用于水性涂料的铝银浆研究

用于水性涂料的铝银浆研究

向红印， 蔡晓兰， 高首磊， 乔维
(昆明理工大学材料与冶金工程学院， 云南昆明650093)

0 引言
铝银浆是一种由特细雪片状或银元片铝颗粒经特殊工艺处理的浆状铝颜料。铝银浆的光学效果因铝颗粒大小、铝粒子分布及粒子表面处理方式的不同形成很大差异。为满足复杂度更高的要求，遂采用先进的粒子表面处理工艺来提供各种特殊性能的产品[1]。水性铝银浆的研究早在20 世纪50 年代就已开始，如德国的Eckart-werke 等人于1956 年提出将片状铝粉与亲水性胶体溶液混合制备水性铝银浆。目前制备水性铝银浆的生产方法主要有物理保护法和化学保护法两种。物理保护法是在片状铝粉表面涂一层透明的树脂保护膜，而化学保护法则是用钝化剂处理片状铝粉，使其颗粒表面形成一层不与水反应的钝化膜[2]-[7]。本实验采用硅烷偶联剂（KH-550）、丙烯酸树脂、酒精、乙酸乙脂等，在铝粉表面包覆一层含硅聚合物膜，有效地提高了铝粉的耐腐蚀性能，阻止铝粉表面在球磨制备过程中与溶剂水发生反应，在滚筒式球磨机的研磨下，用水作溶剂成功地制备了铝银浆。

1 实验
1.1 主要试剂及设备
铝粉（市售）、硅烷偶联剂（KH-550，市售工业品）、丙烯酸树脂、乙酸乙酯、酒精、蒸馏水、复合助剂（自制）；滚筒式球磨机(JDIA-40)、钢球若干、搅拌器；SEM 扫描电镜（荷兰飞利浦公司制造）、EQUINOX 55 型傅里叶红外光谱仪等。
1.2 铝粉的表面预处理
铝具有还原性，极易被氧化，未经处理的铝粉会与水反应生成氢气造成涨听效应（反应式（1）），因此，铝粉的表面处理至关重要。金属铝表面的氧化膜透明，且有很好的耐化学稳定性，这使铝粉的表面包覆成为可能。
2Al+6H2O=2Al(OH)3+3H2↑ （1）
为了解决铝粉的“发气”问题，本实验采用有机物硅烷包覆铝粉。称取一定量的铝粉置于250mL 烧杯中，用酒精做溶剂超声分散。将分散好的铝粉移至500 mL 烧杯中，于60 ℃恒温水浴锅中充分搅拌制成A 液；用酒精溶解丙烯酸树脂，加入硅烷偶联剂和乙酸乙酯制成B 液。向A 液中倒入B 液，控制A、B 液一定的反应比例。待反应结束后，让反应液自然冷却并用搅拌器搅拌2 h 左右，静置一天，滤去上面清液后，自然干燥，就制得已经包覆好的铝粉。
1.3 铝浆制备的工艺过程
将处理好的铝粉、蒸馏水以及助剂（主要有分散剂、表面活性剂等）放入滚筒式球磨机中，再放入钢球，连续研磨12-24 h。通过筛选分级制得用于水性涂料的铝浆。其工艺流程如图1[3]。

2 实验结果与分析
2.1 包覆条件的探索
本实验研究了各种包覆剂对铝粉的包覆情况的影响。如表1 所示。前面6 种包覆剂对铝粉没有包覆效果，在研磨过程中产生气泡，粉黑。而在酒精、硅烷偶联剂、丙烯酸树脂、乙酸乙酯等包覆下，
铝粉表面包覆一层含硅聚合物膜（IR 分析），通过球磨制得铝浆亮、光泽度好，SEM 电镜分析，其铝浆粒径分布均匀，径厚比≥80：1，其片成圆饼状，成片状化程度很好。

