氧化钛改性硅溶胶制备陶瓷涂料的研究

氧化钛改性硅溶胶制备陶瓷涂料的研究

摘要：通过纳米二氧化钛改性硅溶胶来制备陶瓷涂料。通过研究纳米二氧化钛的加入量，双组分之间的配比、冰乙酸的添加量对涂料性能的影响来确定其最佳添加量。

关键词：硅溶胶，改性．陶瓷涂料，二氧化钛

    硅溶胶涂料是以胶体二氧化硅的水分散液为成膜物质，混以颜料、填料、助剂搅拌研磨分散调制而成的一种无机涂料。硅溶胶的分子式为H2Si03，是以Si02为基本单位在水中的分散体，其胶团颗粒细微，粒径范围般在4- 40nm，即处于纳米尺度。硅溶胶的制备通常以水玻璃为原料，用离子交换法制备而成，它的成膜机理是，在硅溶胶失去水分时，单体硅酸逐渐聚合，随着水分蒸发，胶体分子增大，Si02粒子间能形成牢固的Si-0键面，继而形成硅氧链网状结构，成为连续涂膜。

    本实验是利用纳米级别的二氧化钛对硅溶胶进行改性，然后利用改性后的硅溶胶制备性能优异的陶瓷涂料，并使得涂料具有净化空气和释放空气负离子的效果。

1实验部分

1.1实验原料及仪器

    纳米二氧化钛：5—20nm，CY-TA15；硅溶胶CY-S10A钛白粉：美国杜邦钛白粉R706，高岭土；云母粉；MTMS：工业级，；DMF：分析纯，。冰醋酸：化学纯，。

2.2改性硅溶胶的制备

    称取一定量的纳米二氧化钛加入到异丙醇中，超声振荡30min。然后加入到硅溶胶中，搅拌分散。

2.3改性陶瓷涂料的制备

    按照表1中A组分称量填料，加入少量的消泡剂、分散剂、增稠剂及水研磨到30um以下，然后加入硅溶胶分散均匀即制A组分。然后加入B组分，加入冰乙酸调节pH值3～4，搅拌熟化，熟化时间控制在8～12h。

2.4改性陶瓷涂料的性能测试

    制备的涂料喷涂在喷砂处理过的表面铝板上，按照GB/T23443-2009测试。

3结果与讨论

3.1二氧化钛的加入量对硅溶胶稳定性的影响

    从表2可以看出，随着纳米二氧化钛的添加量的增加和储存时间的增加，硅溶胶体系的稳定性能在下降。也就是做，即涂料体系中的A组分的稳定性能在下降，影响了整个涂料体系的稳定性能。因为，其纳米二氧化钛具有很好亲水性，在体系中很容易吸附OH，这就会打破原来硅溶胶体系的稳定性，使得硅溶胶体系稳定性下降。其二，纳米二氧化钛在有光的条件下会激发出带有电荷的活性基团，而原来硅溶胶的体系中也是有一定电荷的胶束。新电荷的引入就会破坏原来的电荷稳定性能，因此使得硅溶胶的稳定性能被破坏。

3.2 A组分与B组分配比对陶瓷涂料性能的影响

    将A组分与B组分按照一定比例做了6个平行试验，试验结果如表3所示。  

    从表3可以看出，A组分与B组分的配比控制在1.5：1到0.5：1之间较好，考虑到涂料的成本一般A组分与B组分的配比控制在1.2：1到1：1之间较佳。MTMS具有特殊的结构和性能，在用溶胶一凝胶法制备双组分涂料的过程中有很大作用。其一，硅烷偶联剂能够参与溶胶凝胶过程中的水解和缩聚反应，跟无机成膜物质（硅溶胶）发生共缩聚，以提高跟无机相纳米颗粒之间的结合力；其二，硅烷偶联剂能够与金属基体以化学键结合，提高涂层的附着力，从而提高涂层的性能。并且硅氧烷本身的溶胶一凝胶产物有极好的成膜性能，与金属氧化物有优良的黏接力和高温稳定性，可作耐高温、抗氧化、耐腐蚀、高耐磨的保护膜。

3.3冰乙酸用量对涂料黏度的影响

    在涂料体系中，逐渐加入冰乙酸，然后测试涂料的黏度，其趋势如图1所示。

    从图1中可以看出，涂料的黏度随着冰乙酸用量的增长而增加。这是因为MTMS在酸性条件下，遇到水后很容易发生水解反应。MTMS的水解体系是一个逐级反应的化学平衡体系，其过程可以分为三个步骤，并且当条件不样时，反应机理也不相同。在酸催化的情况下，反应机理为式：氢离子首先与烷氧基上的氧发生亲电反应，当R与-OH以ROH分子的形式脱离出来时，溶液中的OH-就会与带正电的Si原子相互结合，生成硅醇基，并且此反应是逐步减速的，因为第一个基团发生水解后，下一个基团的水解速率会降低，等到再下一个基团时速率就会更低，因而反应是逐步减速的。

    在本实验中，用冰乙酸作为反应的DH调节剂，如图1所示，随着冰乙酸用量的增加，涂料的黏度是逐渐增大的，这是因为体系中[H+]的增多，可以促进MTMS水解，从而产生大量的硅醇基，同时H+对硅醇的缩聚也有催化作用，生成大量的硅醇不能稳定存在，一部分会很快的与硅溶胶粒子周围的羟基发生缩合反应，另一部分会直接发生硅醇与硅醇之间的缩聚，形成聚合物，如上述反应式(2)、(3)，因而会使涂料的黏度升高。由于对涂料进行喷涂肘，要求其黏度在20s左右，还要保证其贮藏的稳定性，所以冰乙酸的用量应该控制在0.41%～0.54%之间。

3.4涂料性能测试

    按照最佳配方，制备出的陶瓷涂料的性能测试结果如表4所示。

    表4陶瓷涂料性能进行测试

    测试内容    测试方法    规范    结果

    硬度    铅笔硬度    ≥4H    ≥5H

    划格法

    附着力    <2级    2级

    2mm×2mm

    lkg×1250px

    耐冲击性    无涂层剥离现象    达标

    钢球降落

    5%,氢氧化钠浸泡24h，然后用水

    耐碱性    允许轻微失光    达标

    冲洗干净

    耐酸性    5%盐酸浸泡241，用水冲洗干净    允许轻微失光    达标

    不起泡，不起皱，允许轻微失光，

    耐汽油性    1 204溶剂泊中36h    达标

    2h内恢复

    净化空气性    JC/-F1074-2008    甲醛≥75%，甲苯≥35%    甲醛8041%，甲苯

    ≥41.2%

    负离子释放量    IC／T1016-2006    相对空白样蹭加    负离子增加200个／m2

    从表4可以看出，制备的陶瓷涂料的基本性能都是通过的。该涂料还增加了净化空气和释放空气负离子的性能。这是因为涂料中的纳米二氧化钛在外界光的激发下，激发具有很高活性的羟基自由基和超氧阴离子，这些离子可以将空气中的有害气体如甲醛、甲苯降解成无毒的小分子化合物。

4结语

(1) 随着纳米二氧化钛的加入和储存时间的增长，硅溶胶的稳定忤能就会降低

(2) 综合考虑涂料的性能和成本，A组分与B组分之间的配比最好控制在1.2：1到1：1之间较佳。

    (3)涂料体系中随着冰乙酸的添加量的增加，体系的粘度也在增加，鉴于喷涂施工时的方便，冰乙酸的

添加量最好控制在0.41%～0.54%之间。