纳米二氧化硅的改性以及在涂料中的应用
2020-12-18 17:41:09
纳米二氧化硅为纳米材料之一， 表面带有羟基， 粒径通常为20~60 nm， 分散性好，比表面积大，是目前世界上大规模工业化生产的产量最高的一种纳米粉体材料，广泛应用于电子封装材料、高分子复合材料、塑料、涂料、橡胶、颜料、 陶瓷、胶黏剂、玻璃钢、药物载体、化妆品及抗菌材料等领域。纳米二氧化硅具有极强的紫外和红外反射特性，添加到涂料中能对涂料形成屏蔽作用，达到抗紫外老化和热老化的目的，增加涂料的隔热性。同时，纳米二氧化硅具有三维网状结构，拥有庞大的比表面积，表现出极大的活性，能在涂料干燥时形成网状结构， 同时增加了涂料的强度和光洁度，而且提高了颜料的悬浮性，能保持涂料的颜色长久不变。近年来，纳米二氧化硅运用于涂料中得到了较快的发展。
图一 纳米二氧化硅SEM图
一、纳米二氧化硅的表面改性
粉体纳米二氧化硅容易团聚，直接加入涂料中难以达到真正意义上的纳米级均匀分散，故需要先进行表面改性，提高其分散性，然后与涂料相结合，才能实现真正纳米二氧化硅与涂料的稳定结合。纳米粒子表面改性的方法有醇酯化法、 偶联剂法、表面活性剂法、接枝聚合法和高能法等。
1、醇酯化法
醇酯化法是用脂肪醇与纳米二氧化硅表面的羟基发生化学反应，脱去水分子， 而纳米二氧化硅表面的羟基则被烷氧基取代，反应需在高温高压下进行。
2、硅烷偶联剂法
硅烷偶联剂法是纳米二氧化硅改性最常用、最传统的一种改性方法。硅烷偶联剂具有双向反应功能的化学物质，能够使聚合物与纳米二氧化硅的结合界面成为化学键结合，显著提高了纳米二氧化硅的补强性能。
3、聚合物接枝改性法
聚合物接枝改性法是指有机单体在纳米二氧化硅的表面进行单体聚合的反应。首先表面活性剂与纳米二氧化硅表面羟基发生作用；其次加入溶剂化的有机单体；然后单体以表面活性剂为起点发生原位聚合接枝到纳米二氧化硅表面上。
4、表面活性剂法
表面活性剂法改性纳米二氧化硅有2种方式：一种是物理吸附法；一种是化学反应法，即表面活性剂中的反应基团与二氧化硅粒子表面活性基团反应，形成了新的化学键，从而达到对纳米粒子表面修饰和改性的目的。
5、同步改性法
同步改性法又称原位改性，即在溶胶-凝胶法制备纳米二氧化硅的过程中加入了有机改性剂，或是制备溶胶时直接加入需要改性的有机体系中，此时生成的纳米粒子粒径小，表面能极强，促使纳米粒子与有机体系中的有机链相结合。
6、高能改性方法
高能改性法是利用微波、等离子体等对纳米二氧化硅表面进行改性。可以使化学法难以引发的结合羟基产生了具有引发活性的活性基团，进而促使改性剂在其表面反应。
二、纳米二氧化硅在涂料中的应用
1、纳米二氧化硅在建筑涂料中的应用
将纳米二氧化硅添加到建筑涂料中可提高涂料的附着力、耐擦洗性、耐候性、强度硬度、韧性弹性、耐老化、抗菌、抗紫外线等特性，显著改善了涂料的自清洁、防水防渗、防磨损、腐蚀、保色性等性能，因而在改性外墙涂料方面具有较好的效果。
图二 纳米二氧化硅在建筑涂料中的应用
2、纳米二氧化硅在金属防护涂料中的应用
在金属防护涂料中加入纳米二氧化硅，会使得涂料的质量有进一步提升。 许多研究人员对纳米二氧化硅的作用做出了尝试，结果表明，纳米二氧化硅可以明显增强金属防护涂料的炭质层强度。而且还会提高钢类建材的耐火极限。
图三 纳米二氧化硅在金属防护涂料中的应用
3、纳米二氧化硅在紫外固化涂料中的应用
纳米二氧化硅具有极强的紫外吸收、红外反射特性。分光光度仪测试表明，它对波长400 nm以内的紫外光吸收率高达70%以上，对波长400 nm以内的红外光反射率也达到70%以上。它添加到涂料中能对涂料形成屏蔽作用，达到抗紫外老化和热老化的作用，同时增加了涂料的隔热性。
图四 纳米二氧化硅在紫外固化涂料中的应用
4、纳米二氧化硅在彩色喷墨打印纸涂料中的应用
国内彩色喷墨打印纸由于不透明度、清晰度、分辨率、打印密度、防水性能以及色彩还原等方面与国外几家品牌产品存在差距，故国内打印纸市场主要被日本和美国几家品牌产品占有。将纳米二氧化硅应用到喷墨打印纸涂料，有效改善了彩色喷墨打印纸的性能。
图五 纳米二氧化硅在彩色喷墨打印纸涂料中的应用
5、在其他方面的应用
纳米二氧化硅在涂料中的应用，可以有效地改善涂料的很多性能指标。如纳米二氧化硅添加到涂料里从而提高涂层的防腐能力。另外，在成膜过程中，纳米二氧化硅粒子可以有效地改善乳胶粒之间、乳胶粒与填料之间的界面结合张力， 达到增强和修补缺陷的作用，从而有效改善涂料成膜后的机械性能。
三、纳米二氧化硅在涂料应用领域的发展前景
纳米作为涂料的重要助剂之一，它的开发与应用为涂料的发展注入了新的活力，可利用其各种特殊效应来提高涂料的多方面性能，所配制的功能性涂料和综合性能优异的高档涂料可以满足现代工业发展的需要，这对涂料的发展起着十分重要的推进作用。尤其是纳米在墙体涂料、金属涂料、塑料涂料、紫外固化涂料、喷墨纸涂料、水性木器涂料等中的应用均取得了不错的效果。
：谷雨