無機硅化物在涂料中的應用

＊王敬偉 紀發(fā)達

（山東龍港硅業(yè)科技股份有限公司 山東 261300）

1.前言

傳統(tǒng)的溶劑型涂料因含有大量有機溶劑，對自然環(huán)境、安全生產(chǎn)和人體健康有很大危害。歐美等眾多國家相繼制定了一系列環(huán)保法規(guī)來限制VOC向大氣中排放。在此背景下，無機涂料等環(huán)境友好型涂料因其VOC含量極低，涂料行業(yè)市場規(guī)模龐大，發(fā)展前景良好。

從涂料行業(yè)發(fā)展歷程來看，全球涂料行業(yè)已經(jīng)進入了成熟期，發(fā)達國家市場已趨飽和；發(fā)展中國家和地區(qū)，尤其是我國，由于其巨大的市場潛力成為行業(yè)競爭的焦點。節(jié)省能源成為現(xiàn)代涂料工業(yè)發(fā)展的方向。

隨著近年來我國門窗、地坪、家具、裝飾材料、鋼結構件等產(chǎn)品涂裝逐步向工廠生產(chǎn)線方向轉移，汽車、公路、橋梁等行業(yè)對涂裝產(chǎn)品的市場需求大增，石油儲備工程、大型鋼結構工程的興起，我國涂料產(chǎn)品結構發(fā)生了很大變化，工業(yè)涂料比重大增，我國工業(yè)涂料產(chǎn)品比重超過60%。隨著建筑涂料和建筑裝飾涂料的企業(yè)開始向工業(yè)涂料領域擴張，工業(yè)涂料的增長前景較好。

同時，為規(guī)范建筑內部裝修設計，減少火災危害，2018年GB 50222-2017《建筑內部裝修設計防火規(guī)范》正式實施，適用于工業(yè)和民用建筑的內部裝修防火設計，建筑內部裝修設計應積極采用不燃性和難燃性，避免采用燃燒時產(chǎn)生大量濃煙或毒氣體的材料。涂料的選擇成為裝修重中之重，在某些特定的場所如學校、醫(yī)院、養(yǎng)老院、大型超市、體育館等人流量大的特殊場所必須采用A級阻燃墻面涂料。傳統(tǒng)的涂料、乳膠漆為有機化合物，阻燃等級僅達到B2級且容易發(fā)霉、抗堿性差、抗污性差、環(huán)保性無法控制，而涂料中能達到A級阻燃亦只有無機涂料。

2.無機硅化物涂料的應用

目前有機涂料存在較多不足：首先，涂料的壽命有限。有機涂料的主要成分為有機成分，其易受光、熱、有害物質的長時間侵蝕導致分解而失去防火功能。其次，在防火過程中釋放有毒煙氣，危害人員安全；另外，防火時間有限。有機涂料主要成分為易燃物，防火過程中在氧氣作用下會燃燒失去隔熱防火功能。還有，有機涂層高溫下易脫落。高溫情況下，發(fā)泡的有機涂層與基材的粘結較弱，在熱浪沖擊下易脫落從而失去防火功能。最后，有機防火涂料成本較高。有機原料的成本一般情況下都高于無機材料。

無機涂料具有很多優(yōu)點，但也存在如裝飾效果不足、附著力不強以及某些無機涂料制作成本過高等問題。隨著涂料市場的發(fā)展，以及國家政策以生態(tài)優(yōu)先、綠色發(fā)展為導向，高性能、高環(huán)保、低能耗的高質量無機涂料越來越受歡迎。無機硅化物涂料具有良好的環(huán)保透氣性能，耐潮濕，耐霉變，不易燃燒、綠色環(huán)保等綜合性能，是符合環(huán)保要求的高科技換代產(chǎn)品。無機硅化物是最普遍的無機涂料粘合劑，具有較強的粘結力、成膜能力、耐高溫、耐老化，原料來源豐富、無污染、成本低廉等優(yōu)點。目前，在建筑工程中常用的無機硅化物涂料中常用的成膜物質主要是硅酸鈉、硅酸鉀、硅酸鋰和硅溶膠。

