金紅石納米TiO2在涂料中的應(yīng)用研究

2013-07-08 21:52來源:攀枝花鋼鐵研究院 作者:陽露波
0 引言
金紅石納米T iO2 屬于新興的納米材料, 由于其顆粒尺寸細小, 具有許多優(yōu)良的顏料性能: 折射率高、紫外吸收能力強等。與現(xiàn)有的有機紫外線吸收劑相比, 納米級T iO2 具有無毒、光學性質(zhì)穩(wěn)定、分散性好、比表面積大、表面結(jié)合能高等特點。這些性能使得用納米TiO2 制得的涂料性質(zhì)穩(wěn)定、抗老化能力強、力學性能好。由于納米級TiO2 具有許多優(yōu)異的理化性能, 因此在涂料領(lǐng)域具有廣闊的應(yīng)用前景。

1 試驗部分
1. 1 金紅石納米TiO2 的預(yù)處理
納米級的金紅石TiO2 細粉, 單位面積的超額自由能升高, 表面張力變大, 表面結(jié)合能升高, 促使TiO2 粒子發(fā)生團聚, 此時電動電位比較高。只有使用那些潤濕力比固體粒子間的凝聚力大, 即液- 固界面上的自由能比固) 固界面上的自由能低的處理劑進行表面處理, 才能使這些TiO2 團聚體進一步分散。因此, 為了使TiO2 顆粒能夠長時間不發(fā)生團聚, 需要加入一些極性大的分散介質(zhì)來增加潤濕力,使液- 固界面的自由能進一步降低, 雙電層增厚, 使帶相同電荷的TiO2 相互排斥, 從而提高二氧化鈦粒子的分散度[ 1] 。另外, 雖然金紅石納米T iO2 光化學性質(zhì)穩(wěn)定, 但長期暴露在大氣中使用時, 也有粉化的可能, 因此一般需要經(jīng)過表面處理[ 2] 。
1. 1. 1 金紅石納米T iO2 的無機包膜
無機包膜試驗步驟:
( 1) 打漿: 將金紅石納米二氧化鈦( 自制、外購的KEMIRA) 和分散劑用去離子水打漿, 并用砂磨機進行充分砂磨。
( 2) 稀釋: 將上述漿液用去離子水稀釋, 并用堿液調(diào)pH 值。
( 3) 包硅: 用并流的方式向稀釋好的漿液滴加硅酸鈉溶液和硫酸溶液。
( 4) 包鋁: 采取并流的方式向包硅好的漿液滴加偏鋁酸鈉溶液和硫酸溶液。
1. 1. 2 金紅石納米TiO2的有機包膜
有機包膜工藝流程如圖1 所示。

1. 2 T iO2 在涂料中的應(yīng)用
1. 2. 1 內(nèi)墻涂料

( 1) 試驗藥品
金紅石納米T iO2( 自制、無機包膜) ; KEMIRA( 納米TiO2 、無機包膜) ; CIBA5151紫外線吸收劑( CIBA 公司的有機紫外線吸收劑) 。
( 2) 試驗步驟
(1)制取色漿: 將水、分散劑、表面活性劑、成膜助劑、消泡劑、增稠劑、防酶劑加入配料罐中, 低速攪拌后, 再將填料及顏料加入, 并進行高速分散, 最后進入砂磨機砂磨。
(2) 調(diào)稀: 將上述色漿加入少量的水, 使色漿濃度變稀。
(3) 乳膠漆制備: 將色漿加入制漆罐中, 然后加入乳液, 開始攪拌。
(4)涂漆, 測漆膜性能。
(5) 分別添加經(jīng)無機包膜后的金紅石納米二氧化鈦( 自制) 、KEMIRA 及紫外線吸收劑CIBA5151, 重復(fù)(1) ~ (4)試驗步驟。
(6)改變金紅石納米二氧化鈦( 無機包膜) 的用量( 1. 0%~ 4. 0% ) , 重復(fù)(1) ~ (4)試驗步驟。
1. 2. 2 外墻涂料
( 1) 試驗藥品
金紅石納米TiO2 ( 自制、有機包膜) ; KEMIRA( 納米T iO2、有機包膜) ; CIBA 5151紫外線吸收劑( CIBA 公司的有機紫外線吸收劑) 。
( 2) 試驗步驟
(1) 將溶劑、分散劑、增稠劑、顏料及其它填料、成膜溶劑預(yù)先混合并砂磨。
(2) 分散顏料, 并用消泡劑進行消泡。
(3) 顏料與乳液在乳化機中充分混合。
(4)調(diào)漆。
(5) 涂膜, 性能測試。
(6)分別添加經(jīng)有機包膜后的金紅石納米二氧化鈦( 自制) 、KEMIRA 及紫外線吸收劑CIBA5151, 重復(fù)(1) ~ (5)試驗步驟。
(7)改變金紅石納米二氧化鈦( 有機包膜) 的用量, 重復(fù)(1) ~ (5) 試驗步驟。
2 結(jié)果討論
2. 1 涂料綜合性能
向自制的涂料內(nèi)添加重量為乳液質(zhì)量3% 的紫外線吸收劑后, 按國標進行測試, 其中內(nèi)墻涂料按國家標準GB/ T9756- 2001, 外墻涂料按國家標準GB/T9755- 2001 進行測試, 其檢測結(jié)果見表1 和表2。


