無機塗料的製備與應用
| ◆ 無機塗料的製備與應用(1) ◆ |
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| 摘要 : 本文主要綜述了幾種新型無機塗料的製備、性能、發展及應用。 關鍵字 : 無機塗料 ; 無機粘結劑 ; 製備工藝 ; 應用 1 前言 無機塗料主要是指以矽酸鹽和磷酸鹽類化合物作爲粘結劑 , 加入各種顔、填料、助劑、固化劑配製而成的塗料 , 其中矽酸鹽高分子化合物又可分爲鹼金屬矽酸鹽和矽溶膠。這種以無機粘結劑作爲成膜物質的塗料具有成膜溫度低、其塗膜具有優良的耐候性、在紫外光作用下非常 穩定、良好的耐熱性、遇火不燃、較好的耐污染性、不易吸灰、能保持明快的裝飾效果、在製作與使用過程中無揮發性有機物産生、不會污染環境、原材料資源豐 富、成本低廉等一系列優點 , 因而得到了廣闊的工業應用 , 其市場前景 , 社會、經濟效益十分誘人。 2 無機塗料簡要製備工藝 無機塗料的製備工藝與有機塗料類似。先將顔、填料等固體物料經分散或研磨制成色漿 , 然後把基料、色漿及其他輔助成分按配方規定混合 , 再經過球磨、過濾、包裝。如果是含有固化劑的塗料 , 則須將固化劑與基料分開包裝。配製塗料常用的顔填料有鈦白粉、氧化鋅、碳酸鈣、滑石粉、高嶺土、雲母粉、石英等。 2 . 1 鹼金屬矽酸鹽塗料 鹼金屬矽酸鹽塗料又可稱爲水玻璃基無機塗料 , 它是以矽酸鉀和矽酸鈉爲膠粘劑的一類塗料 , 通常由膠粘劑、固化劑、顔料、填料及各種助劑組成。塗料採用雙組分 , 一組分爲鹼金屬矽酸鹽水溶液 , 另一組分爲顔填料、固化劑、助劑混合均勻的粉劑或漿狀物。此外也可以是一組分爲鹼金屬矽酸鹽水溶液、顔填料、助劑 , 另一組分爲固化劑。兩組分在施工前混合 , 然後以適當的工藝塗刷於基體上。目前國內主要産品隨著水玻璃的類型不同 , 大致可分爲鉀水玻璃塗料 , 鈉水玻璃塗料 , 鉀、鈉水玻璃塗料 3 種。 2. 1. 1 水玻璃組成及物理化學特性 水玻璃通式爲 M 2 O · mSiO 2 · nH 2 O ,M 包括鈉、鉀、鋰和銨 4 種離子 , m 爲模數 , 系 SiO 2 / M 2 O 之比。其中矽酸鋰和矽酸銨價格較高 , 不常應用 ; 鉀水玻璃價格中等 , 鈉水玻璃價格低廉 , 二者都有較好的粘結性和成膜能力。純淨的水玻璃是無色透明的液體。生産過程中因原料不純、耐火磚和反應鍋蝕損、燃料中含硫磷等雜質以及過濾不當而致使水玻 璃成品中含有一定量的 Fe 2 O 3 、 MnO 2 、 Al 2 O 3 、 CaO 、 SO 4 2 - 等雜質 , 故帶有青灰色、黃綠色或淡紅色。 水玻璃的性質隨其模數的不同而變化 , 水玻璃在水中溶解的難易程度取決於其模數 m 。當 m = 1 時 , 水玻璃在常溫下即可溶于水中 ; 當 m > 1 時 , 水玻璃只能溶解於熱水中 ; 當 m > 3 時 , 水玻璃必須在 4 個以上的大氣壓的蒸汽中才能溶解。水玻璃的模數越低 , 粘結能力越差 , 成膜後塗料的耐水性能越差 ; 模數越高 , 粘結力越大 , 成膜後塗膜的耐水性越好。對於模數相同的水玻璃 , 其濃度越大 , 比重越大 , 粘結力越強。 室溫下乾燥的水玻璃含有 “ 自由 ” 水和 “ 結合 ” 水 , 結合水又包括以氫鍵和聚合單元粒子表面 SiOH 結合的水、以配位鍵和陽離子結合的水及聚合單元上的矽醇基 ( 結構水 ) 等 3 種。常溫乾燥過程中 , 溶液中的陽離子通過和 SiO - 配位在聚矽酸鹽粒子之間起交聯作用。 Li + 和多價離子與 SiO - 間的價鍵力很強 , 可形成不溶的塗膜 ; 而對於 Na + 和 K + , 成膜物浸水時 , 這種交聯作用隨之失去 , 因此鈉水玻璃和鉀水玻璃在不加固化劑或者不加熱時形成的塗膜耐水性差。所以要使無機塗料具有好的性能 , 必須提高其耐水性。 2. 1. 2 耐水性的提高途徑 目前提高水玻璃塗料的耐水性的方法主要有以下途徑 : • (1) 加熱固化。 D. Glasser 認爲 [ 3 ] , 約到 80 ℃ 時水分子重排並對相鄰矽醇基之間的縮合起催化作用 , 進一步加熱至 120 ～ 130 ℃ 以上 , 殘存的水分子促使矽醇基的縮合 , 形成堅固的三維結構 ; Na + 、 OH - 則被關閉在三維結構的籠子裏而固定 , 加熱到 200 ℃ , 耐水性大大提高。 