納米碳酸鈣在外墻涂料中的應(yīng)用研究

劉翔華

【摘要】本文主要圍繞著納米碳酸鈣的應(yīng)用展開(kāi)探討，分析了納米碳酸鈣在外墻涂料中的應(yīng)用現(xiàn)狀，探討了納米碳酸鈣應(yīng)用的未來(lái)發(fā)展趨勢(shì)，以及應(yīng)用的要點(diǎn)。以期可以為納米碳酸鈣的應(yīng)用提供參考。

【關(guān)鍵詞】納米碳酸鈣；外墻涂料；應(yīng)用

中圖分類號(hào)：O434文獻(xiàn)標(biāo)識(shí)碼： A

一、前言

納米碳酸鈣在各行業(yè)都有一定的應(yīng)用，其中，外墻涂料作業(yè)中，納米碳酸鈣也有著廣泛的應(yīng)用，為了提高納米碳酸鈣在外墻施工中的應(yīng)用效果，必須要分析其應(yīng)用的方法和要點(diǎn)。

二、納米碳酸鈣概述

納米碳酸鈣是一種附加值很高的專用功能型無(wú)機(jī)材料,具有低成本、高性能、無(wú)毒無(wú)味等特點(diǎn), 作為一種優(yōu)質(zhì)填料和白色顏料, 廣泛應(yīng)用于橡膠、塑料、涂料、油墨、造紙、醫(yī)藥等眾多領(lǐng)域。采用機(jī)械化學(xué)合成的納米碳酸鈣商業(yè)產(chǎn)品與普通碳酸鈣產(chǎn)品相比, 納米碳酸鈣具有粒子細(xì)、比表面積大( 可達(dá)10~ 70m2 /g)、高表面活化率、高補(bǔ)強(qiáng)性、高白度、觸變性好等特點(diǎn), 是目前能夠工業(yè)化生產(chǎn)與應(yīng)用的納米材料之一, 可取代價(jià)格昂貴的白炭黑和鈦白粉, 具有廣闊的市場(chǎng)前景。

三、納米材料的特性及應(yīng)用

納米材料是指晶體粒徑為納米級(jí)的多晶體材料,具有小尺寸與高濃度晶界兩個(gè)重要特征, 通常大晶體的連續(xù)能帶分裂成接近分子軌道的能級(jí), 產(chǎn)生了小尺寸的量子隧道效應(yīng), 同時(shí)由于其高濃度晶界及界面原子受力不均衡性增加產(chǎn)生了界面效應(yīng), 這兩種效應(yīng)導(dǎo)致材料在力學(xué)性能、磁性能、光學(xué)性能、電性能及熱力學(xué)特征發(fā)生突變。

1、納米材料的光學(xué)特性及應(yīng)用

由于納米粒子粒徑小、表面分散率高, 對(duì)不同波長(zhǎng)的光線會(huì)產(chǎn)生不同的吸收、反射、散射等作用。納米粒子粒徑遠(yuǎn)遠(yuǎn)小于可見(jiàn)光的波長(zhǎng)( 400 ~ 750nm) , 具有透過(guò)作用, 從而保證納米復(fù)合涂層具有較高的透明性。不同粒徑的納米材料對(duì)光的散射和反射效應(yīng)不同, 可產(chǎn)生隨入射光角度不同的變色效應(yīng)。粒度小于300 nm 的納米材料具有可見(jiàn)光反射和散射能力, 它們?cè)诳梢?jiàn)光區(qū)是透明的, 但對(duì)紫外光具有很強(qiáng)的吸收和散射能力。

2、納米材料的表面活性及應(yīng)用

納米材料極大的表面積和近似于大分子水平的粒徑?jīng)Q定其具有很高的表面活性。納米材料高活性的巨大表面積與成膜物和溶劑形成強(qiáng)大的相互作用力。納米SiO2 以及硅酸鹽為主的納米改性膨潤(rùn)土可極大地改進(jìn)涂料的流變性, 提高其開(kāi)罐性能——防沉降和良好的觸變性和施工性能——防流掛。隨著粒度進(jìn)入納米尺度, 材料表面活性中心的增多提高其化學(xué)催化和光催化的反應(yīng)能力, 在紫外線和氧的作用下給予涂層的自清潔能力。表面活性中心與成膜物質(zhì)的官能團(tuán)可發(fā)生次化學(xué)鍵結(jié)合, 極大增加涂層的剛性和強(qiáng)度, 從而改進(jìn)涂層的耐劃傷性。