（1）硅酸鈉。硅酸鈉即水玻璃，其水溶液價格低廉，成膜性好，產(chǎn)量大且價格比較低。由于它的堿金屬成分高，作為涂料使用雖有適度的粘性和良好的成膜性、粘結性，但用它生產(chǎn)的建筑涂料不耐水，不耐擦洗，且產(chǎn)品質量不穩(wěn)定。

水玻璃涂料是以水玻璃為主要成膜物質的無機涂料。水玻璃溶液加入固化劑、粉狀填料通過一定工藝配制而成，無毒、無味，涂于物品表面凝結成光亮、平滑的薄膜，兼有防護和裝飾作用。將硅酸鈉與少量復合助劑混合，在常溫、常壓下制得涂料的基料，然后加入活性填料等；或與金屬氧化物混合加熱反應，制得的產(chǎn)物再加入硬化劑、填料等配制的涂料，具有不燃性、耐熱性、耐候性，且成膜硬度高，其生產(chǎn)工藝簡單、施工方便、價格低廉。

用水玻璃無機涂料制成的裝飾材料，不僅有隔熱性能，而且對水分有吸收和散發(fā)能力，適用于刷涂和噴涂，涂料的穩(wěn)定性好，貯存方便，性能接近硅溶膠類型無機高分子建筑涂料。

（2）硅酸鉀。硅酸鉀穩(wěn)定狀態(tài)時為透明質粘稠狀液體，由于硅酸鉀可常溫自固化，不需要外加固化劑，因此硅酸鉀是無機涂料中使用最廣泛的粘結劑，無機硅酸鉀礦物涂料是以硅酸鉀為主粘結料，配合一定量的高分子材料、助劑和顏填料制得的涂料。

無機硅酸鉀涂料在防霉方面具有特別好的優(yōu)勢：一方面由于無機硅酸鉀涂料有機物含量低，pH值高，所以具有天然防霉性能，它不需要添加防霉劑，減少了防霉劑對環(huán)境的污染。另一方面由于無機涂料涂膜的透氣性和抗水性好，使涂膜干燥，減少了霉菌的生長。在潮濕環(huán)境下，無機硅酸鉀涂料反應生成的副產(chǎn)物碳酸鉀，使漆膜呈現(xiàn)強堿性，所以在潮濕環(huán)境下也能起到持久防霉作用。

無機涂料中包括其原料的生產(chǎn)、涂料的加工以及涂膜老化，將對環(huán)境的影響盡可能的降到最低，且環(huán)境本身能較快地自我恢復；硅酸鉀礦物涂料在固化過程中能吸收空氣中的二氧化碳，減少了空氣中二氧化碳溫室氣體的濃度。

無機硅酸鉀礦物涂料因其具有持久防霉、天然環(huán)保的性能，更適合：地鐵、隧道、地下室、南方高濕地域建筑等對防霉環(huán)保要求比較高的場所或區(qū)域。

無機硅酸鉀涂料優(yōu)點：①環(huán)境友好，低氣味和可呼吸的涂料，低過敏源的涂料，低毒低害的，無標簽的原料，低VOC甚至無VOC的原料及產(chǎn)品。②便于施工涂布，有優(yōu)異的耐擦洗性、涂刷性和好的流平性等，持久耐用，透氣性能良好。③多孔形式賦予涂料優(yōu)異的透氣性。

（3）硅酸鋰。硅酸鋰又稱鋰水玻璃，是金屬鋰與硅酸根結構結合形成的化合物，硅酸鋰基涂料是水玻璃涂料（也稱水玻璃系無機涂料）中的一種。由于鋰離子半徑比鈉、鉀離子半徑小得多，相對于硅酸鈉、硅酸鉀溶液，它的粘稠度會低，耐水性、耐火性、耐侯性等會十分優(yōu)異，且硅酸鋰水溶液允許模數(shù)高達8，在超高模數(shù)下穩(wěn)定性依然很好。

