摘要: 對納米技術(shù)及納米材料在色漿中的應(yīng)用進(jìn)行了簡要概述。根據(jù)納米材料在建筑涂料中的應(yīng)用產(chǎn)生的功能效果, 評述了納米二氧化鈦、二氧化硅、氧化鋅、碳酸鈣、銀、氧化鐵等幾個(gè)重要品種用于生產(chǎn)水性色漿后, 對水性色漿應(yīng)用性能的影響。闡述了生產(chǎn)納米色漿所采用的方法、工藝、色漿穩(wěn)定理論、全納米和復(fù)合納米色漿的制備, 著重討論了潤濕分散體系對納米色漿性能的影響。
關(guān)鍵詞:納米; 納米填料; 水性色漿; 涂料; 粒徑分布
納米技術(shù)是在20世紀(jì)80年代末逐步發(fā)展起來的前沿、交叉性新興科學(xué)。它的出現(xiàn)標(biāo)志著人類改造自然的能力已延伸到原子、分子水平, 標(biāo)志著人類科學(xué)技術(shù)進(jìn)入了一個(gè)新的時(shí)代納米科技時(shí)代。雖然納米技術(shù)發(fā)展時(shí)間不長, 但納米材料所具有的獨(dú)特性質(zhì), 已經(jīng)在涂料工業(yè)中發(fā)揮著重要作用。無論是在高檔的工業(yè)涂料(飛機(jī)、船舶與汽車涂料) , 還是普通建筑涂料與裝飾涂料(乳涂料)中, 納米材料的合理使用大大提高了涂料的耐久性、抗紫外、防霉抗菌、耐水、耐磨及耐沾污性等。
水性納米色漿是通過先進(jìn)的技術(shù)、精密的設(shè)備及合理的控制將普通顏料粒子納米化或通過納米材料與普通顏料適當(dāng)復(fù)合達(dá)到水性化和漿料化, 使其具有量子尺寸效應(yīng)、表面效應(yīng)、宏觀量子隧道效應(yīng)、介電限域效應(yīng)等納米粒子的特殊效應(yīng)。納米超微粉碎技術(shù)用于水性色漿的制備, 可使顏料分散體的粒徑變小, 粒度分布變窄, 可改善色漿的著色強(qiáng)度、色光、抗紫外(耐侯性)、透明性(鮮艷度)、抗菌防霉及狀態(tài)穩(wěn)定性等, 有些色漿還具有普通顏料無法比擬的分散性。如氧化鐵紅的超微細(xì)化(納米化)消除了由磁性吸引力而引起的絮凝現(xiàn)象, 因而易分散, 有優(yōu)良的抗絮凝性。
1. 納米材料的作用
同一種納米材料由于粒徑大小不同, 材料性能會有很大差異, 不同納米材料在對涂料改性方面也起到同的功能。納米金屬銀(Ag)在建筑涂料中具有長效殺菌防霉作用; 納米二氧化鈦(TiO2 銳鈦型)具有光催化紫外吸收、穩(wěn)定殺菌作用[; 納米碳酸鈣(CaCO3)具有增強(qiáng)作用; 納米氧化鋅(ZnO)具有殺菌、耐磨、紫外吸收作用。下面介紹幾種納米材料在涂料中的作用。
1 . 1 納米二氧化鈦( TiO2)
耐老化是涂料的一項(xiàng)重要指標(biāo), 通常涂膜在短期內(nèi)會發(fā)生老化、變黃、變脆, 甚至漆膜剝落損壞, 其主要原因是聚合物的化學(xué)鍵降解斷裂, 包括熱降解、氧化降解、水解及生物降解所引起。常溫下所使用的涂料漆膜的老化主要是由于光氧化降解引起的。納米TiO2具有較強(qiáng)的紫外線吸收和散射性能, 因此, 適量在涂料配方中添加納米TiO2, 可以有效提高涂料的抗紫外(耐老化)性能。納米TiO2 粒子在紫外光的照射下能夠分解出自由移動的帶負(fù)電的電子(e-)和帶正點(diǎn)的空穴( h+) , 形成電子空穴對, 該電子空穴對能與空氣中的和 H2O發(fā)生作用, 通過一系列化學(xué)反應(yīng), 形成原子氧 ( O ) 和羥基自由基( HO# ) , 這種原子氧和羥基自由基具有很高的化學(xué)活性, 能與細(xì)菌中的有機(jī)物反應(yīng), 生成二氧化碳和水, 從而達(dá)到殺滅細(xì)菌的作用。因此在涂料中添加納米TiO2, 還可以賦予涂料具有殺菌、防污、除臭、自潔功能, 一般用于家庭和醫(yī)院的內(nèi)墻表面,也可以把空氣、水中的有害有機(jī)毒物徹底清除, 起到清潔作用。