3、納米材料的小體積效應(yīng)及應(yīng)用

納米級(jí)的顏料和填料可以極大地減少涂料中顏料與成膜物之間的自由體積, 協(xié)同得到增強(qiáng)的成膜物質(zhì)與納米填料的結(jié)合力從而大大提高填充比, 改進(jìn)涂層的機(jī)械強(qiáng)度, 減少毛細(xì)管而提高涂層的屏蔽作用。將納米材料用在底漆中, 可以加固底漆與基層的粘結(jié)作用, 底漆微細(xì)顆粒滲透到基層中使之連成一個(gè)整體, 其機(jī)械強(qiáng)度的提高是不言而喻的。納米級(jí)的顏填料與底漆的強(qiáng)作用力及填充效果有助于改進(jìn)底漆- 涂層的界面結(jié)合。

四、實(shí)驗(yàn)

1、主要實(shí)驗(yàn)原料

納米CaCO3 粉體: 平均粒徑60 nm 左右, 比表面積28。 6 m2 / g , 安徽巢東納米材料科技有限公司; 乳液: S- 05 純丙乳液, 江蘇南通生達(dá)化工有限公司; 鈦白: 金紅石型R- 902, 美國(guó)杜邦公司; 偶聯(lián)劑、消泡劑、潤(rùn)濕劑和分散劑等: 分別由德國(guó)畢克化學(xué)公司、江蘇常州吉耐助劑有限公司和常州市亞邦亞宇助劑有限公司等提供。

2、 主要實(shí)驗(yàn)設(shè)備

SFJ- 400 型砂磨、分散、攪拌多用機(jī): 上海現(xiàn)代環(huán)境工程技術(shù)有限公司; 雙槽刮板細(xì)度計(jì)( 0~25 Lm) : 上?，F(xiàn)代環(huán)境工程技術(shù)有限公司; QXD 型刮板細(xì)度計(jì)( 0~ 50 Lm) : 天津市建筑儀器試驗(yàn)機(jī)公司; FA2004 型電子分析天平: 沈陽(yáng)龍騰電子儀器有限公司; NDJ- 5S 型旋轉(zhuǎn)粘度計(jì): 上海天平儀器廠。

3、實(shí)驗(yàn)方法

(一) 納米CaCO3 料漿制備

首先將水浴升溫至指定溫度, 然后把納米Ca-CO3 粉體按比例加入裝有水的錐形瓶中。 將錐形瓶置于水浴中并攪拌懸浮液, 使其達(dá)到規(guī)定溫度。 加入一定量的分散劑, 用高速分散機(jī)在規(guī)定轉(zhuǎn)速下高速( 6 000~ 8 000 r/ min) 分散一定時(shí)間后, 即可制得納米CaCO3 料漿。

(二) 納米CaCO3 復(fù)合外墻涂料的制備外墻涂料配方見(jiàn)表1。

表1外墻涂料配方

按照涂料配方, 將水加入到制漆釜中, 在攪拌狀態(tài)( 400~ 1 000 r/ min) 下依次加入分散劑、乙二醇并攪拌均勻; 繼續(xù)攪拌, 再依次加入納米CaCO3 料漿和顏填料, 高速( 大于1 400 r/ min) 分散0。 5~ 1。 0 h, 然后在低轉(zhuǎn)速下加入消泡劑、成膜助劑, 攪勻后再加入乳液和增稠劑等, 并在低轉(zhuǎn)速下攪勻, 即可得到納米CaCO3 復(fù)合外墻涂料。

五、實(shí)驗(yàn)結(jié)果與討論

1、影響納米CaCO3 分散效果的因素

納米材料具有巨大的比表面積和表面能, 在干燥、貯存過(guò)程中極易聚集成團(tuán), 而團(tuán)聚的顆粒往往不能發(fā)揮出納米材料獨(dú)特的性質(zhì)。 因此, 分散解聚對(duì)于納米材料的應(yīng)用是非常重要的。 通常, 納米材料的團(tuán)聚分為物理吸附和化學(xué)聚集。 用適當(dāng)?shù)姆椒苁刮锢砦降念w粒團(tuán)解聚, 而化學(xué)聚集的顆粒一般難以用物理的方法解聚 。

由于納米CaCO3 具有很大的表面能, 將其直接加入涂料中很難分散均勻, 故選擇先將其分散成納米漿, 再以漿體的形式加入到涂料中。

為優(yōu)化出分散工藝條件, 分別考察了不同分散劑及其用量、不同分散時(shí)間、不同料漿濃度( 納米CaCO3 粉體質(zhì)量占料漿質(zhì)量的百分?jǐn)?shù)) 、不同溫度對(duì)納米CaCO3 分散體系的影響。

