納米二氧化硅的改性以及在涂料中的應用

納米二氧化硅為納米材料之一，表面帶有羥基， 粒徑通常為20~60nm，分散性好，比表面積大，是目前世界上大規(guī)模工業(yè)化生產的產量最高的一種納米粉體材料，廣泛應用于電子封裝材料、高分子復合材料、塑料、涂料、橡膠、顏料、陶瓷、膠黏劑、玻璃鋼、藥物載體、化妝品及抗菌材料等領域。

納米二氧化硅具有極強的紫外和紅外反射特性，添加到涂料中能對涂料形成屏蔽作用，達到抗紫外老化和熱老化的目的，增加涂料的隔熱性。同時，納米二氧化硅具有三維網狀結構，擁有龐大的比表面積，表現出極大的活性，能在涂料干燥時形成網狀結構，同時增加了涂料的強度和光潔度，而且提高了顏料的懸浮性，能保持涂料的顏色長久不變。近年來，納米二氧化硅運用于涂料中得到了較快的發(fā)展。

圖一 納米二氧化硅SEM圖

一、納米二氧化硅的表面改性

粉體納米二氧化硅容易團聚，直接加入涂料中難以達到真正意義上的納米級均勻分散，故需要先進行表面改性，提高其分散性，然后與涂料相結合，才能實現真正納米二氧化硅與涂料的穩(wěn)定結合。納米粒子表面改性的方法有醇酯化法、偶聯(lián)劑法、表面活性劑法、接枝聚合法和高能法等。

1、醇酯化法

醇酯化法是用脂肪醇與納米二氧化硅表面的羥基發(fā)生化學反應，脫去水分子，而納米二氧化硅表面的羥基則被烷氧基取代，反應需在高溫高壓下進行。

2、硅烷偶聯(lián)劑法

硅烷偶聯(lián)劑法是納米二氧化硅改性最常用、最傳統(tǒng)的一種改性方法。硅烷偶聯(lián)劑具有雙向反應功能的化學物質，能夠使聚合物與納米二氧化硅的結合界面成為化學鍵結合，顯著提高了納米二氧化硅的補強性能。

3、聚合物接枝改性法

聚合物接枝改性法是指有機單體在納米二氧化硅的表面進行單體聚合的反應。首先表面活性劑與納米二氧化硅表面羥基發(fā)生作用；其次加入溶劑化的有機單體；然后單體以表面活性劑為起點發(fā)生原位聚合接枝到納米二氧化硅表面上。

4、表面活性劑法

表面活性劑法改性納米二氧化硅有2種方式：一種是物理吸附法；一種是化學反應法，即表面活性劑中的反應基團與二氧化硅粒子表面活性基團反應，形成了新的化學鍵，從而達到對納米粒子表面修飾和改性的目的。

5、同步改性法

同步改性法又稱原位改性，即在溶膠-凝膠法制備納米二氧化硅的過程中加入了有機改性劑，或是制備溶膠時直接加入需要改性的有機體系中，此時生成的納米粒子粒徑小，表面能極強，促使納米粒子與有機體系中的有機鏈相結合。

6、高能改性方法

高能改性法是利用微波、等離子體等對納米二氧化硅表面進行改性。可以使化學法難以引發(fā)的結合羥基產生了具有引發(fā)活性的活性基團，進而促使改性劑在其表面反應。

二、納米二氧化硅在涂料中的應用

1、納米二氧化硅在建筑涂料中的應用

將納米二氧化硅添加到建筑涂料中可提高涂料的附著力、耐擦洗性、耐候性、強度硬度、韌性彈性、耐老化、抗菌、抗紫外線等特性，顯著改善了涂料的自清潔、防水防滲、防磨損、腐蝕、保色性等性能，因而在改性外墻涂料方面具有較好的效果。

圖二 納米二氧化硅在建筑涂料中的應用

2、納米二氧化硅在金屬防護涂料中的應用

在金屬防護涂料中加入納米二氧化硅，會使得涂料的質量有進一步提升。許多研究人員對納米二氧化硅的作用做出了嘗試，結果表明，納米二氧化硅可以明顯增強金屬防護涂料的炭質層強度。而且還會提高鋼類建材的耐火極限。

圖三 納米二氧化硅在金屬防護涂料中的應用

3、納米二氧化硅在紫外固化涂料中的應用

納米二氧化硅具有極強的紫外吸收、紅外反射特性。分光光度儀測試表明，它對波長400nm以內的紫外光吸收率高達70%以上，對波長400nm以內的紅外光反射率也達到70%以上。它添加到涂料中能對涂料形成屏蔽作用，達到抗紫外老化和熱老化的作用，同時增加了涂料的隔熱性。

圖四 納米二氧化硅在紫外固化涂料中的應用

4、納米二氧化硅在彩色噴墨打印紙涂料中的應用

國內彩色噴墨打印紙由于不透明度、清晰度、分辨率、打印密度、防水性能以及色彩還原等方面與國外幾家品牌產品存在差距，故國內打印紙市場主要被日本和美國幾家品牌產品占有。將納米二氧化硅應用到噴墨打印紙涂料，有效改善了彩色噴墨打印紙的性能。

圖五 納米二氧化硅在彩色噴墨打印紙涂料中的應用

5、在其他方面的應用

納米二氧化硅在涂料中的應用，可以有效地改善涂料的很多性能指標。如納米二氧化硅添加到涂料里從而提高涂層的防腐能力。另外，在成膜過程中，納米二氧化硅粒子可以有效地改善乳膠粒之間、乳膠粒與填料之間的界面結合張力，達到增強和修補缺陷的作用，從而有效改善涂料成膜后的機械性能。

三、納米二氧化硅在涂料應用領域的發(fā)展前景

納米作為涂料的重要助劑之一，它的開發(fā)與應用為涂料的發(fā)展注入了新的活力，可利用其各種特殊效應來提高涂料的多方面性能，所配制的功能性涂料和綜合性能優(yōu)異的高檔涂料可以滿足現代工業(yè)發(fā)展的需要，這對涂料的發(fā)展起著十分重要的推進作用。尤其是納米在墻體涂料、金屬涂料、塑料涂料、紫外固化涂料、噴墨紙涂料、水性木器涂料等中的應用均取得了不錯的效果。

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