【原】無機涂料研究 | 硅溶膠復合建筑涂料的穩(wěn)定性問題的探討

周工解涂 2022-02-24

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硅溶膠復合建筑涂料在我國使用已有很多年，其對丙烯酸酯乳液類涂料的改善作用或者說這類涂料的優(yōu)異性能已經得到認同。

但是，這類涂料的貯存穩(wěn)定性問題也一直受到重視，原因是穩(wěn)定性問題影響這類涂料的使用。

影響貯存穩(wěn)定性的因素有復合涂料體系的pH值、硅溶膠粒子的粒徑、顏料、填料、拼混使用的乳液性能和助劑的使用等。

1、復合涂料體系的pH值

pH值對硅溶膠類復合涂料穩(wěn)定性的影響至關重要，處于pH值為7的中性狀態(tài)的硅溶膠會迅速凝膠。因而，硅溶膠在生產時必須盡快地越過中性區(qū)而使之避免出現(xiàn)凝膠。

根據對硅溶膠體系的pH值與穩(wěn)定性關系的研究也發(fā)現(xiàn)當硅溶膠的pH值為7和大于12時，硅溶膠最不穩(wěn)定。這是因為當pH值等于7時，硅溶膠顆粒表面雙電層消失；而當pH值大于12時，硅溶膠轉變?yōu)槟档扔诨虼笥?的水不溶性硅酸鈉而發(fā)生凝膠，導致體系不穩(wěn)定。

pH值對硅溶膠穩(wěn)定性的影響可以從硅溶膠自身的結構中得到解釋。硅溶膠是聚偏硅酸的膠體溶液，膠體粒子表面一般都帶電荷，并分散于介質中，SiO₂和水作用發(fā)生水化，產生羥基，羥基解離使粒子的表面帶電。粒子表面的電位隨介質的pH值發(fā)生變化。

在低pH值條件下，因質子的加入，SiO₂粒子表面帶正電。當提高體系的pH值時，因OH^-的作用SiO₂粒子表面帶負電。粒子表面電荷為零時介質的pH值即是該氧化物的等電點。SiO₂的等電點，即pH值在1.5-3.7之間。因而，通常商品硅溶膠有兩類：一類是堿性氧化鈉穩(wěn)定型，pH值在8.5-10.5之間；一類是酸性穩(wěn)定型，pH值在2-4之間。

實際上，當pH值>7時，SiO₂膠體粒子表面全部帶負電，膠體因靜電排斥而穩(wěn)定；而當pH值<3時，SiO₂膠體粒子表面全部帶正電荷，膠體亦會因靜電排斥而穩(wěn)定。在3<pH值<7的情況下，膠體易凝聚而破壞。當氧化鈉含量過多，pH=11時，膠體也易凝聚而破壞。因此，當硅溶膠和合成樹脂乳液復合時需要保證體系的pH值呈弱堿性，即使體系的pH值在8.5-10.0之間。

因此，在生產硅溶膠類復合涂料時，應當設法將涂料體系的pH值控制在8.5-10.0的范圍內以保持涂料的穩(wěn)定性。至于調整涂料體系的pH值的方法，可以用最常見的氨水進行調整，也可以用其他更為優(yōu)異的涂料助劑材料調整。

2、硅溶膠粒子的粒徑

硅溶膠粒子的粒徑分布在5~30nm之間，在此范圍內，硅溶膠外觀基本成透明狀態(tài)。

在粒徑小于5nm時，膠體微粒的比表面積巨大，水的隔離作用減弱，粒子發(fā)生凝聚的概率增大。在粒徑大于30nm時，硅溶膠外觀出現(xiàn)渾濁，對顏料的包裹能力差，涂料沉降快，不穩(wěn)定。

小粒徑硅溶膠的添加量低時(<12%)，涂料的穩(wěn)定性好；用量大時涂料的穩(wěn)定性下降，涂膜的耐水性也下降，浸水易起泡。

大粒徑的硅溶膠的添加量大，體系的穩(wěn)定性好。對于使用純硅溶膠配制的無機涂料體系，硅溶膠有凝聚的可能性。

3、顏料、填料

當復合涂料體系的顏料、填料選用不當時也有導致涂料體系不穩(wěn)定的可能。

例如，涂料體系中使用了氧化鋅、游離氧化鈣含量較高的輕質碳酸鈣等，就有可能造成這類涂料的貯存穩(wěn)定性不良。

復合涂料中不宜使用氧化鋅顏料的原因在于氧化鋅作為顏料使用時其活性較大，且Zn²⁺具有導致某些使用陰離子乳化劑的乳液破乳的可能性，而復合涂料的成膜物質中的有機組分即為合成樹脂乳液（例如丙烯酸酯類乳液、聚醋酸乙烯酯類乳液和有機硅丙烯酸酯共聚乳液等）。因而，白色顏料仍以使用金紅石型鈦白粉為宜。

輕質碳酸鈣是由氧化鈣和二氧化碳反應而得到的。當因各種原因的影響而使碳化進行得不完全時，產品中就會殘留有含量較高的游離氧化鈣。這部分氧化鈣會改變涂料體系的pH值。此外，其中的游離氧化鈣還會影響乳液的鈣離子穩(wěn)定性，又有可能和硅溶膠產生下述化學反應：

所生成的凝膠，是具有一定強度的固體，從而導致涂料體系不穩(wěn)定。

4、拼混使用的乳液性能的影響

不同性能的硅溶膠與同一種合成樹脂乳液（主要指丙烯酸酯乳液或苯丙乳液）拼混使用時，或者二者拼混的比例不同時，所得到的復合體系會表現(xiàn)出不同的穩(wěn)定性。同樣，同一種合成樹脂乳液與不同性能的硅溶膠拼混使用，或者二者拼混的比例不同時，也可能得到穩(wěn)定性不同的復合體系。硅溶膠和合成樹脂乳液復合時有一個品種適應性和最佳比例的問題，因而，在制備復合涂料時，應對所選用的原材料進行試驗。