[发明专利]新型改性纳米二氧化硅以及由其制备的复合涂料

说明书

技术领域

本发明涉及纳米粉体改性及应用，尤其涉及水性纳米功能涂料的制备。 

背景技术

近年来，国外的“高档涂料”产品大量涌入我国市场，使我国涂料工业受到严重冲击。我科技人员通过对此类进口“高档涂料”检测，发现其中均添加了不同种类的纳米材料，纳米微粒在“高档涂料”体系中，以其独特的物理、化学性能及常规材料所不具备的小尺寸效应、量子尺寸效应和表面界面效应，大幅度提高了涂料产品的耐刮伤、抗老化、耐水洗刷性、抗静电、光洁度、对比率、和涂膜的表面硬度及自洁能力等性能。例如：国外已成功开发了耐刮伤、耐紫外光及耐化学腐蚀的透明汽车面漆有机/无机杂化树脂基涂料(杂化相尺寸为纳米级)，并已应用于Ford Taurus等多种型号的汽车。此外，美国Du Pont公司还推出添加有纳米银粒子的抗菌涂料。德国Nano Chem System公司，开发了可用于混凝土、石材、陶瓷、木材、玻璃等表面的涂层材料，据称该涂层应用了纳米技术，能降低被涂饰表面的表面张力(疏水、疏油)，从而达到抗污、防雾、易清洗的目的；该公司还推出了自清洁型外墙涂料硅纳米结构改性的丙烯酸酯涂料，研究发现：在树脂中掺入纳米级的TiO₂(白色)、Cr₂O₃(绿色)、Fe₂O₃(褐色)、ZnO等具有半导体性质的粉体，会产生良好的静电屏蔽性能，日本松下电器公司研究所据此成功开发了适用于电器外壳的树脂基纳米氧化物复合的静电屏蔽涂料，与传统的树脂基碳黑复合的涂料相比，树脂基纳米氧化物复合涂料具有更为优异的静电屏蔽性能，而且后者在颜色选择方面也更为灵活，在军事上所利用的隐身涂料，目前也多采用添加纳米填料的形式，其隐身的原理为：纳米微粒尺寸远小于红外及雷达波波长，也即纳米微粒材料对红外及雷达 波的透过率比常规材料高；纳米微粒的比表面积远大于常规粉体，致使其对电磁波的吸收率也高，因而导致纳米微粒材料对红外及雷达波的反射率下降，使得红外探测器和雷达接收到的信号变微弱，从而起到隐身作用，例如：美国F117A型飞机上就涂有由多种超微粒子构成的具有宽带电磁波吸收能力的隐身材料。 

而在我国不少公司研究机构也开发出了疏水耐污染建筑涂料、抗菌内墙涂料、以及乳胶漆抗紫外防老化纳米涂料和具有一定光催化活性(可催化氧化空气中有害气体)及杀菌消毒功能的纳米涂料，这些纳米级涂料除对成膜基料进行工艺配方上的改进外，也多为采用添加纳米级粉体的形式制备纳米复合涂料，例如：在设计水性建筑涂料配方过程中，添加质量分数为3％左右的纳米SiO₂，经过充分的分散获得改性的涂料，其各项技术性能指标均有很大程度的提高：干燥时间由原来的2h缩短到小于1h；耐洗刷性能由1000次(外墙涂料)和100次(内墙涂料)提高到10000次以上；人工加速老化试验由240h的一级变色、二级粉化提高到450h无任何变化，但是，由于纳米SiO₂为无定型白色粉末(指其软团聚体)，经透射电子显微镜测试分析，这种材料明显呈现出絮状和网状的准颗粒结构，颗粒尺寸小(3～15nm)，比表面积大(640±50m²/g)，表面存在大量不饱和残键及不同键合状态的羟基，极易造成团聚影响分散，尤其含量较高时团聚更加突出。由于纳米材料的应用功效主要取决于纳米粉体材料的表面分子设计情况(即如何解决与基体材料体系的相容性问题)及其在基体材料中的分散度，因此，在制备纳米涂料时，纳米粉体的分散成为制备性能优良涂料的关键，而提高纳米粉体的分散性、保证填料同成膜基料的相容性，对纳米粉体表面改性又成为制备功能涂料的关键，这是因为无机粉体表面性质和成膜有机基质的性质相差较大，相容性差会影响无机纳米粉体在成膜过程的分散均匀 性。