纳米硅溶胶(S i O2 ) 在建筑涂料中的应用

摘自徐向明全国纳米涂料技术研讨会暨新技术交流大会论文
 

前言
　　随着我国国民经济的迅速发展和人民生活水平的日益提高, 城市、 乡镇建筑不断扩大, 建筑物已开始向高层、大规模化、 大板框组装方向迈进。 色调单一、 费工费时的干粘石, 水刷石、 磁砖、 马赛克等传统饰面材料由于施工难度大, 有色差, 易脱落, 不能满足广大人民群众对居住条件日益增长的需要而逐步淘汰。
　　硅溶胶复合涂料是继水泥涂料、 合成树脂涂料以后又一代无机有机复合系建筑涂料。 其特点:涂膜抗霉变性、防返碱性好, 涂膜硬度高, 随着力强, 透气性好, 具有超常的耐候性, 使用寿命 10 年以上, 耐低温性好, 耐污染, 保色性优良, 生产施工安全, 无环境污染。
　　硅溶胶是水合硅酸, 可以和许多水溶性、 水乳性有机高分子相溶或共聚, 可构成无机、 有机复合高分子基料。可大大提高其耐水性。 耐溶剂性、 抗老化性, 同时也具有良好的韧性,  随着强度和适中的硬度,   所以比较广泛地应用在耐擦洗内墙, 耐候外墙、 彩砂外墙、 多种中涂、 真石漆、 封闭底漆、 刮涂墙体膏等建筑涂料内, 另外,  近年来由于硅溶胶与丙烯酸系、 苯丙系乳液复合工艺的改进和提高, 作为金属防锈漆, 防锈底漆也被采用和推广。
　　硅溶胶复合涂料与纯有机树脂乳液涂料比, 更具有耐水性、 耐候性、 不燃性和透气性, 为此硅溶胶复合涂料很受社会上的欢迎。
　　近几年来, 在我国比较成熟的有聚乙烯醇复合的膏体涂料, 耐擦洗内墙涂料,  有与聚醋酸乙烯乳液复合的高强度内外墙涂料, 多彩中涂、 彩砂涂料, 真石漆有与苯丙复合的外墙涂料等。 在国外, 尤其是欧美并已将硅溶胶复合涂料发展到一个新水平,  他们将有求于溶胶与丙烯酸酯等不饱和单体与合成乳液进行共聚,  从而得到性能指标更加优异的复合硅丙乳胶漆成膜物。
　　但是, 目前这种复合涂料还比较存在着复合体系和稳定性不好, 例如分层, 增稠胶凝等问题,  这就不同程度地限制着这类复合涂料的发展。