1971 年日本研製成功的新型無機水玻璃建築塗料採用普通的空氣噴塗法噴塗在無機基材上 , 在 250 ～ 300 ℃ 下烘烤 1h 即可得到性能極好的無機塗膜。塗裝這類塗料的石棉用於高層建築裝飾具有 20 年之久的壽命。 • (2) 水玻璃改性。一般是通過加入合適的物質 , 使某種憎水基團取代一部分水玻璃分子兩端的鹼金屬離子 , 以提高耐水性。改性處理時必須考慮粘性、耐水性和凝膠時間的相互制約關係。李振陽 [ 4 ] 用無機酸對鈉水玻璃進行改性所形成的塗膜乾燥後在水中連續浸泡 6 個月仍保持水洗性而不壞。楊志剛 [ 5 ] 用無機鹽對水玻璃改性也獲得了耐水性較好的塗膜。也有不少專利 [ 6 ～ 9 ] 介紹了水玻璃改性的研究。 • (3) 固化劑固化。由於水玻璃塗膜固化後殘留有水溶性堿 , 從而耐水性差 , 易返潮 , 不適用於潮濕環境 , 故水玻璃塗料特別是建築塗料必須加入一定的固化劑以改善耐水性和固化性能。固化劑與鹼金屬離子發生反應生成水不溶化合物 , 並促進了二氧化矽膠體進一步縮合成耐水塗膜。這一技術 , 國外稱爲 “ 鹼金屬離子的固定化技術 ” 。目前常用的固化劑有縮合磷酸鹽 [ 10 ,11 ] 、氟矽酸鹽、金屬氧化物、有機化合物等。邱學婷 [ 12 ] 等人合成的磷酸矽固化劑較好地解決了水玻璃的耐水性差問題。 1975 年日本大阪曹達公司研製成功的一種新型水玻璃塗料系固化劑固化的鹼金屬矽酸鹽塗料。該塗料使用時間 10h 以上 ( 氣溫 35 ℃ 時 ), 最低施工溫度零下 2 ℃ , 塗膜表幹後氣溫下降到零下 10 ℃ 也能完全固化。此塗料對於混凝 土水泥砂漿及石棉水泥板等無機建築材料均有很強的附著力 , 而且有很好的耐水性、耐洗擦性 , 在 1000 ℃ 的高溫下燃燒時也不産生煙氣。 (4) 塗覆保護層。水玻璃塗膜表幹後再塗覆一道諸如甲基矽酸鈉的保護層 , 可進一步提高塗膜的耐水性、耐凍融性、硬度以及防污染能力。如 NW -811 無機外牆塗料施加保護塗層時 , 耐水天數從 6070 天增加到了 100110 天 , 鉛筆硬度從 6H 提高到了 9H 。 2 . 2 矽溶膠塗料 矽溶膠塗料是以膠體二氧化矽的水分散液爲成膜物質 , 混以顔、填料、助劑攪拌分散而成的一種無機塗料。成膜物質矽溶膠是一種粒徑爲 1 ～ 100nm 的多聚矽酸的高度分散物。成膜性能的好壞不僅與膠體粒子的大小有關 , 更重要的是粒子表面應具有一定的活性。一般矽溶膠的粒子呈球形 , 粒子表面大部分被矽醇基 Si-OH 所包圍 , 小部分吸附了作爲穩定劑的鈉離子。由於粒子表面吸附了鈉離子 , 膠粒帶有電荷 , 並且具有足夠大的ξ電位 , 保證了膠體的穩定性。成膜時 , 隨著水分的蒸發 , 膠體粒子不斷靠緊 ,Si-OH 中相鄰的 -OH 基脫水而形成 -Si-O -Si- 鍵。由於不含鹼金屬離子 , 故塗膜耐水性好。但由於成膜過程中體積收縮較大而易出現龜裂等不良現象 , 因此一般在該無機塗料中添加纖維或纖維狀、片狀顔、填料 , 或者用有機高分子成膜物改性 , 使有機樹脂填充在 -Si -O -Si- 網狀結構的間隙中 , 遮罩殘存的羥基 , 減少塗膜對水的敏感程度 , 弛緩塗膜在冷熱交替時的伸縮作用。 膠體二氧化矽具有極小的粒子 , 對顔料的包覆性能和對底材的滲透能力很強 , 而且與水泥類鹼性底材在養護期所析出的 CaO 、 Ca (OH) 2 等鹼性物質能發生配位元反應 , 生成 2CaO · SiO 2 · H 2 O 化合物 , 使塗膜和底材一體化 , 並有效地防止了底材返堿而出現 “ 白花 ” 現象。因此 , 這類塗料施工時底材無需特殊處理就能獲得極好的附著力 , 不産生靜電 , 空氣中的塵埃較難粘附其上 , 而且易被雨水沖洗乾淨。 2 . 3 磷酸鹽塗料 磷酸鹽類無機塗料主要是以酸式磷酸鹽水溶液 ( 一般是磷酸二氫鋁 ) 爲成膜物 , 配以顔、填料 , 固化劑而成。磷酸鹽塗料具有很好的耐熱性能和粘結性能 , 但光澤度低 , 因此一般只用作工業設備 上的塗料 , 如鍋爐管道壁的耐熱保護塗料等。爲了使塗料的熱膨脹係數與金屬接近 , 配製這類塗料常添加少量的金屬粉。 |
posted by 卡洛伊 @ 11:19 PM
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