專利名稱：?jiǎn)畏稚⒓{米二氧化硅球粒子水溶膠制備方法及其用途的制作方法
技術(shù)領(lǐng)域：
本發(fā)明涉及單分散納米二氧化硅球粒子水溶膠制備方法及其用途。
背景技術(shù)：
納米二氧化鈦、二氧化硅和氧化鋅等無(wú)機(jī)納米粒子具有特殊的光學(xué)、電學(xué)、 催化以及表面活性等性能，其在涂料中的應(yīng)用受到研究者的關(guān)注。其中，納米
二氧化硅(Si<32)粒子具有粒徑小、比表面積大等特征，其以優(yōu)越的親水性、穩(wěn)
定性、補(bǔ)強(qiáng)性、增稠性、觸變性和消光性，在涂料工業(yè)領(lǐng)域得到廣泛應(yīng)用。由 于納米二氧化硅粒子比表面積大，能與聚合物分子產(chǎn)生強(qiáng)烈的交聯(lián)作用，使涂
層更加致密，大大提高涂料的耐洗刷性、耐沾污性和涂層的附著力；由于納米 Si02具有紫外光吸收和反射等光學(xué)特性，從而提高涂料的耐候性；此外，納米 膠體Si02還可提高涂料的儲(chǔ)存穩(wěn)定性,改善涂料的觸變性能。
由于納米Si02顆粒尺寸小,比表面積和表面張力都很大,易吸附而發(fā)生團(tuán)聚，
形成聚集體(二次粒子)和附聚體(三次粒子)，因此必須控制這些納米粒子 再聚集的方式和狀態(tài)，避免自聚集并使得它們能均勻分散在涂料中，保證納米 二氧化硅改性涂料的有效性。在目前的納米涂料研制與開(kāi)發(fā)的熱潮中，人們通 常采用了直接使用納米二氧化硅粉體作為涂料的外加劑原料，利用碾磨，高速 剪切，球磨，砂磨，超聲波分散等方法進(jìn)行分散。這種納米粉體機(jī)械分散制備 技術(shù)在制備納米涂料過(guò)程中存在本質(zhì)性的問(wèn)題首先，納米粉體難以分散均勻 并保證分散效果；更重要的是，這種制備技術(shù)根本無(wú)法抑制已分散的納米微粒 的自聚集現(xiàn)象，并對(duì)這些微粒附聚的方式和狀態(tài)進(jìn)行控制，難以保證納米粉體 改性的有效性。也一些研究者采用對(duì)納米二氧化硅粉體進(jìn)行表面改性預(yù)處理， 制備納米Si02膠體再分散到涂料中， 一定程度上能夠起到一定的分散效果，但是 這種將已團(tuán)聚納米二氧化硅粉體再分散的方法工藝復(fù)雜、耗能大。總之，機(jī)械
力分散法、表面改性法以及改善制備工藝方法可有效改變Si02納米粒子的團(tuán)聚現(xiàn)
象，但是均不能達(dá)到完全分散的程度，影響了Si02納米涂料的產(chǎn)業(yè)化生產(chǎn)。因此
如何提高納米粒子在涂料中的分散性是納米材料在涂料中應(yīng)用的關(guān)鍵問(wèn)題。

發(fā)明內(nèi)容
本發(fā)明的目的在于提供一種單分散納米二氧化硅球粒子水溶膠制備方法及 其用途，該方法的特點(diǎn)在于直接制備單分散性好的鄰米二氧化硅球粒子溶膠并分散到水性涂料中，提高納米粒子在水性涂料中的分散性，用以提高涂料的耐 候性、耐洗刷性及儲(chǔ)存穩(wěn)定性等性能。采用單分散納米二氧化硅適用于改性各 類(lèi)的水性涂料包括水性外墻涂料、水性木器涂料和水性防火涂料等。 本發(fā)明采用的技術(shù)方案如下
一、 一種單分散納米二氧化硅球粒子水溶膠制備方法