由表1 和表2 中可以看出, 紫外線吸收劑的添加對涂料的某些性能, 如遮蓋力、耐水性等, 有一定的改善, 但不明顯, 這其中的原因有待進一步考查。
2. 2 涂料力學性能
( 1) 附著力
采用QFD 型電動漆膜附著力試驗儀測定了添加不同紫外線吸收劑的涂料附著力, 并根據(jù)國家標準進行定級, 其結(jié)果如圖2 和圖3 所示。


由圖3 可以知道, 添加物種類及金紅石納米T iO2 的用量都對涂料的附著力有較大的影響。用作填料或顏料的納米TiO2 是構(gòu)成涂料的次要成膜物質(zhì)之一[ 3] , 由于它具有超額的表面自由能和良好的分散性, 使之在成膜時, 基材和底材的結(jié)合力牢固而且均勻。
( 2) 柔韌性
采用QTB 型膩子柔韌性測定儀測定涂料的柔韌性, 測定結(jié)果見圖4、5 。


由圖5 可知金紅石納米T iO2 可增加涂料的柔韌性能, 當添加量為3. 0% 時效果比較好。其增韌的機理是[ 4] : 納米TiO2 尺寸小, 比表面積大, 因而與基體的接觸面積也很大, 當涂料受到?jīng)_擊時, 會產(chǎn)生比一般填料更多的微開裂, 吸收更多的沖擊能, 從而阻止和鈍化裂紋的進一步擴展。但若填料T iO2 用量過大, 粒子過于接近, 微裂紋易發(fā)展成宏觀開裂,體系性能變差。另外, 當納米TiO2 表面處理后, 表面與基體之間形成了具有良好界面粘合的柔韌性界面層, 它賦予基體柔韌性和應(yīng)力轉(zhuǎn)移功能, 從而提高了涂料的柔韌性。
( 3) 抗沖擊能力
采用QCJ 型漆膜沖擊器測定涂料抗沖擊性能,結(jié)果如圖6 和圖7。


由圖6 及圖7 可以看出, 金紅石納米TiO2 對涂料抗沖擊性能的影響比較明顯, 且隨著加入量的增加, 抗沖擊性能由20 kg?cm 提高到60 kg?cm, 隨后逐漸減小。這是由于納米T iO2 粒子尺寸小, 比表面積大, 表面的物理和化學缺陷多, 粒子與高分子鏈發(fā)生物理或化學結(jié)合的機會多, 提高了兩者之間的結(jié)合力, 從而增加了基體的強度, 但由于納米T iO2 粒子的小尺寸效應(yīng)使之易團聚, 涂料中納米TiO2 粒子濃度越大, 粒子間越易團聚, 分散效果變差, 從而使涂料基體強度下降。此外, 經(jīng)表面處理后, 減少了團聚現(xiàn)象, 有利于界面粘合, 從而更能提高高分子涂料的強度。
( 4) 抗老化能力
用UV- ò型非金屬材料人工加速老化試驗儀對涂料進行加速老化, 測試結(jié)果見表3, 4。老化條件為: 老化時間2 000 h, 老化光照溫度為60oc 。


由表3, 4 知道摻入紫外線吸收劑后, 尤其是金紅石納米T iO2, 涂料的抗老化性能得到了較大幅度的提高。這是因為金紅石納米T iO2 是優(yōu)良的紫外線屏蔽劑[ 5、6 ] 。
3 結(jié)論
對不同的涂料品種, 金紅石納米TiO2 紫外線吸收劑對其性能均有較顯著的改善; 與有機紫外吸收劑CIB5151 相比, 金紅石納米TiO2 對涂料的抗老化性能、力學性能的提高較明顯; 自制的金紅石納米TiO2 是所用紫外線吸收劑中對涂料性能改善最明顯的。當其添加量在1. 0% ~ 3. 0% 時, 涂料的附著力由5 級變?yōu)? 級; 柔韌性由5 mm 提高到1 mm;抗沖擊性能由20 kg?cm 提高到60 kg?cm; 抗老化時間由500 h 提高到2 000 h。所以, 金紅石納米二氧化鈦可用作涂料的改性劑。