2.2 铝粉的表面包覆结果讨论
铝粉的表面处理最重要的就是实现铝粉表面的羟基化。丙烯酸树脂具有很强的粘结性，且含有高羟基等极性基团，具有很强的亲水性，吸附在铝粉表面与铝粉反应，使铝粉表面实现羟基化。当溶液中存有硅烷时，硅烷在乙酸乙脂作用下发生溶解，硅烷的Si-OH 之间脱水缩合成Si-OH 的低聚硅氧烷，低聚物中的Si-OH 与铝粉表面上的-OH 形成氢键，加热固化过程中伴随脱水反应与铝粉形成Si-O-Al 共价键。含硅聚合物膜包覆在铝粉表面，起到保护铝粉的作用，防止铝粉被氧化。
图2 是包覆后的铝粉红外光谱图(IR)。从图中可以看出，包覆后的金属铝粉在3569 cm-1-3527 cm-1之间出现了O-H 的伸缩振动特征吸收峰，这是因为铝粉包覆过程中加入酒精，羟基树脂等含高羟
基的物质，说明铝粉表面被羟基化；在3289 cm-1-3248 cm-1 之间出现了N-H 伸缩振动特征吸收峰，说明硅烷偶联剂（KH-550）确实包覆在铝粉表面；在2957 cm-1-2933 cm-1 是C-H 伸缩振动区，而在1700 cm-1-500 cm-1 为单键的伸缩振动和弯曲振动区。在此区域无特征基团的吸收频率，但却是有用的指纹区，相似分子结构略有改变，也会在此区域显示出差异；在1651 cm-1 和1628 cm-1 出现Si-O-Si 键，在1145.44 cm-1 出现Si-O-Al 键的特征吸收峰，表明铝粉表面包覆了一层含硅聚合物膜。

2.3 铝浆粒径分析
图3 是本实验制备的铝浆粒度分布图。从图中可以看出，铝粉平均粒度为24.40 μm。铝粉累积到10%（D10）所对应的粒度为12.72 μm，铝粉累积到50%所对应的粒度（D50）为22.14 μm，累积到90%（D90）所对应的粒度为37.69 μm，即铝粉粒度有80%的粒度都分布在12.72 μm -37.69 μm 之间，表明铝浆粒度分布均匀，分布范围窄，保证了铝浆的稳定性能（以上数据均采用济南润之公司生产的rise 2002 激光粒度仪测量）。

2.4 铝浆表面的SEM 电镜分析
图4 是用水作溶剂制备铝浆的电镜图。从图4（a）可以看出，用水作溶剂制备铝浆团聚较少，几乎没有焊合，具有较好的金属效应。从图4（b）可以看出，铝粉平均粒度分布在20 μm 左右，铝粒子成圆饼状，表面光洁，没有发生卷曲，不仅有利于提高铝粉的遮盖力。而且有利与光线的镜反射，金属光泽度高，饼状铝粉耐摩擦，在调制涂料时不致破坏而失去光泽[7]。从图4（c）和图4（d）可以看出，径粒分布较均匀，铝粉片较薄，大概分布在200-300 nm 之间，边缘较规则，可以增加光的散射，所以铝粉的金属效果就更加均匀。径厚比≥80：1，因为铝粉在球磨前经过酒精分散，使铝粉不容易黏合、聚集，在球磨过程中没有或有少量发生二次重叠、穿孔、焊合，片状化程度较好。

2.5 铝粉EDS 能谱图元素分析
图5 是用水作溶剂制备铝粉的EDS 能谱图。从图中可以看出，铝的峰明显强于硅和氧的峰，说明铝粉的含量占主导。从表2 可以得到印证，氧所占的质量百分含量为5.17%，说明铝粉在球磨过
程中只有极少量被氧化。铝粉表面含有硅元素，所占的质量百分含量为4.81%，说明铝粉表面确实含有一层含硅聚合物膜，且起到保护铝粉作用。包覆效果良好。

3 结论
1）通过硅烷偶联剂、丙烯酸树脂、乙酸乙酯等成功地在铝粉表面包覆一层含硅聚合物膜，且对铝粉具有优异的保护效果。
2）通过IR 分析表明，铝粉在硅烷偶联剂等包覆作用下，表面出现了Al-O-Si 特征吸收峰，铝粉表面形成一层含硅聚合物膜。采用SEM 分析，包覆铝粉在用水作溶剂制备片状铝粉时，铝浆成片
形状良好，平均粒度在20 μm 左右，片厚比≥80：1，铝粉没有黏合、聚集，在球磨过程中没有或有少量发生二次重叠、穿孔、焊合。采用X 射线能谱仪（EDS）元素分析，O 的相对百分含量为5.17%。Si的相对质量百分含量为4.81%。
3） 经表面包覆的铝粉在改性助剂的助磨下，用水作溶剂制备片状铝粉是可行的。