采用溶膠一凝膠法，用氨作為正硅酸乙酯水解反應(yīng)的催化劑，以乙醇為溶 劑制備納米Si02粒子，即采用的St5ber法制備Si02粒子的方法，反應(yīng)結(jié)束后，得到
分散于乙醇溶劑的Si02粒子懸浮液，采用加熱及鼓風(fēng)工藝將懸浮液中的大部分酒
精揮發(fā)，獲得納米二氧化硅粒子漿料，然后在漿料中加入氨基醇的水溶液，實(shí) 現(xiàn)溶劑的置換，最終配置納米Si02水溶膠，揮發(fā)的酒精收集后可再次用作原料制 備納米Si02粒子水溶膠，工藝流程如圖l所示。
所述的反應(yīng)中氨、水、正硅酸乙酯各組分濃度范圍[NH3]/mo卜L": 0.2 3， [H20]/mol U1: 2 30， [TEOS〗/mo1 L-1: 0.15 0. 5。
所述的漿料中加入質(zhì)量百分含量為1 5。/。氨基醇為AMP95的水溶液，實(shí)現(xiàn)
溶劑的置換，置換后納米Si02水溶膠中納米Si02占水溶膠總組分質(zhì)量百分含量
的2 20%。。
二、 一種單分散納米二氧化硅球粒子水溶膠的用途
用于改性水性外墻涂料、水性防火涂料和水性木器涂料，其中所配置納米 SiO2水溶膠中納米SiO2占涂料總組分質(zhì)量百分含量的0.4 2W。 本發(fā)明與背景技術(shù)相比，具有的有益的效果是-
該方法的特點(diǎn)在于直接制備單分散性好的納米二氧化硅球粒子溶膠并分散 到水性涂料中，從二氧化硅的制備到改性涂料的整個(gè)過(guò)程中，納米二氧化硅不 以粉體的形態(tài)存在，較好的避免了納米粒子的團(tuán)聚現(xiàn)象，提高了納米粒子在水 性涂料中的分散性，從而提高了涂料的耐候性、耐洗刷性及儲(chǔ)存穩(wěn)定性等性能。


圖l是本發(fā)明的工藝流程圖。
圖2是實(shí)施例1的納米二氧化硅的透射電鏡照片圖。
具體實(shí)施例方式
納米Si02改性水性外墻涂料氨作為正硅酸乙酯(TEOS)水解反應(yīng)的催化劑， 以乙醇為溶劑制備納米Si02粒子。在燒杯中依次加入乙醇、水和濃氨水，配置成 250ml的混合溶液，用磁力攪拌混合均勻([NH3] /mol I/1: 1. 5， [H20] /mol L": 4.0)，在另一燒杯中配置好相同體積的正硅酸乙酯和乙醇的混合液([TEOS]/mol*L —、 0.4)。室溫下，將兩溶液混合(最后反應(yīng)體系各組分濃度，[NH3] /mol L —、 0. 75， [H20] /mol I/1: 2. 0， [TEOS] /mol I/1: 0. 2)，在磁力攪 拌下反應(yīng)，反應(yīng)過(guò)程中用聚氯乙烯薄膜密封瓶口， 一段時(shí)間后溶液即開(kāi)始變得
呈乳白色不透明。反應(yīng)結(jié)束后得到分散于乙醇溶劑的Si02粒子懸浮液。采用加熱
及鼓風(fēng)工藝將懸浮液中的大部分酒精揮發(fā)，獲得納米二氧化硅粒子漿料，然后
在漿料中加入AMP95的水溶液，調(diào)節(jié)AMP95的水溶液的量，最終配置質(zhì)量百分 含量為10。/。納米SiO2水溶膠。納米二氧化硅的透射電鏡照片如圖2，可看到納米 二氧化硅為球形，分散性很好，SiO2的粒徑約為100nm左右。按照表l的水性外 墻涂料的配方及步驟工藝制備單分散納米二氧化硅改性水性外墻涂料。
表1 外墻涂料的基本配方
步驟一 -
步驟步驟.