1 . 2 納米二氧化硅( SiO2)
納米二氧化硅是無定型白色粉末, 表面存在不飽和的殘鍵及不同鍵合狀態(tài)的羥基, 其分子狀態(tài)呈三維鏈狀結(jié)構(gòu), 這種結(jié)構(gòu)可以賦予涂料優(yōu)良的觸變性和分散穩(wěn)定性。同時(shí), 納米S i O2 具有極強(qiáng)的紫外反射能力, 在涂料中能形成屏蔽作用, 達(dá)到抗紫外老化的目的, 同時(shí)增加涂料的隔熱性。因此, 納米SiO2是一種良好的涂料添加劑。在涂料中加入納米二氧化硅可明顯改善涂料的開罐效果, 涂料不易分層, 具有觸變性,防流掛, 施工性能良好, 抗老化性能、熱穩(wěn)定性、強(qiáng)度等都會有所提高。
1 . 3 納米氧化鋅( ZnO )
納米ZnO在陽光尤其在紫外線照射下, 在水和空氣中能自行分解出自由移動的電子 ( e-), 同時(shí)帶正電荷的空穴 ( h+) , 這種空穴可以激活空氣中的氧變成活性氧, 活性氧具有極強(qiáng)的化學(xué)活性, 能與多種有機(jī)物發(fā)生氧化反應(yīng)(包括細(xì)菌內(nèi)的有機(jī)物), 從而把大量病菌和病毒消滅。因此, 將納米ZnO與其他納米材料配合用于涂料中, 可使涂層具有屏蔽紫外線、吸收紅外光及抗菌防霉作用, 既能凈化空氣, 又能抗菌除臭。同時(shí),納米 ZnO吸收紫外線能力強(qiáng), 可以作為涂料的抗老化添加劑。
1 . 4 納米碳酸鈣 ( CaCO3)
碳酸鈣作為一種顏料填充劑, 廣泛地應(yīng)用于各類涂料中, 而且添加量都比較大。納米碳酸鈣具有細(xì)膩、均勻、白度高、光學(xué)性能好等優(yōu)點(diǎn), 隨著碳酸鈣的粒子微細(xì)化, 填料粒子表面的原子數(shù)目占整個(gè)總原子數(shù)目的比例增大, 使粒子表面的電子結(jié)構(gòu)和晶體結(jié)構(gòu)都發(fā)生變化, 到了納米級水平。填料粒子會表現(xiàn)出常規(guī)粒子所沒有的表面效應(yīng)和小尺寸效應(yīng), 其具有一系列優(yōu)良的理化性能。將納米碳酸鈣添加到涂料中可增加涂料的透明性、觸變性和流平性。同時(shí), 涂膜具有納米粒子表面效應(yīng), 形成屏蔽作用, 從而達(dá)到抗紫外老化的效果與提高涂料的機(jī)械強(qiáng)度等多種優(yōu)點(diǎn)。
1 . 5 納米氧化鐵
納米氧化鐵保持了氧化鐵顏料的化學(xué)組成和晶型, 因而具有很好的化學(xué)穩(wěn)定性, 無毒、無味、價(jià)廉, 具有很好的耐溫、耐候、耐酸、耐堿及高彩度、高著色力、高透明度, 同時(shí)克服了傳統(tǒng)氧化鐵顏料飽和度低, 顏色不夠鮮艷, 限制了其在高檔涂料中的使用的缺點(diǎn)。納米粒徑的透明氧化鐵具有更強(qiáng)的吸收紫外線的能力,因此透明氧化鐵顏料不但自身光學(xué)穩(wěn)定, 而且因吸收紫外線而提高了各類高聚物的抗老化性能, 廣泛應(yīng)用于高檔工業(yè)、建筑及裝飾涂料中。
2 納米色漿的制備
2 . 1 納米色漿的主要技術(shù)關(guān)鍵
如何將普通顏料納米化、水性化、漿料化或如何將納米顏料有效分散形成均一穩(wěn)定的保持納米效應(yīng)的顏料分散體是制備納米色漿的關(guān)鍵所在。研究表明以下幾個(gè)過程對納米色漿制備進(jìn)行控制比較有效。
2 . 1 . 1 潤濕與分散
