jí)的陶瓷粉，可以形成具有優(yōu)良防腐蝕性、熱穩(wěn)定性和物理機(jī)械性的致密涂層。
4 結(jié)語
隨著科學(xué)技術(shù)的不斷進(jìn)步與經(jīng)濟(jì)的跨越發(fā)展，研制高性能涂料已刻不容緩地成為社會(huì)經(jīng)濟(jì)快速發(fā)展的要求。利用不同的物理、化學(xué)技術(shù)對(duì)涂料進(jìn)行改性達(dá)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(biāo)。特別是納米材料在涂料中的推廣已成為國(guó)內(nèi)外科技人員研究的熱點(diǎn)，截止目前，納米SiO2 在涂料中的應(yīng)用還處在探索研究的階段，并且有很多關(guān)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(fā)生團(tuán)聚現(xiàn)象。
（2） 在有機(jī)硅樹脂中應(yīng)用納米技術(shù)，以提高有機(jī)硅樹脂的耐高溫性、耐磨性、硬度等性能。
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