纳米硅酸铝的制备方法及在涂料中的应用

涂料的发展趋势是向高固体、水性化、粉末化方向发展，而建筑涂料率先走在了其它涂料的前列，其水性化达到了70%以上。建筑涂料主要分为溶剂型涂料、水性涂料、粉末涂料。水性涂料是目前产量和需求量均占首位的新型涂料，其毒性小、无火灾危险性、涂装简便、安全卫生。上述优点促进了其在建筑业的广泛应用。煅烧高岭土因具有白度高和光散射性能好等特点，在涂料工业中已获得了广泛应用。由于获取含铁量低的优质高岭土越来越困难，故目前不得不采用“水洗-漂白”工艺来提纯，对生态环境和水资源破坏较大。纳米硅酸铝是一种“合成高岭土”，由于其纯度高，悬浮稳定性、光散射性及其它性能俱佳，是一种优质的水性涂料，该产品一经问世便受到业内人士的青睐。
本节拟探讨纳米硅酸铝的制备方法、特性及其在建筑涂料中的应用。
一、纳米硅酸铝制备方法
1. 纳米硅酸铝的生产流程
采用偏铝酸钠（铝土矿的碱溶出物）与酸性硅溶胶（泡花碱的酸化脱钠产物）经中和、沉淀、干燥后得到结晶硅酸铝，再加入矿化剂，经1200℃高温煅烧后得到无水硅酸铝，最后加入助磨剂经超细粉碎、分级而得到本产品。
2. 纳米硅酸铝的结构特性讨论
(1) 结构特性
由于Si4+和Al3+具有相似的离子半径，在硅氧四面体SiO4中，Si4+被Al3+取代而生成含AlO4四面体的铝硅酸盐。用X代表Si和Al，则铝硅酸盐的结构可简化为XO4四面体结构。在生产中控制Al3+的含量，使Al3+与Si4+的物质的量之比为1:1时，XO4四面体通过共享氧原子而形成层状结构。具有类似SP2杂化轨道平面结构的铝硅酸盐，层间由范德华力结合，这与自然界中天然白云母矿(K2O·3Al2O3·6SiO2·2H2O)的层状结构相似。白云母矿中，Al3+与Si4+的物质量之比正好是1:1。
纳米硅酸铝的光散射性能好，与其片状表面有很高的光泽有关，这也和天然白云母矿的高光泽性相似。准确控制Al3+的含量，有利于提高产品光散射系数。
(2) 煅烧温度影响
影响硅酸铝超细分散的煅烧因素有“煅烧温度”和“持续煅烧时间”，温度高于600℃时，硅酸铝晶格中的羟基以水蒸汽的形式流失，即发生脱羟基反应，生成无水硅酸铝。当煅烧温度达1200℃时，无水硅酸铝由无定形结构转变为玻璃态结构，经超细分散，不会发生二次团聚，有利于制备纳米材料。在生产中采用行星磨和超微细分级机并加入助磨剂，制得了对可见光漫反射性能良好的纳米材料，其平均直径为50 nm，而控制煅烧温度，有利于晶型转变和制备纳米材料。
(3) 纳米硅酸铝的悬浮功能
在1200℃持续煅烧60 min，可形成分子筛状的多孔性产品，这种孔内藏有大量空气的纳米材料能悬浮于水中，并有很高的白度。
如下为简单的悬浮实验过程。称取纳米硅酸铝、钛白粉和碳酸钙各2 g，分别投入3只250 ml的烧杯中，加相同量的水搅拌均匀，进行观察。结果表明钛白粉和硅酸铝的不透明度最高，碳酸钙呈半透明状；5 min后，钛白粉和碳酸钙沉降于烧杯底部，而硅酸铝在几小时内始终悬浮在水中。实验证明纳米硅酸铝是具有悬浮功能的水性涂料填料，产品的悬浮性可通过控制煅烧时间来提高。
(4) 矿化剂在煅烧中的作用
纳米硅酸铝的合成通过固相反应实现，矿化剂是为了促进铝硅酸盐固相反应效果而加入的添加剂。矿化剂促进了产物的相变和晶格构造，其作用是与反应物在煅烧时形成固溶胶，使反应物晶格活化，有利于产物向类似白云母矿的层状晶型转化。在生产中加入硼砂(Na2B4O7·10H2O)，矿化效果很好。但是应当指出，少量的矿化剂有利于矿化反应，而矿化剂用量过多时，不仅增加了成本，而且增大了离子扩散传质路程，减缓固相反应的速度，并使产品严重结块，难以制成纳米材料。
二、纳米硅酸铝在乳胶漆中的应用
按国家标准GB/T 9755-1996《合成树脂乳液外墙涂料》一等品耐洗刷性应大于1000次的要求及GB/T 9756-1996《合成树脂液内墙涂料》一等品耐洗刷性应大于300次的要求，按颜料/基料比为4:1进行内墙涂料配方实验，性能对比见表12-5。
目前对纳米颗粒材料的研究方法比较多，较直接的方法有电镜观测，包括扫描电子显微镜(SEM)、透射电子显微镜(TEM)、扫描穿透式电子显微镜(STEM)、扫描隧道显微镜(STM)等，间接方法有电子衍射、X-射线衍射法(XRD)，中子衍射，光谱方法有扩展X-射线吸收精细结构(EXAFS)、近边缘X射线吸收精细结构(NEXAFS)、表面X射线吸收微细结构(SEXAFS)、电子自旋共振(ESR)、核磁共振(NMR)、红外光谱(IR)、拉曼光谱、紫外可见分光光度法(UV-VIS)，荧光光谱正电子淹没、动态激光光散射(DLS)等。
表1 乳胶漆颜料配比与涂料性能

三、结语
作为一种新的纳米材料的制备方法，微乳反应器法具有实验装置简单，操作方便，应用领域广，并且有可能控制微粒的粒度等优点。目前该方法逐渐引起了人们的重视和极大的兴趣，有关微乳体系的研究日益增多，但还处于较初步的阶段，微乳反应器内的反应原理、反应动力学、热力学及化学工程等问题都有待解决。但是我们相信，微乳化技术作为一种新的制备纳米材料的技术，必将成为该领域不可替代的一部分。