納米二氧化硅的改性以及在涂料中的應(yīng)用

納米二氧化硅為納米材料之一，表面帶有羥基， 粒徑通常為20~60nm，分散性好，比表面積大，是目前世界上大規(guī)模工業(yè)化生產(chǎn)的產(chǎn)量最高的一種納米粉體材料，廣泛應(yīng)用于電子封裝材料、高分子復(fù)合材料、塑料、涂料、橡膠、顏料、陶瓷、膠黏劑、玻璃鋼、藥物載體、化妝品及抗菌材料等領(lǐng)域。

納米二氧化硅具有極強(qiáng)的紫外和紅外反射特性，添加到涂料中能對涂料形成屏蔽作用，達(dá)到抗紫外老化和熱老化的目的，增加涂料的隔熱性。同時，納米二氧化硅具有三維網(wǎng)狀結(jié)構(gòu)，擁有龐大的比表面積，表現(xiàn)出極大的活性，能在涂料干燥時形成網(wǎng)狀結(jié)構(gòu)，同時增加了涂料的強(qiáng)度和光潔度，而且提高了顏料的懸浮性，能保持涂料的顏色長久不變。近年來，納米二氧化硅運(yùn)用于涂料中得到了較快的發(fā)展。

圖一 納米二氧化硅SEM圖

一、納米二氧化硅的表面改性

粉體納米二氧化硅容易團(tuán)聚，直接加入涂料中難以達(dá)到真正意義上的納米級均勻分散，故需要先進(jìn)行表面改性，提高其分散性，然后與涂料相結(jié)合，才能實現(xiàn)真正納米二氧化硅與涂料的穩(wěn)定結(jié)合。納米粒子表面改性的方法有醇酯化法、偶聯(lián)劑法、表面活性劑法、接枝聚合法和高能法等。

1、醇酯化法

醇酯化法是用脂肪醇與納米二氧化硅表面的羥基發(fā)生化學(xué)反應(yīng)，脫去水分子，而納米二氧化硅表面的羥基則被烷氧基取代，反應(yīng)需在高溫高壓下進(jìn)行。

2、硅烷偶聯(lián)劑法

硅烷偶聯(lián)劑法是納米二氧化硅改性最常用、最傳統(tǒng)的一種改性方法。硅烷偶聯(lián)劑具有雙向反應(yīng)功能的化學(xué)物質(zhì)，能夠使聚合物與納米二氧化硅的結(jié)合界面成為化學(xué)鍵結(jié)合，顯著提高了納米二氧化硅的補(bǔ)強(qiáng)性能。

3、聚合物接枝改性法

聚合物接枝改性法是指有機(jī)單體在納米二氧化硅的表面進(jìn)行單體聚合的反應(yīng)。首先表面活性劑與納米二氧化硅表面羥基發(fā)生作用；其次加入溶劑化的有機(jī)單體；然后單體以表面活性劑為起點發(fā)生原位聚合接枝到納米二氧化硅表面上。

4、表面活性劑法

表面活性劑法改性納米二氧化硅有2種方式：一種是物理吸附法；一種是化學(xué)反應(yīng)法，即表面活性劑中的反應(yīng)基團(tuán)與二氧化硅粒子表面活性基團(tuán)反應(yīng)，形成了新的化學(xué)鍵，從而達(dá)到對納米粒子表面修飾和改性的目的。

5、同步改性法

同步改性法又稱原位改性，即在溶膠-凝膠法制備納米二氧化硅的過程中加入了有機(jī)改性劑，或是制備溶膠時直接加入需要改性的有機(jī)體系中，此時生成的納米粒子粒徑小，表面能極強(qiáng)，促使納米粒子與有機(jī)體系中的有機(jī)鏈相結(jié)合。

6、高能改性方法

高能改性法是利用微波、等離子體等對納米二氧化硅表面進(jìn)行改性?？梢允够瘜W(xué)法難以引發(fā)的結(jié)合羥基產(chǎn)生了具有引發(fā)活性的活性基團(tuán)，進(jìn)而促使改性劑在其表面反應(yīng)。

二、納米二氧化硅在涂料中的應(yīng)用

1、納米二氧化硅在建筑涂料中的應(yīng)用

將納米二氧化硅添加到建筑涂料中可提高涂料的附著力、耐擦洗性、耐候性、強(qiáng)度硬度、韌性彈性、耐老化、抗菌、抗紫外線等特性，顯著改善了涂料的自清潔、防水防滲、防磨損、腐蝕、保色性等性能，因而在改性外墻涂料方面具有較好的效果。

圖二 納米二氧化硅在建筑涂料中的應(yīng)用

2、納米二氧化硅在金屬防護(hù)涂料中的應(yīng)用

在金屬防護(hù)涂料中加入納米二氧化硅，會使得涂料的質(zhì)量有進(jìn)一步提升。許多研究人員對納米二氧化硅的作用做出了嘗試，結(jié)果表明，納米二氧化硅可以明顯增強(qiáng)金屬防護(hù)涂料的炭質(zhì)層強(qiáng)度。而且還會提高鋼類建材的耐火極限。

圖三 納米二氧化硅在金屬防護(hù)涂料中的應(yīng)用

3、納米二氧化硅在紫外固化涂料中的應(yīng)用

納米二氧化硅具有極強(qiáng)的紫外吸收、紅外反射特性。分光光度儀測試表明，它對波長400nm以內(nèi)的紫外光吸收率高達(dá)70%以上，對波長400nm以內(nèi)的紅外光反射率也達(dá)到70%以上。它添加到涂料中能對涂料形成屏蔽作用，達(dá)到抗紫外老化和熱老化的作用，同時增加了涂料的隔熱性。

圖四 納米二氧化硅在紫外固化涂料中的應(yīng)用

4、納米二氧化硅在彩色噴墨打印紙涂料中的應(yīng)用

國內(nèi)彩色噴墨打印紙由于不透明度、清晰度、分辨率、打印密度、防水性能以及色彩還原等方面與國外幾家品牌產(chǎn)品存在差距，故國內(nèi)打印紙市場主要被日本和美國幾家品牌產(chǎn)品占有。將納米二氧化硅應(yīng)用到噴墨打印紙涂料，有效改善了彩色噴墨打印紙的性能。

圖五 納米二氧化硅在彩色噴墨打印紙涂料中的應(yīng)用

5、在其他方面的應(yīng)用

納米二氧化硅在涂料中的應(yīng)用，可以有效地改善涂料的很多性能指標(biāo)。如納米二氧化硅添加到涂料里從而提高涂層的防腐能力。另外，在成膜過程中，納米二氧化硅粒子可以有效地改善乳膠粒之間、乳膠粒與填料之間的界面結(jié)合張力，達(dá)到增強(qiáng)和修補(bǔ)缺陷的作用，從而有效改善涂料成膜后的機(jī)械性能。

三、納米二氧化硅在涂料應(yīng)用領(lǐng)域的發(fā)展前景

納米作為涂料的重要助劑之一，它的開發(fā)與應(yīng)用為涂料的發(fā)展注入了新的活力，可利用其各種特殊效應(yīng)來提高涂料的多方面性能，所配制的功能性涂料和綜合性能優(yōu)異的高檔涂料可以滿足現(xiàn)代工業(yè)發(fā)展的需要，這對涂料的發(fā)展起著十分重要的推進(jìn)作用。尤其是納米在墻體涂料、金屬涂料、塑料涂料、紫外固化涂料、噴墨紙涂料、水性木器涂料等中的應(yīng)用均取得了不錯的效果。

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