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无机涂料之硅溶胶涂料

作者:许士龙 等日期:2021-06-15浏览:187
导读:硅溶胶涂料是以胶体二氧化硅的水分散液为成膜物质,混以颜料、填料、助剂搅拌分散而成的一种无机涂料。

硅溶胶涂料是以胶体二氧化硅的水分散液为成膜物质,混以颜料、填料、助剂搅拌分散而成的一种无机涂料。成膜物质硅溶胶是一种粒径为1~100nm 的多聚硅酸的高度分散物。涂料是由基料硅溶胶与有机乳液(纯丙、苯丙、醋酸乙烯酯、氯仿等乳液)复合组成,颜填料主要由钛白粉、轻钙、滑石粉组成,同时需加分散剂、成膜助剂、增稠剂等材料。

硅溶胶涂料的性能

因为硅溶胶在与基材的表面进行交联和固化后,涂层的表面由Si-O-Si 键所构成,Si-O 键能很大,所以硅溶胶涂料的刚性强,涂料所构成的膜致密、坚韧、硬度高、耐磨性能好。涂层的抗氙灯老化性能也随之得到了提高,同样也是因为硅溶胶在基材的表面进行交联固化后,表面内部所含Si-O键的键能较大,破坏Si-O 键所需要的能量比原来更多,而且要远远超过破坏C-C 键所需要的能量,随着涂料中硅溶胶元素含量的增大,它们可以有效改善涂层的坚韧性和耐氙灯老化的性能,但是涂层的附着力等其它性能都会被影响。随着硅溶胶在涂料中使用率的提升,涂层的附着力则呈现出减弱和下降的趋势,尤其是当涂料组成为全硅时,附着力就会明显减弱。这主要是因为当二氧化硅含量很高时,无机涂层的脆性比较大,容易产生裂纹,导致涂层和基材之间的附着力比较差。同时还可以发现,当硅溶胶的含量太高或者过低时,涂层的抗水性和耐湿热性均比较差,从其抗腐蚀性来说,单纯硅溶胶的抗氧化和防腐性能并不理想,故一般都需要针对硅溶胶进行修饰改性,或者加入有机物来形成有机-无机杂化硅溶胶的涂料。

硅溶胶的改性

改性后的硅溶胶耐水性显著提高,粘接力增强,延伸性和耐老化性都有显著的提高。崔学军通过甲基三甲氧基硅烷的水解-缩聚对工业硅溶胶改性,获得了透明的改性硅溶胶及涂层,涂层具有一定的耐高温性能。改性后的硅溶胶涂层内部的大量羟基在200℃左右交联固化完全,在500℃左右发生Si-C 键的燃烧分解。改性硅溶胶涂层由非晶态物质构成。改性硅溶胶涂层表面光滑致密,并具有一定的耐腐蚀性能,随热处理温度(≤500℃)的升高,涂层更致密,耐腐蚀性能增强。

有机-无机杂化硅溶胶涂料

有机-无机杂化涂料(即有机-无机纳米复合杂化涂料)是指至少可以包括一相且其尺度至少在一维上长度小于100nm、并且因为其纳米相的广泛存在从而使其生物化学性能可以得到显著的大幅提高或者使其具有新的化学功能。在分子水平上将有机分子组分的材料直接引入无机组分材料中,就必然可以大大提高无机涂料的化学柔韧性;反之,将无机分子组分化学材料引入有机组分材料中则也就能够大幅度地有效提高它们的化学刚性、耐热和化学防腐蚀性。将有机、无机的化学组分进行了分子等级的三维复合,使两者的化学特点与性能充分结合到一个物质上,使得两种材料的化学性能起到相辅相成的作用,这些也就是当今科学家们不懈奋斗努力追求的目标。有机涂料高分子膜既能均匀地紧密分布在Si-O 涂料膜的各层空隙中,不仅有效地消除了上述的性能缺陷,而且还同时使它具有防止Si-O-Si、O-Si-O 的进一步环化、网化等三维方向不断发展的特殊化学性质,从而大大地增加了有机涂料内膜的硬度韧性,提高了有机涂料的抗压强度和冲击力,也大大地改善了有机涂料的化学稳定性,而且对于涂料基层的附着也有作用,且有机硅溶胶由于脱水后的有机二氧化硅不再属于能够完全溶解在水中且有机硅的化学含量也比较高,故它同时具有良好的耐水性与良好的耐候性。利用溶胶-凝胶方法制造有机-无机杂化涂料,这一技术在近年来成为热门的科学技术研究课题。有机-无机杂化材料综合了有机聚合物和其他无机材料的各种优良性能,具有很强的力学性能、抗高温、柔韧性好等特点。另外,杂化材料还能以分子水平来控制各种物质的结构,使得材料在化学和物理上都会发生丰富变化。

黄月文以四乙氧基硅烷与一些有机硅氟烷作为主要原料,通过溶胶-凝胶方法,在催化剂和高温加热的条件下,制备了一种醇基纳米杂化的有机硅溶胶。在使用甲基三乙氧基硅烷:四乙氧基硅烷浓度为4:1 时,涂膜的疏水性强,硬度9h,附着力1 级,冲击强度可以达到500N·cm 以上,而且在成本相对较低的情况下兼顾到了更优越的抗蚀、防污染及抗洗刷等性能。王政芳利用自由基聚合反应制备硅丙乳液,然后采用溶胶-凝胶法,将自制的硅丙乳液与硅溶胶和钛溶胶进行杂化反应,制备出一种有机-无机杂化涂料,对其涂膜的耐水性、耐溶剂性、接触角、自清洁性能及其应用进行了研究实验,研究结果表明:由于该有机-无机化学杂化溶剂涂料与膜的接触角为50°-60°之间,涂膜对亚甲基蓝具有良好的化学分解作用,涂膜也因此具有自清洁的保护效果。涂膜中具有良好的化学抗热性和耐腐蚀性,抗溶剂的化学稳定性,浸泡24h 后不会轻易出现涂膜起皮、起泡、脱落等不良情况的发生。

展望

近年来综合性能较好的有机无机复合涂料的研究,再次引起人们的关注。利用硅氧烷、有机树脂等改性剂使硅溶胶涂料保留无机的优点同时兼具有机的特性。无机硅溶胶以混溶或乳液聚合的形式与有机高聚物乳液相复合,表现出良好的涂料特性和应用前景,硅溶胶涂料优良的性能与较高的生态效益在当前具有非常大的市场与发展潜力。

无机涂料之硅溶胶涂料

本稿资料来源:许士龙, 王文硕, 靳通, 杨彭, 谷慧敏, 王志义. 无机涂料的种类、机理及展望 [J]. 山东陶瓷, 2021, 44 (1): 1-8.

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