[發(fā)明專利]一種硅溶膠的制備方法及其在陶瓷涂料的應(yīng)用

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• 申請日: 2019-12-18
• 公開（公告）號: CN111017935A
• 公開（公告）日: 2020-04-17
• 發(fā)明（設(shè)計）人: 秦飛;金興菊;李宏亮;劉衛(wèi)麗
• 申請（專利權(quán)）人: 上海新安納電子科技有限公司
• 主分類號: C01B33/148
• 分類號: C01B33/148;C04B28/24
• 代理公司: 上海光華專利事務(wù)所(普通合伙) 31219
• 代理人: 沈攀攀;許亦琳

本發(fā)明涉及無機(jī)納米材料技術(shù)領(lǐng)域，特別是涉及一種硅溶膠的制備方法及其在陶瓷涂料的應(yīng)用。硅溶膠的制備方法包括：1)將堿性硅溶膠通過陽離子交換制得酸性硅溶膠，酸性硅溶膠的pH為2.0～6.0；向步驟1)的酸性硅溶膠中加入偶聯(lián)劑得到偶聯(lián)劑改性硅溶膠；2)將步驟2)的偶聯(lián)劑改性硅溶膠的pH調(diào)節(jié)至3.5～5.5。本發(fā)明通過偶聯(lián)劑的加入，使得酸性硅溶膠膠體顆粒表面部分羥基與偶聯(lián)劑反應(yīng)，從而增加了顆粒之間的空間位阻，使得亞穩(wěn)態(tài)的硅溶膠溶液變得更加穩(wěn)定。所制得的偶聯(lián)劑改性的酸性硅溶膠，其pH調(diào)節(jié)至3.5～5.5范圍，適于硅烷偶聯(lián)劑的水解反應(yīng)。用上述pH3.5～5.5穩(wěn)定的硅溶膠配制陶瓷涂料，無需額外添加酸催化劑。

技術(shù)領(lǐng)域

本發(fā)明涉及無機(jī)納米材料技術(shù)領(lǐng)域，特別是涉及一種硅溶膠的制備方法及其在陶瓷涂料的應(yīng)用。

背景技術(shù)

陶瓷涂料起源于20世紀(jì)70年代，國外采用溶膠-凝膠(Sol-Gel)技術(shù)開拓性地制備了陶瓷涂料。隨著涂料工業(yè)的迅速發(fā)展，人們對涂料的綠色環(huán)保問題的關(guān)注度日益提高，傳統(tǒng)的有機(jī)高分子體系的有機(jī)涂料，在環(huán)保方面出現(xiàn)諸多令人堪憂的問題，已經(jīng)逐漸不符合當(dāng)代環(huán)境友好、節(jié)能減排的綠色理念。陶瓷涂料以納米無機(jī)化合物為主要成分，利用無機(jī)溶膠與硅烷偶聯(lián)劑進(jìn)行水解反應(yīng)，再與無機(jī)顏填料結(jié)合，制得具有類似陶瓷的無機(jī)涂層。該種涂料相對有機(jī)涂料而言，以無機(jī)物為主要成膜物質(zhì)，不再使用有機(jī)高分子聚合物。涂料的生產(chǎn)和施工環(huán)節(jié)都減少了有機(jī)物的使用和排放。陶瓷涂料制備的無機(jī)涂層在硬度和耐熱性、防火性、耐沾污性、耐腐蝕、耐候性等方面都優(yōu)于有機(jī)涂料體系，是一種高性能的特殊功能性涂料。

陶瓷涂料目前主要應(yīng)用于建筑金屬裝飾涂料領(lǐng)域，如建筑幕墻、型材、壁板、包立柱等建筑內(nèi)外飾材料，其次在有耐高溫需求的炊具和灶具上有所使用。盡管陶瓷涂料已成為高新涂料領(lǐng)域的一個研究熱點，并逐漸被涂料領(lǐng)域的科研人員認(rèn)識，但人們更多的是研究如何提高陶瓷涂料的性能，以及擴(kuò)展陶瓷涂料的應(yīng)用領(lǐng)域。而對于涂料的反應(yīng)過程的優(yōu)化的研究報道較少。

陶瓷涂料的反應(yīng)機(jī)理為溶膠-凝膠化學(xué)反應(yīng)(Sol-Gel)，硅氧烷單體在硅溶膠的水相中發(fā)生水解以及自身的縮聚反應(yīng)，同時縮聚產(chǎn)物和納米SiO2粒子再發(fā)生縮聚反應(yīng)，體系中各組分發(fā)生緩慢聚合生成大量的空間網(wǎng)絡(luò)的結(jié)構(gòu)凝膠，此時與功能性的顏填料漿料混合后，形成陶瓷涂料。上述反應(yīng)機(jī)理中，硅氧烷單體在硅溶膠中水解、熟化的過程至關(guān)重要。一般的硅氧烷單體在中性水溶液中發(fā)生水解和縮合的能力較弱，因此需要添加催化劑來提高其水解和縮合反應(yīng)能力。硅氧烷最常見的水解縮合催化劑為酸和堿。由于堿性催化的過程及其劇烈，所以得到的水解液無法有效存儲，易形成高交聯(lián)的縮聚物而凝膠結(jié)塊。而酸性催化過程產(chǎn)生的為長鏈狀結(jié)構(gòu)的硅醇，所得的預(yù)聚物相對存儲時間較長。因此陶瓷涂料常見的水解縮合催化劑為酸。

根據(jù)研究顯示，硅溶膠的pH對陶瓷涂料的制備及其可使用時間有明顯的影響。當(dāng)環(huán)境溫度為25±5℃，pH在4.0-5.0時，陶瓷涂料反應(yīng)后其可使用時間較長，也即是水解完成后的陶瓷涂料具有較長的施工期，可達(dá)到24h以上。而當(dāng)pH小于4.0或者大于5.0時，陶瓷涂料反應(yīng)后其可使用時間不足一天。調(diào)節(jié)pH的酸作為催化劑，當(dāng)pH小于4.0時，說明催化劑用量過多，導(dǎo)致反應(yīng)速率加快，涂料可使用時間縮短，且涂層交聯(lián)過快，容易開裂；當(dāng)pH大于5.0甚至接近中性時，硅溶膠在這個范圍內(nèi)不能穩(wěn)定存在，從而導(dǎo)致使用時間縮短甚至直接凝膠化；因此，應(yīng)用于陶瓷涂料的硅溶膠，其pH值的最佳控制范圍為4.0～5.0，或有其他研究者認(rèn)為3.5～5.5更利于陶瓷涂料的反應(yīng)。