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探讨纳米硅溶胶复合涂料稳定性的五个因素

发表时间:2022-07-27 11:13

硅溶胶复合涂料对丙烯酸酯乳液类涂料的改善作用或者说这类涂料的优异性能已经得到认同。但是,这类涂料的贮存稳定性问题也一直受到重视,原因是稳定性问题影响这类涂料的使用。

    影响贮存稳定性的因素有复合涂料体系的pH值、硅溶胶粒子的粒径、颜料、填料、拼混使用的乳液性能和助剂的使用等。

1、复合涂料体系的pH值
    pH值对硅溶胶类复合涂料稳定性的影响至关重要,处于pH值为7的中性状态的硅溶胶会迅速凝胶。因而,硅溶胶在生产时必须尽快地越过中性区而使之避免出现凝胶。

    根据对硅溶胶体系的pH值与稳定性关系的研究也发现当硅溶胶的pH值为7和大于12时,硅溶胶最不稳定。这是因为当pH值等于7时,硅溶胶颗粒表面双电层消失;而当pH值大于12时,硅溶胶转变为模数等于或大于5的水不溶性硅酸钠而发生凝胶,导致体系不稳定。

    pH值对硅溶胶稳定性的影响可以从硅溶胶自身的结构中得到解释。纳米硅溶胶胶体粒子表面一般都带电荷,并分散于介质中,SiO2和水作用发生水化,产生羟基,羟基解离使粒子的表面带电。粒子表面的电位随介质的pH值发生变化。

    在低pH值条件下,因质子的加入,SiO2粒子表面带正电。当提高体系的pH值时,因OH-的作用SiO2粒子表面带负电。粒子表面电荷为零时介质的pH值即是该氧化物的等电点。SiO2的等电点,即pH值在1.5-3.7之间。因而,通常商品硅溶胶有两类:一类是碱性氧化钠稳定型,pH值在8.5-10.5之间;一类是酸性稳定型,pH值在2-4之间。

    实际上,当pH值>7时,SiO2胶体粒子表面全部带负电,胶体因静电排斥而稳定;而当pH值<3时,SiO2胶体粒子表面全部带正电荷,胶体亦会因静电排斥而稳定。在3<pH值<7的情况下,胶体易凝聚而破坏。当氧化钠含量过多,pH=11时,胶体也易凝聚而破坏。因此,当硅溶胶和合成树脂乳液复合时需要保证体系的pH值呈弱碱性,即使体系的pH值在8.5-10.0之间。

     因此,在生产硅溶胶类复合涂料时,应当设法将涂料体系的pH值控制在8.5-10.0的范围内以保持涂料的稳定性。至于调整涂料体系的pH值的方法,可以用最常见的氨水进行调整,也可以用其他更为优异的涂料助剂材料调整。


2、硅溶胶粒子的粒径
    硅溶胶粒子的粒径分布在5~30nm之间,在此范围内,硅溶胶外观基本成透明状态。

    在粒径小于5nm时,胶体微粒的比表面积巨大,水的隔离作用减弱,粒子发生凝聚的概率增大。在粒径大于30nm时,硅溶胶外观出现浑浊,对颜料的包裹能力差,涂料沉降快,不稳定。

    小粒径硅溶胶的添加量低时(<12%),涂料的稳定性好;用量大时涂料的稳定性下降,涂膜的耐水性也下降,浸水易起泡。

    大粒径的硅溶胶的添加量大,体系的稳定性好。对于使用纯硅溶胶配制的无机涂料体系,硅溶胶有凝聚的可能性。

3、颜料、填料
    当复合涂料体系的颜料、填料选用不当时也有导致涂料体系不稳定的可能。

    例如,涂料体系中使用了氧化锌、游离氧化钙含量较高的轻质碳酸钙等,就有可能造成这类涂料的贮存稳定性不良。

    复合涂料中不宜使用氧化锌颜料的原因在于氧化锌作为颜料使用时其活性较大,且Zn2+具有导致某些使用阴离子乳化剂的乳液破乳的可能性,而复合涂料的成膜物质中的有机组分即为合成树脂乳液(例如丙烯酸酯类乳液、聚醋酸乙烯酯类乳液和有机硅丙烯酸酯共聚乳液等)。因而,白色颜料仍以使用金红石型钛白粉为宜。

    轻质碳酸钙是由氧化钙和二氧化碳反应而得到的。当因各种原因的影响而使碳化进行得不完全时,产品中就会残留有含量较高的游离氧化钙。这部分氧化钙会改变涂料体系的pH值。此外,其中的游离氧化钙还会影响乳液的钙离子稳定性,又有可能和硅溶胶产生下述化学反应:

Ca(OH)2+H2SiO3→CaSiO3●2H2O

所生成的凝胶,是具有一定强度的固体,从而导致涂料体系不稳定。

4、拼混使用的乳液性能的影响
    不同性能的硅溶胶与同一种合成树脂乳液(主要指丙烯酸酯乳液或苯丙乳液)拼混使用时,或者二者拼混的比例不同时,所得到的复合体系会表现出不同的稳定性。同样,同一种合成树脂乳液与不同性能的硅溶胶拼混使用,或者二者拼混的比例不同时,也可能得到稳定性不同的复合体系。硅溶胶和合成树脂乳液复合时有一个品种适应性和最佳比例的问题,因而,在制备复合涂料时,应对所选用的原材料进行试验。

5、助剂
    助剂会影响复合涂料的稳定性,因而必须注意正确选用。

    一般地说,分散剂应当选用分散效果稳定的阴离子分散剂;增稠剂宜选用黏度型号适当的羟乙基纤维素或者羟丙基甲基纤维素。此外,选用适当的分散剂对复合体系中的硅溶胶进行保护,也是得到稳定性良好的复合涂料的一种方法。

    SiO2粒子属于无机氧化物,具有极性,需要选择具有特殊结构的润湿分散剂才能吸附于SiO2粒子表面而使之得到保护。因而,润湿分散剂的选择非常重要。

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