纳米材料在涂料中的改性和应用

近年来, 全球涂料工业正朝着更适应环境要求的水性、高固体、无溶剂、粉末和射线固化的涂料方向发展。利用纳米材料改性提高涂料产品质量是目前涂料领域的研究方向, 纳米材料可大幅度提高涂料产品的抗辐射、耐老化性能与剥离强度、悬浮性、流变性、耐洗刷性、光洁度、对比率和涂膜的表面硬度及自洁能力。
 

1 纳米材料对涂料的改性

1. 1 提高涂料的耐老化性能

纳米SiO2 是不定型的白色粉末, 测试表明, 纳米SiO2 具有紫外线吸收、红外线反射的光学特性, 对波长为400 nm 以内的紫外线吸收率可达70% 以上, 对波长为80nm 以外的红外线反射也可达70%以上。由于其分子结构中存在着大量的不饱和残键和不同状态的羟基与树脂的某些基团发生键合作用, 可大大改善材料的热稳定性和化学稳定性。又由于其表面配位不足, 表现出极强的活性, 可以对颜料等色素粒子起吸附作用, 大大降低由于UV 的照射而造成色素的衰减, 从而减少涂膜的/ 粉化0 。纳米金红石型TiO2 独特的高紫外吸收性能和特有的白度, 使在涂料工业中替代粗粒TiO2 作为白色颜料, 提高涂料抗氧化性能的首选材料。

1. 2 提高涂料的隐身性能

隐身涂料的研究已经成为现代军事对抗的一种手段。隐身涂料是能有效地吸收入射雷达波并使其散射衰减的一类功能涂料。在涂料中添加纳米材料, 如纳米T iO2 , 可制成吸波隐身涂料, 用于隐形飞机、隐形军舰等国防工业领域及其它需要电磁波屏蔽场所的涂敷。纳米ZnO 等金属氧化物是隐身涂料研究的热点。

1. 3 提高光催化效率

近年来研究较多的是纳米T iO2 的光催化性能, 它是目前光催化降解领域最受重视的一种光催化剂, 广泛应用于废水处理、有害气体净化、日用品、建材等领域, 并可作为添加剂制成环境保护涂料及杀菌涂料, 可将烃类、卤代物、羧酸、表面活性剂、染料、含氮有机物、有机磷杀虫剂等较快地氧化降解为CO2 和H 2 。

1. 4 提高抗静电性能、抗菌性能

纳米ZnO 具备常规材料所不具有的光、热敏感等性能, 具有杀菌抗红外等功能, 用于涂料中起到很好的杀菌和抑菌效果。纳米氧化铜具有粒度细、活性高、表面积大和诸多奇异的理化特性, 加入树脂中具有良好的静电屏蔽作用, 对于涂料的抗静电有着良好的效果。

1. 5 提高涂料的耐洗刷性

传统涂料由于耐洗刷性差, 时间不长墙壁就可能变得斑驳。应用纳米材料后, 使涂料的许多性能大幅度提高, 外墙涂料的洗刷性由原来的1000 多次提高到约1 万多次, 老化时间也延长了许多。
 

2 纳米材料在涂料体系中的分散

2. 1 分散的必要性

纳米材料在涂料中如何能达到纳米级的分散并保持分散稳定性是基本要求。超细粒子, 特别是100nm 以下的纳米尺寸的粒子, 由于它们具有大的比表面积, 常常团聚成二次粒子, 从而减小体系的总表面能或界面能。因此纳米材料粉体在使用过程中首先要通过纳米材料的表面处理、添加方式、分散设备的选择来改变其表面的物理化学性能, 从而改善纳米粉体的适用性。同时必须均匀分散, 充分打开其团聚体, 才能发挥其应用的奇异性能。
2. 2 分散方法

目前, 涂料制造通常采用以下几种分散方法。

2. 2. 1 化学分散

通过对纳米材料进行表面分子设计, 使其具有表面疏水性。如对其表面进行有机或无机处理, 处理后的纳米材料具有疏水性。另一个为表面两亲性, 选用的处理剂分子具有2个以上的官能基团, 除1 个与纳米材料反应外, 另外的既有亲水性, 又有疏水性, 经处理的纳米材料具有两亲性。
2. 2. 2 物理分散

涂料的细微粒子聚集在一起, 需要靠很强的剪切力或撞击力的作用, 使其在基体中均匀分散, 主要包括研磨分散、球磨分散、砂磨分散、高速分散等。

( 1) 研磨分散

利用三辊机和多辊机速度的不同, 将研磨料投入加料辊和中辊之间的加料沟, 二辊以不同的速度旋转, 部分研磨料进入料缝并受到强大的剪切的作用, 通过加料缝, 又一次受到更强大剪切力作用。经过刮漆缝, 研磨缝, 研磨料又分为两部分, 一部分附在加料辊带到刮刀处, 落入刮漆盘, 另一部分再回到加料沟, 如此循环, 可达到均匀分散的目的。

( 2) 球磨分散

利用球磨分散, 纳米材料既可在干法也可在湿法状态下进行。通过球磨机中球磨之间及磨球与缸体间的相互滚撞作用, 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混合作用而被均匀地分散并相互包裹。
( 3) 砂磨分散

利用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激烈的撞击剪切作用, 使得纳米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) 高速分散

利用搅拌机强大的剪切力把材料均匀的分散在涂料中。此外, 纳米材料在液体中分散时, 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和施工性能。
 

3 实验分析

多次在原水性涂料配方基础上添加了总量0.3/ %左右的纳米材料, 经过充分的分散获得改性涂料, 以普通外墙涂料为例, 各项指标明显大幅度地提高: 干燥时间由原来的115min缩短到50min; 耐洗刷性由原来的1100 次提高到10000 次以上; 人工加速老化明显提高; 涂层与基体之间的粘合强度, 涂膜的表面硬度, 涂膜的自洁能力等各项指标获得显著提高。
 

4 结 语

纳米材料经过有效的化学、物理分散手段均匀地分散在涂料体系里, 可以大幅度地提高产品的各项性能, 但纳米涂料要实现工业化应用在纳米材料价格、纳米材料颗料/ 媒体间的界面性质、表面活性、纳米材料的分散性、颗粒混入介质等问题上还有一定的困难。随着纳米材料应用技术的不断发展,在应用方面存在的各种问题将会逐渐解决, 开发和制备性能优异的涂料具有广阔的应用和发展前景。