（一）料漿濃度的選擇

按15%, 20% 和25%這3 種料漿濃度進(jìn)行試驗(yàn)。 結(jié)果發(fā)現(xiàn), 當(dāng)納米CaCO3 料漿濃度達(dá)25%時(shí),分散筒底部有沉淀, 攪拌機(jī)不能正常工作, 負(fù)荷過(guò)大; 在料漿濃度為20% 時(shí), 攪拌機(jī)仍超負(fù)荷; 在料漿濃度為15%時(shí), 分散筒底部無(wú)沉淀, 攪拌機(jī)工作正常。 因此選定納米CaCO3 料漿濃度為15% 。

（二） 分散劑的選擇

根據(jù)筆者多年從事乳膠漆科研和生產(chǎn)的經(jīng)驗(yàn), 本試驗(yàn)選擇了國(guó)內(nèi)外具有代表性的分散劑, 如分散劑DA , 270, 5040, DP- 518, 3204 等, 用于制備納米CaCO3 料漿, 但效果均不理想, 所得料漿的懸浮性差。 分析其原因, 可能與這些分散劑在粉料顆粒表面僅為物理吸附有關(guān)。 要克服納米材料巨大的表面能, 可能要引入具有化學(xué)活性的官能團(tuán), 而鈦酸酯偶聯(lián)劑正好具有這樣的特性, 它的活性基團(tuán)具有可設(shè)計(jì)性, 能針對(duì)特定的需要設(shè)計(jì)出特定的產(chǎn)品, 故本試驗(yàn)選擇了鈦酸酯偶聯(lián)劑202 和401 兩個(gè)品種作為分散劑。 但在試驗(yàn)中發(fā)現(xiàn): 202 不適合于水性體系; 單獨(dú)用鈦酸酯偶聯(lián)劑401 也難以得到令人滿意的料漿。

（三）鈦酸酯偶聯(lián)劑用量的選擇

分別按納米CaCO3 粉體質(zhì)量的2。 0%, 2。 5% , 3。 0% , 3。 5% 添加鈦酸酯偶聯(lián)劑, 制備料漿, 并觀察料漿的沉降情況和有無(wú)結(jié)底現(xiàn)象。 結(jié)果發(fā)現(xiàn), 當(dāng)鈦酸酯偶聯(lián)劑用量為納米CaCO3 粉體質(zhì)量的2。 0% 和2。 5%時(shí), 所制備的料漿沉降快, 無(wú)結(jié)底現(xiàn)象; 為3。 5% 時(shí), 所制備的料漿有結(jié)底現(xiàn)象; 為3。 0% 時(shí), 所制備的料漿沉降較慢, 且無(wú)結(jié)底現(xiàn)象。 故選定鈦酸酯偶聯(lián)劑的用量為納米CaCO3 粉體質(zhì)量的3。 0% 。

2、納米CaCO3 漿體加入量對(duì)涂料性能的影響

根據(jù)外墻乳膠漆標(biāo)準(zhǔn)( GB/ T 9755 ) 2001) 要求, 對(duì)添加納米CaCO3 漿體的涂料性能進(jìn)行了全面檢測(cè), 其中的在容器中狀態(tài)、施工性、涂膜外觀、干燥時(shí)間、涂料耐凍融性等指標(biāo)都符合或優(yōu)于國(guó)家標(biāo)準(zhǔn)要求。 考慮到涂料的貯存穩(wěn)定性和實(shí)際應(yīng)用的需要, 重點(diǎn)考察了納米CaCO3 漿體加入量( 以質(zhì)量分?jǐn)?shù)表示) 對(duì)涂料的耐沾污性、耐洗刷性、觸變性、耐水性、耐堿性和耐老化性的影響。

3、涂層的掃描電鏡表征

未添加納米CaCO3 漿體時(shí)顏填料粒子在涂層中分散不均勻, 團(tuán)聚嚴(yán)重, 且粒子邊界較為清晰, 說(shuō)明顏填料粒子與樹(shù)脂的相容性較差。 添加納米CaCO3 漿體后, 顏填料粒子在涂層中分散均勻, 且顆粒與樹(shù)脂的界面比較模糊, 說(shuō)明由于其他顏填料粒子吸附了納米CaCO3 微粒, 使顏填料粒子與樹(shù)脂具有較好的相容性。

六、結(jié)束語(yǔ)

綜上所述，納米碳酸鈣應(yīng)用與外墻涂料中，一定要講究應(yīng)用的方法，針對(duì)外墻應(yīng)用的需要選用納米碳酸鈣，進(jìn)而提高納米碳酸鈣的使用效果，確保納米碳酸鈣的使用符合要求。

【參考文獻(xiàn)】

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