納米色漿中顏填料粒子由于具有極其微小的粒徑, 有相當(dāng)高的表面活性, 非常容易團(tuán)聚。如何將其有效的潤濕與分散, 是納米色漿必須解決的關(guān)鍵問題。納米顏料粒子的表面處理、添加方式等, 直接影響到納米色漿的分散狀態(tài)。
潤濕過程是使原有的固 / 氣兩相(顏料 / 空氣或潮氣)被轉(zhuǎn)換成固 / 液兩相 (顏料 / 樹脂或高分子聚合物溶液), 添加納米特效潤濕劑可以降低界面張力, 增加/ 鋪展張力 0 , 從而加速潤濕過程; 分散過程是如何使?jié)櫇窈玫念伭戏稚Ⅲw穩(wěn)定, 控制絮凝, 選擇配伍性好的分散劑可以長時(shí)間吸附在顏料表面, 以電荷相斥和(或)空間位阻來維持顏料分散體之間的合適空間結(jié)構(gòu), 可以有效控制顏料分散體絮凝。有報(bào)道稱, 根據(jù)納米顏料表面所帶電荷的不同加入不同的表面活性劑,表面活性劑均勻地包裹在納米顏料粒子表面, 使納米顆粒之間產(chǎn)生靜電斥力, 能夠極大地提高納米顆粒在色漿體系中的分散穩(wěn)定性; 另外, 調(diào)節(jié)涂料體系的 p H值使之與納米顆粒表面的Zeta 電位相匹配, 也是一種有效提高納米顆粒分散穩(wěn)定性的方法。不僅要防止納米材料進(jìn)一步團(tuán)聚、絮凝, 還要保持納米顏料的特殊功能。穩(wěn)定性和分散性是相輔相成的, 其分散性好,也必然具有好的穩(wěn)定性。
2 . 1 . 2 研磨工藝
選擇合理潤濕、分散劑是制備納米色漿的前提條件, 正確的添加比例與順序和精密的分散研磨設(shè)備是制備納米色漿良好的保障。顏料分散體的粒度分布效果, 在很大程度上又取決于配方本身與分散研磨設(shè)備的效率。使用強(qiáng)的剪切力使納米顏料、填料在水性體系中有效的分散, 主要包括高速攪拌、球磨分散、砂磨分散等。尤其是研磨設(shè)備, 通常情況下制備納米色漿都采用氣流粉碎 (超聲波粉碎), 可以使團(tuán)聚的顏料粒子變小, 從而使得色漿獲得納米粒子效應(yīng)。
2 . 2 納米色漿及特性
2 . 2 . 1 全納米顏料漿
全納米顏料漿是采用納米顏料 (如納米氧化鈦、納米氧化鐵、納米碳酸鈣、納米氧化鋅、納米二氧化硅 )、去離子水、特種潤濕分散劑、其他功能添加劑和特殊工藝流程加工而成的流體, 色漿中納米顏料多數(shù)以穩(wěn)定的單分散狀態(tài)存在。在涂料中使用時(shí), 納米粒子可均勻分散在涂料中, 可以充分發(fā)揮納米粒子的效率, 比直接使用納米顏料效果有明顯改善。目前, 國內(nèi)有多家專業(yè)的廠家生產(chǎn)全納米顏料漿, 主要是用于改善水性涂料的顏色色光、強(qiáng)度、抗紫外、抗菌、疏水性及罐內(nèi)穩(wěn)定性等方面。
2 . 2 . 2 納米復(fù)合顏料漿
納米復(fù)合顏料漿是通過添加多種功能助劑將普通有機(jī)顏料與納米填料 (納米碳酸鈣、納米氧化鋅、納米二氧化硅)通過一定比例混合有機(jī)分散在水相中, 形成穩(wěn)定的流體。采用納米填料對有機(jī)顏料粒子進(jìn)行保護(hù), 可以有效改善有機(jī)顏料的抗紫外能力, 同時(shí)還可增強(qiáng)水性色漿的遮蓋力與抗菌效果。復(fù)合過程中, 具有納米粒子效應(yīng)的填料有效附在有機(jī)顏料粒子表面 (周圍 ), 從而使絕大多數(shù)顏料分散體獲得納米粒子特性。
3 結(jié)語
隨著工業(yè)科技的發(fā)展和進(jìn)步, 人們對色漿各項(xiàng)性能的要求也會越來越高。顏料色漿的納米化, 可以滿足涂層的耐久性、耐氣候牢度、耐熱性、耐化學(xué)性等要求。顏料色漿的納米化, 可以改進(jìn)涂層的質(zhì)感、降低涂料成本甚至賦予涂層更高的理化性能和新的功能, 改善其表面特性以提高其在涂料體系的分散性等。