图 1

 
　　硅化作用的化学反应示意图 2 中 (三种主要硅石的形成) M — 为二价过渡元素或副族元素。 X 为碱金属元素。
 

 
图 2
 
SiO2溶胶渗入墙面基持示意图,  见图 3
 

 
JNF 纳米 SiO2溶胶电镜拍片,  见图 4
 

 
　　影响共混复合体系稳定的因素目前,国内的硅溶胶与有机树脂的复合,  基本上采用冷拼共混工艺,即硅溶胶与有机树脂乳液常温混合,  就其存在的问题分叙如下:
　　2.1材料选择
　　2.1.1  硅溶胶与有机树脂乳液共混时是有选择的, 据有关资料介绍,纯丙乳液,醋丙乳液和偏氯乙烯乳液与硅溶胶共混性较为理想,尤其苯丙乳液与硅溶胶共混性Z好,不易分层,增稠,这说明硅溶胶在和有机树脂乳液复合时是有选择性的,个人认为硅溶胶与丙烯酸系,苯丙系树脂乳液可以任何比例进行共混,但必须考虑其它因素的配伍合理性,方可得到稳定的复合涂料体系,硅溶胶与聚醋酸系乳液共混性能很好,但涂膜性能不如纯丙和苯丙系。
　　2.1.2硅溶胶用量选择
　　我们以无机高分子材料为主导对硅溶胶复合涂料的主要成膜物质一， 硅溶胶和有机高分子乳液进行选择性试验。％硅溶胶是涂料的主要成膜物质,  其用量直接影响涂料的附着性能,试验结果,硅溶胶用量低,  涂料涂层附着力低,硅溶胶用量过高,涂料涂层附着亦低,  这是因为二氧化硅粒子不能全部包围填料和颜料颗粒,未形成连续涂膜,若硅溶胶用量高,则二氧化硅,粒子对固体颗粒(填料)包复太厚, 致使颗粒之间与基层之间缺陷增多而附着力降低,且涂料成本增加,同时可见,硅溶胶用量处于10m30％ 范围内, 无论经济性还是涂层附着力性能都是最佳的。 
　　2. 1.3 硅溶胶型号选择:我们对 JN 型 (普通型) 和JNF型 (抗冻型) 硅溶胶进行对比试验,  试验结果表明,  JN 型抗冻性能差, 检测未通过,  JNF 型有效地解决了遇冻返粗现象, 涂料的储存稳定性及其它性能指标明显提高, 因此,建议涂料厂家采用 JNF 型理想。
　　2.2体系的PH值PH
　　值对硅溶胶复合体系的影响至关重要, 据资料介绍
　　(1)硅溶胶在PH 值小于3和PH8～ 10范围是稳定的;(2)苯丙乳液在PH 值4 ～12范围是稳定的。为此硅一苯一丙复合体系的PH 值应控制在8 ～ 10;(3)众所周知,涂料大都应用于中性和偏碱性基材, 只有碱度相匹配才能获得良好的涂膜性能。然而涂料只有在适度的碱度范围才是稳定的,故硅溶胶复合涂料的PH 值影响涂料稳定性,通过试验,涂料的PH值在7.5时,4个月后硬化结块;PH值在8.5时,稳定;6个月后不硬化,PH值在10时20天后,硬化结块。
　　根据我们的体系,建议用乙醇胺或三乙醇胺来调整乳液或拼混后体系中的PH值,这样会使体系中的PH值变化较小,增强了体系的稳定性。
　　2. 3 颜料的预处理
　　在涂料体系中, 除基料外要在体系中加入大量的体质颜料和着色颜料, 这些颜料都不能直接加入体系中 ,必须经过预处理。
　　一般着色颜料都要事先研制成颜料浆, 须配备合理的分散剂, 本文不必复述。 对大量的体质颜料如轻钙、 重钙、滑石粉、 灰钙粉、 高岭土、 膨润土、 云母粉、 硅灰石粉、石英粉、 沉淀硫酸钡 … … , 有的是人工合成如轻钙、 灰钙粉、 沉淀硫酸钡 … … 。 一般天然石粉化学稳定性比较好不易促使体系增稠, 但重钙、 硅灰石粉及石英粉易产生沉淀分层。 人工合成的轻钙、 灰钙和沉淀硫酸钡具在较强化学活性, 比表面积大, Z易引起体系不稳定。 为此有的提出对硅灰石粉的表面化学处理和物理表面处理方法,  有的提出对灰钙粉的表面预处理方法。
　　我们认为,除色浆外,  将系统中的所有体质颜料进行一步表面预处理为好,即将所要加入体系中的全部体质颜料进行充分混匀,  根据颜料的吸水量计算加水量,  并要加入聚丙烯酸胺 (或聚丙烯酸钠)和六偏磷酸钠复配的分散剂,  其两者的配比约为 ±3. 3 ～ 1. 7,  其复合分散剂的加入量约为颜料剖量的 2.6%  ±0. 5% 及烷基磺酸钠 0.1% ～0. 5%  , 硅烷系偶联剂 0. 2% ～0.5% 。 经过处理的颜料加入硅溶复合体系中,不易分层沉淀,对体系稳定性的提高有利。 
  在硅溶胶复合涂料体系中, 所选用的硅溶胶中的二氧化硅胶体粒径与涂料稳定性及附着力也不一定关系 。 粒径小时, 涂料常温脱水综合交联反应增多, 脱水量大,  固化时间长, 涂膜疏松, 易产生裂纹, 故附着力低,  耐水性均降低。
  当二氧化硅胶体粒径过大时, 涂膜厚度增大, 容易发生龟裂, 所以涂膜附着力降低。 因此, 本人建议选用二氧化硅胶体粒径在 10 mm ～ 20mm 的硅溶胶产品为好。
　　2.5 复合工艺路线的影响
　　硅溶胶属胶体溶液,  无机类离子对有机高分子乳液的稳定性影响很大, 建议在共混复合时, 应遵循由:水 →硅溶胶→成膜助剂→无机类表面活性剂 →有机类表面活性剂→颜填料→研磨→高分子乳液预调 PH值。
　　几年来的体会
　　上述各种影响复合体系稳定性的因素是生产硅溶胶复合涂料的关键, 要统筹考虑。我的体会如下:1在材料选择上,我们认为硅溶胶与丙烯酸系或苯丙系复合体系的涂料的各项性能均较其它体系符合为好,但复合体系的稳定性则以聚醋酸乙烯乳液及VAE乳液与硅溶胶复合涂料更好.
　　凡含有硅溶胶的涂料涂膜,都具有比单一树脂类涂料的涂膜有更好的硬度,良好的抗静电,抗污染和优良的呼吸功能及独具特性的自清洗功能和防火功能。
　　硅溶胶在建筑涂料中的应用,将会成为盛开在五彩纷呈,种类繁多的涂料花丛中的奇葩,为城市美化美容带来新的革命。