原材料質(zhì)量(g)原材料質(zhì)量(g)
納米Si02水溶膠300消泡劑4
AMP954防銹劑2
潤(rùn)濕分散劑8鈦白粉300
防凍劑40重鈣300
原材料質(zhì)量(g)原材料質(zhì)量(g)
聚丙烯酸酯乳液1100防霉劑2
成膜助劑40殺菌劑2
消泡劑2
原材料質(zhì)量(g)原材料質(zhì)量(g)
增稠劑8H2070
流平劑16
配方步驟一，為高速攪拌階段加入水以后，在高速攪拌的情況下將原料 按配比依次分批加入。加完兩種填料后，繼續(xù)高速攪拌一小時(shí)。關(guān)機(jī)，靜置10 分鐘。
配方步驟二，為低速攪拌階段在低速攪拌的情況下緩慢加入這五種原料。 配方步驟三，為低、中速攪拌階段(含配色階段)增稠劑和流平劑與水 預(yù)先按重量比混和均勻配成溶液，在低速攪拌下緩慢加入，同時(shí)可逐步將轉(zhuǎn)速
5提高到中速并提升漿葉的高度至接近液面。2/3的溶液加入后即可進(jìn)行配色過(guò) 程，配色完成后加入剩余的l/3溶液，繼續(xù)攪拌20分鐘，攪拌的過(guò)程可以將槳葉 升降數(shù)個(gè)來(lái)回，提高乳膠涂料的均勻性。(增稠劑和流平劑的用量可根據(jù)需要 和實(shí)際性能具體調(diào)整)。關(guān)機(jī)，提升漿葉后，靜置半小時(shí)后進(jìn)行涂料罐裝。采 用納米二氧化硅改性的涂料耐候性強(qiáng)，耐洗刷性得到大大提高，且儲(chǔ)存穩(wěn)定性 好。
實(shí)施例2:
納米Si02改性水性防火涂料氨作為正硅酸乙酯(TEOS)水解反應(yīng)的催化 劑，以乙醇為溶劑制備納米Si02粒子。在燒杯中依次加入乙醇、水和濃氨水,配 置成250ml的混合溶液,用磁力攪拌混合均勻([NH3] /mol*L —、 6， [H20] /mol*L—、 60)，在另一燒杯中配置好相同體積的正硅酸乙酯和乙醇的混合液 ([TEOS]/mo卜L —、 1)。室溫下,將兩溶液混合(最后反應(yīng)體系各組分濃度，[NH3] /mol,L、 3， [H20]/mol'L": 3 0， [TEOS]/mo1 1/1: 0.5)，在磁力攪拌下 反應(yīng)，反應(yīng)過(guò)程中用聚氯乙烯薄膜密封瓶口， 一段時(shí)間后溶液即開(kāi)始變得呈乳
白色不透明。反應(yīng)結(jié)束后，得到分散于乙醇溶劑的Si02粒子懸浮液。采用加熱及
鼓風(fēng)工藝將懸浮液中的大部分酒精揮發(fā)，獲得納米二氧化硅粒子漿料，然后在 漿料中加入AMP95的水溶液，調(diào)節(jié)AMP95的水溶液的量，最終配置質(zhì)量百分 含量為20%納米Si02水溶膠。水性防火涂料的具體組成配比如下組分含量(wt %)納米Si02水溶膠10聚磷酸銨25三聚氰胺10季戊四醇12可膨脹石墨10 鈦白粉5氫氧化鎂2純丙乳液12苯丙彈性乳液10助劑(成膜助劑、消泡劑、 增稠劑等助劑)4。首先步驟一，在高速攪拌的情況下將納米Si02水溶膠、聚磷 酸銨、三聚氰胺、季戊四醇、可膨脹石墨、鈦白粉、氫氧化鎂和消泡助劑等原 料按配比依次分批加入。步驟二，為低速攪拌階段在低速攪拌的情況下緩慢 加入純丙乳液、苯丙彈性乳液、成膜助劑等原料。步驟三，根據(jù)需要加入增稠 劑和流平劑，關(guān)機(jī)，提升漿葉后，靜置半小時(shí)后進(jìn)行涂料罐裝。 實(shí)施例3:
納米Si02改性水性木器涂料氨作為正硅酸乙酯(TEOS)水解反應(yīng)的催化劑， 以乙醇為溶劑制備納米Si02粒子。在燒杯中依次加入乙醇、水和濃氨水，配置成 250ml的混合溶液,用磁力攪拌混合均勻([NH3] /mol L —、 0.4， [H20] /mol I/1: 20)，在另一燒杯中配置好相同體積的正硅酸乙酯和乙醇的混合液([TEOS] /mol'L—、 0.3)。室溫下，將兩溶液混合(最后反應(yīng)體系各組分濃度，[NH3] /mol, I/1: 0.2， [H20]/mol'L": 10， [TEOS]/mol 1/1: 0.15)，在磁力攪拌下反應(yīng)，反應(yīng)過(guò)程中用聚氯乙烯薄膜密封瓶口， 一段時(shí)間后溶液即開(kāi)始變得呈 乳白色不透明。反應(yīng)結(jié)束后，得到分散于乙醇溶劑的Si02粒子懸浮液。采用加熱 及鼓風(fēng)工藝將懸浮液中的大部分酒精揮發(fā)，獲得納米二氧化硅粒子漿料，然后
