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累托石纳米浆料在水性涂料中的应用


对粘土表面进行改性,通常采用阳离子表面活性剂,它进入粘土层间后,由于离子交换的作用,使层间距离增大,同时层间的微环境也发生变化,表面由亲水型变成疏水型,表面能降低。这些在蒙脱石的改性实践和有机膨润土工业化的实践中已得到证明。
上世纪八十年代以来,非金属矿物在经济中的地位日益提高,日本首先利用原位插层复合方法制备聚已丙酰胺/粘土纳米复合材料,使聚合物某些性能明显提高,如拉伸强度、模量、冲击强度以及热定型温度等。我国广大业内人事经过多年实践,也使膨润土、高岭土、蒙托石在材料合成及涂料中得到广泛应用并取得了良好效果。
在涂料中应用是基于累托石以下特性:
※从物质成份可看出,累托石主要成份为金属和非金属氧化物构成,尤以SiO2和Al2O3含量最高,同时晶相结构多,有类云母颗粒。这些都是涂料特别是防锈涂料所需要的特性。
※结构层可分离性:累托石是为数不多的可分离成纳米级微粒的天然矿物之一。经适当处理,累托石层可分离成类云母和蒙脱石的纳米微粒,产生纳米材料的新特性,而用于含纳米涂料的生产,减少昂贵的纳米材料使用而降低成本。
※高分散性和高塑性:累托石遇水极易分散,成膜平整。加入少量后,分散效果更佳,并能保持长期悬浮;累托石塑性指数高达50,易粘结成型,烘干或烧结后不产生裂纹,因此,在涂料中应用具有良好的分散性、悬浮性和流平性等。
※高温稳定性:累托石的耐火烘高达1650℃。在1000℃时,结构变化形成莫来石。在800℃时可保持结构不变。因此在涂料中应用,可提高涂层的耐高温性能。
※吸附性和阴离子交换:能吸附多种无机离子、有机分子和气体分子。并且这种吸附和交换是可逆的。因此,它对有机和无机材料具有较好的相容性和适应性,可同时应用于水性、溶剂型以及粉末型等多种涂料,同时可大幅度减少多种助剂用量(如分散、防沉、消泡、增稠等),从而达到降低涂料生产成本的目的。
※阻隔紫外线性能:累托石天然具备良好的紫外线阻隔能力。经过大气层阻隔后,达到地球的紫外线为300~430nm。累托石对短波长光线(300~400nm)或射线吸阻隔效果明显。在涂料中应用,可提高抗候性,使用寿命延长。
※累托石粉经插层处理后,除产生纳米微粒外,整个浆料极细。在其他材料选用合理的前提下,可不经过研磨工序,减少涂料生产环节,达到降低能耗和生产成本的目的。
※层间孔径和电荷密度可调控:累托石层间孔径在使用不同处理剂进行离子交换后,可形成不同孔径的层状二维通道结构。在以后的研究工作中,在累托石脱色(为焙烧)后,插层,表面阳离子化处理,再着色。可开发出既有防锈功能,又有分散、防沉、催干效果,又五彩斑斓的多功能颜填粉。
因此,在水性涂料中应用累托石水性纳米浆料是可行的。
1、 创新点
(1)工艺简便   众所周知,纳米材料用于塑料、橡胶和涂料中,能够提高其力学等诸多性能。但是应用纳米材料需要有较高的技术和工艺过程,将粉体材料制备成水性纳米浆料,直接用于水性涂料中,可以大大减少应用纳米材料的复杂工艺过程。
(2)技术先进  累托石插层改性,目前国内研究大多采用蒙脱土等粘土处理工艺和材料。粘土插层处理有机化过程较早使用的插层剂是氨基酸吡啶等。目前使用比较多的插层剂有烷基铵盐、季胺盐等。选择插层剂时应考虑以下几个条件:A、容易进入层状硅酸盐晶体片层之间,而且能明显增大片层之间的距离;B、插层剂分子应与有机物有较好的相容性;C、较好的经济性。中科博策开发技术的贡献在于开发了两种以上特种阳离子型插层剂,正电荷强,虽较强碱性。另一种为两种不同氟表面活性剂,分别为水溶和油溶,有突出的降低表面能、降低液体表面张力和处理后疏水性等功能。与有机物有良好的相容性,而且用量少,处理成本低廉。在相同工艺下,由于特种表面活性剂的应用,整个体系表面张力下降,使得插层剂更容易进入片层的层间,同时由于插层剂的强正电荷,使得层间距比传统工艺撑得更大,从而使得改性后的材料具有更加突出的功能性。
(3)插层工艺效率高、成本低    整个操作过程简单,时间短,效率高,能耗和物耗都低,制造费用小,虽然插层剂单位价格高,但用量极小。而传统方法插层剂用量为累托石的25%~125%,单位成本需要10000~20000元,大大超过了累托石自身价格,影响累托石的推广应用,为此本路线有突出的技术先进性和经济性。
2、 应用领域    可用于各种水性涂料中。
3、 应用案例
利用插层LT浆料,在水性涂料开发上,已成熟开发出水性防锈漆系列:水性铁红、水性铁钛、水性磷酸锌、水性铝、锌、钛等防锈漆。水性建筑涂料,高、中低档水性内外墙(各色)涂料、水性彩瓦涂料、水性外墙隔热涂料以及吸水性彩色卷材涂料,底涂(各种防锈)背涂(底面合一、白灰)、面漆(海兰、大红)。
以上品种已检测试验,分别在湖北大学、海军工程大学、华师大、武汉大学、解放军3303工厂、武汉材料保护研究所、湖北省涂料检测中心进行。结果表明,用插层LT浆料改性的涂料,在力学,热学性能均有明显提高。建筑涂料方面:湖大试验表明,耐洗刷大于2万次(国家标准,5000次优级),附着力(划格法)>99%。湖北涂料检测中心,抗沾污性<5%(实际3.5%超过有机硅达到和接近有机氟涂料指标)。工业防腐漆系列:经海工、3303工厂测试,性能优秀。华师大、武大、武汉材保所检测:抗冲击(正反冲)≥120Kg.cm,烘烤200℃,干燥良好,无起泡,柔韧性,0度折弯(并且反复弯折)无裂纹,无脱落。性能上能满足彩色卷材较为严格的要求。