硅酸鋰除了具有自干的性能之外，還具有耐熱、不燃、耐輻射、無毒等性能，在房屋裝修之中，使用這種材料，具有環(huán)保的作用，不會對人體造成任何的傷害。它不僅能夠在房屋裝修之中使用，還能夠在大廈以及各種構件中使用，尤其適宜用于潮濕環(huán)境和耐水性裝飾涂料。

硅酸鋰涂料，具有以下優(yōu)點：①綠色環(huán)保，用水做溶劑，避免了使用有機溶劑產(chǎn)生的污染和毒害。②耐腐蝕，具有較高的耐有機溶劑的腐蝕。③阻燃，耐高溫，耐輻射。④硬度高、耐磨性好，耐生物降解。此外它還具有大多數(shù)無機涂料沒有的自固化能力，優(yōu)異的耐水性和耐干濕交替性。

（4）硅溶膠。在硅溶膠產(chǎn)品中，二氧化硅粒子的長度都是納米級的，如今納米微粒具有的特別性能現(xiàn)已廣泛應用在機械、電子、化工、動力、生物、國防及日常生活等領域中，而硅溶膠產(chǎn)品則是將納米粒子用在涂料之中。

硅溶膠顆粒細微，析膠時的氧化硅具有較高的活性，能與某些無機鹽、金屬氧化物生成新的硅酸鹽無機高分子化合物，形成很硬的膜；粒子細小對基材的滲透力強，細小的顆粒能通過毛細管作用滲透到基材的內部，并能與基材中的堿性物質作用，使涂膜具有較強的附著力。

硅溶膠具有優(yōu)于一般涂料的表面附著的黏結力。硅溶膠與有機高分子聚合物混溶，使有機高分子均勻地分布在Si-O-Si無機涂層的間隙中，屏蔽無機涂層中殘存的親水基團，涂膜經(jīng)受冷熱交替時使涂層的收縮得到緩沖，并使涂層具有一定的彈性，所形成的涂層兼具無機涂料和有機涂料的特性，彌補兩者不足。

硅溶膠成膜后形成硅氧體為網(wǎng)狀結構，不怕酸堿，提高了涂膜的性能。以硅溶膠為主要成膜物，添加輔助成膜物，外加顏料、填料配制的涂料，具有獨特的耐水、耐火、耐洗刷、耐污染性能。

此外硅溶膠在制備金屬型面層導熱涂料、耐水仿瓷涂料、墻面珠鋼涂料、節(jié)能防腐高溫陶瓷涂料、金屬型保溫涂料、發(fā)泡型防火涂料等中廣為應用。

3.結束語

我國工業(yè)涂料比重遠低于國際水平，發(fā)展前景廣闊。據(jù)全球各地區(qū)涂料產(chǎn)品產(chǎn)量統(tǒng)計資料顯示，北美地區(qū)水性工業(yè)涂料約占43%，溶劑型工業(yè)涂料約占51%；西歐地區(qū)水性工業(yè)涂料約占34%，溶劑型工業(yè)涂料約占52%；而在我國水性工業(yè)涂料只占15%，溶劑型工業(yè)涂料占比高達80.5%，水性工業(yè)涂料應用比例與歐美發(fā)達國家相比差距相當大，具有廣闊的市場發(fā)展空間。

步入21世紀以來，歐美以及日本等發(fā)達國家提出了“涂料無機化”的觀點，與有機建筑涂料相比，無機建筑涂料在資源、環(huán)保和綜合性能等方面有很大的優(yōu)勢，且具有優(yōu)異的貯存穩(wěn)定性、柔韌性、防水性、耐污性、阻燃性以及耐霉菌性等優(yōu)點，已得到人們的廣泛認可。近年來，隨著國家各項環(huán)保法規(guī)的出臺和人們環(huán)保意識的增強，無機涂料符合涂料工業(yè)的水性化、無公害化、節(jié)約能源、高性能等發(fā)展方向，具有廣闊的市場前景。