在漿料中加入AMP95的水溶液，調(diào)節(jié)AMP95的水溶液的量，最終配置質(zhì)量百分 含量為2c/。納米Si02水溶膠。按照表3的水性木器涂料的具體組成配比如下組分 含量(wt^)納米Si02水溶膠20顏料1水性聚丙烯酸酯乳液35水性聚氯酯 乳液32成膜助劑6潤(rùn)濕分散劑2流平劑0.2防霉劑0.2消泡劑1增稠劑 1膠聯(lián)劑1消光劑0.6 。首先在高速攪拌的情況下加入納米Si02水溶膠、潤(rùn)濕分 散劑和顏料，然后在低速攪拌階段添加消泡劑、水性聚丙烯酸酯乳液、水性聚 氨酯乳液、成膜助劑和各種助劑，最后，根據(jù)需要加入增稠劑和流平劑，關(guān)機(jī)， 提升漿葉后，靜置半小時(shí)后進(jìn)行涂料罐裝。
權(quán)利要求
1、一種單分散納米二氧化硅球粒子水溶膠制備方法，其特征在于采用溶膠-凝膠法，用氨作為正硅酸乙酯水解反應(yīng)的催化劑，以乙醇為溶劑制備納米SiO2粒子，即采用的 id="icf0001" file="A2009100997580002C1.tif" wi="13" he="5" top= "41" left = "62" img-content="drawing" img-format="tif" orientation="portrait" inline="yes"/>法制備SiO2粒子的方法，反應(yīng)結(jié)束后，得到分散于乙醇溶劑的SiO2粒子懸浮液，采用加熱及鼓風(fēng)工藝將懸浮液中的大部分酒精揮發(fā)，獲得納米二氧化硅粒子漿料，然后在漿料中加入氨基醇的水溶液，實(shí)現(xiàn)溶劑的置換，最終配置納米SiO2水溶膠，揮發(fā)的酒精收集后可再次用作原料制備納米SiO2粒子水溶膠。
2、 根據(jù)權(quán)利要求l所述的一種單分散納米二氧化硅球粒子水溶膠制備方法，其特征在于所述的反應(yīng)中氨、水、正硅酸乙酯各組分濃度范圍[NH3] /mol L—1: 0.2 3， [H20]/mol L": 2 30， [TEOS]/mo卜L": 0,15 0. 5。
3、 根據(jù)權(quán)利要求l所述的一種單分散納米二氧化硅球粒子水溶膠制備方法 其特征在于所述的漿料中加入質(zhì)量百分含量為1 5。/。氨基醇為AMP95的水溶液，實(shí)現(xiàn)溶劑的置換，置換后納米Si02水溶膠中納米Si02占水溶膠總組分質(zhì)量百分含量的2 20%。
4、 一種單分散納米二氧化硅球粒子水溶膠的用途，其特征在于用于改性 水性外墻涂料、水性防火涂料和水性木器涂料，其中所配置納米Si02水溶膠中 納米SiO2占涂料總組分質(zhì)量百分含量的0.4 2M。
全文摘要
本發(fā)明公開(kāi)了一種單分散納米二氧化硅球粒子水溶膠制備方法及其用途。采用溶膠-凝膠法，用氨作為正硅酸乙酯水解反應(yīng)的催化劑，以乙醇為溶劑制備納米SiO₂粒子，即采用的stber法制備SiO₂粒子的方法，得到分散于乙醇溶劑的SiO₂粒子懸浮液，采用加熱及鼓風(fēng)工藝將懸浮液中的大部分酒精揮發(fā)，獲得納米二氧化硅粒子漿料，再在漿料中加入氨基醇的水溶液，最終配置納米SiO₂水溶膠，揮發(fā)的酒精收集后可再次使用。該水溶膠用于改性水性外墻涂料、水性防火涂料和水性木器涂料。納米二氧化硅不以粉體的形態(tài)存在，避免了納米粒子的團(tuán)聚現(xiàn)象，提高了納米粒子在水性涂料中的分散性，從而提高了涂料的耐候性、耐洗刷性及儲(chǔ)存穩(wěn)定性等性能。
文檔編號(hào)C09D7/12GK101602508SQ200910099758
公開(kāi)日2009年12月16日 申請(qǐng)日期2009年6月22日 優(yōu)先權(quán)日2009年6月22日
發(fā)明者昭 王, 王耐艷, 陳建軍, 高林輝 申請(qǐng)人:浙江理工大學(xué)