纳米碳酸钙在外墙涂料中的应用研究

刘翔华

【摘要】本文主要围绕着纳米碳酸钙的应用展开探讨，分析了纳米碳酸钙在外墙涂料中的应用现状，探讨了纳米碳酸钙应用的未来发展趋势，以及应用的要点。以期可以为纳米碳酸钙的应用提供参考。

【关键词】纳米碳酸钙；外墙涂料；应用

中图分类号：O434文献标识码： A

一、前言

纳米碳酸钙在各行业都有一定的应用，其中，外墙涂料作业中，纳米碳酸钙也有着广泛的应用，为了提高纳米碳酸钙在外墙施工中的应用效果，必须要分析其应用的方法和要点。

二、纳米碳酸钙概述

纳米碳酸钙是一种附加值很高的专用功能型无机材料,具有低成本、高性能、无毒无味等特点, 作为一种优质填料和白色颜料, 广泛应用于橡胶、塑料、涂料、油墨、造纸、医药等众多领域。采用机械化学合成的纳米碳酸钙商业产品与普通碳酸钙产品相比, 纳米碳酸钙具有粒子细、比表面积大( 可达10~ 70m2 /g)、高表面活化率、高补强性、高白度、触变性好等特点, 是目前能够工业化生产与应用的纳米材料之一, 可取代价格昂贵的白炭黑和钛白粉, 具有广阔的市场前景。

三、纳米材料的特性及应用

纳米材料是指晶体粒径为纳米级的多晶体材料,具有小尺寸与高浓度晶界两个重要特征, 通常大晶体的连续能带分裂成接近分子轨道的能级, 产生了小尺寸的量子隧道效应, 同时由于其高浓度晶界及界面原子受力不均衡性增加产生了界面效应, 这两种效应导致材料在力学性能、磁性能、光学性能、电性能及热力学特征发生突变。

1、纳米材料的光学特性及应用

由于纳米粒子粒径小、表面分散率高, 对不同波长的光线会产生不同的吸收、反射、散射等作用。纳米粒子粒径远远小于可见光的波长( 400 ~ 750nm) , 具有透过作用, 从而保证纳米复合涂层具有较高的透明性。不同粒径的纳米材料对光的散射和反射效应不同, 可产生随入射光角度不同的变色效应。粒度小于300 nm 的纳米材料具有可见光反射和散射能力, 它们在可见光区是透明的, 但对紫外光具有很强的吸收和散射能力。

2、纳米材料的表面活性及应用

纳米材料极大的表面积和近似于大分子水平的粒径决定其具有很高的表面活性。纳米材料高活性的巨大表面积与成膜物和溶剂形成强大的相互作用力。纳米SiO2 以及硅酸盐为主的纳米改性膨润土可极大地改进涂料的流变性, 提高其开罐性能——防沉降和良好的触变性和施工性能——防流挂。随着粒度进入纳米尺度, 材料表面活性中心的增多提高其化学催化和光催化的反应能力, 在紫外线和氧的作用下给予涂层的自清洁能力。表面活性中心与成膜物质的官能团可发生次化学键结合, 极大增加涂层的刚性和强度, 从而改进涂层的耐划伤性。

3、纳米材料的小体积效应及应用

纳米级的颜料和填料可以极大地减少涂料中颜料与成膜物之间的自由体积, 协同得到增强的成膜物质与纳米填料的结合力从而大大提高填充比, 改进涂层的机械强度, 减少毛细管而提高涂层的屏蔽作用。将纳米材料用在底漆中, 可以加固底漆与基层的粘结作用, 底漆微细颗粒渗透到基层中使之连成一个整体, 其机械强度的提高是不言而喻的。纳米级的颜填料与底漆的强作用力及填充效果有助于改进底漆- 涂层的界面结合。

四、实验

1、主要实验原料

纳米CaCO3 粉体: 平均粒径60 nm 左右, 比表面积28。 6 m2 / g , 安徽巢东纳米材料科技有限公司; 乳液: S- 05 纯丙乳液, 江苏南通生达化工有限公司; 钛白: 金红石型R- 902, 美国杜邦公司; 偶联剂、消泡剂、润湿剂和分散剂等: 分别由德国毕克化学公司、江苏常州吉耐助剂有限公司和常州市亚邦亚宇助剂有限公司等提供。

2、 主要实验设备

SFJ- 400 型砂磨、分散、搅拌多用机: 上海现代环境工程技术有限公司; 双槽刮板细度计( 0~25 Lm) : 上海现代环境工程技术有限公司; QXD 型刮板细度计( 0~ 50 Lm) : 天津市建筑仪器试验机公司; FA2004 型电子分析天平: 沈阳龙腾电子仪器有限公司; NDJ- 5S 型旋转粘度计: 上海天平仪器厂。

3、实验方法

(一) 纳米CaCO3 料浆制备

首先将水浴升温至指定温度, 然后把纳米Ca-CO3 粉体按比例加入装有水的锥形瓶中。 将锥形瓶置于水浴中并搅拌悬浮液, 使其达到规定温度。 加入一定量的分散剂, 用高速分散机在规定转速下高速( 6 000~ 8 000 r/ min) 分散一定时间后, 即可制得纳米CaCO3 料浆。

(二) 纳米CaCO3 复合外墙涂料的制备外墙涂料配方见表1。

表1外墙涂料配方

按照涂料配方, 将水加入到制漆釜中, 在搅拌状态( 400~ 1 000 r/ min) 下依次加入分散剂、乙二醇并搅拌均匀; 继续搅拌, 再依次加入纳米CaCO3 料浆和颜填料, 高速( 大于1 400 r/ min) 分散0。 5~ 1。 0 h, 然后在低转速下加入消泡剂、成膜助剂, 搅匀后再加入乳液和增稠剂等, 并在低转速下搅匀, 即可得到纳米CaCO3 复合外墙涂料。

五、实验结果与讨论

1、影响纳米CaCO3 分散效果的因素

纳米材料具有巨大的比表面积和表面能, 在干燥、贮存过程中极易聚集成团, 而团聚的颗粒往往不能发挥出纳米材料独特的性质。 因此, 分散解聚对于纳米材料的应用是非常重要的。 通常, 纳米材料的团聚分为物理吸附和化学聚集。 用适当的方法能使物理吸附的颗粒团解聚, 而化学聚集的颗粒一般难以用物理的方法解聚 。

由于纳米CaCO3 具有很大的表面能, 将其直接加入涂料中很难分散均匀, 故选择先将其分散成纳米浆, 再以浆体的形式加入到涂料中。

为优化出分散工艺条件, 分别考察了不同分散剂及其用量、不同分散时间、不同料浆浓度( 纳米CaCO3 粉体质量占料浆质量的百分数) 、不同温度对纳米CaCO3 分散体系的影响。

（一）料浆浓度的选择

按15%, 20% 和25%这3 种料浆浓度进行试验。 结果发现, 当纳米CaCO3 料浆浓度达25%时,分散筒底部有沉淀, 搅拌机不能正常工作, 负荷过大; 在料浆浓度为20% 时, 搅拌机仍超负荷; 在料浆浓度为15%时, 分散筒底部无沉淀, 搅拌机工作正常。 因此选定纳米CaCO3 料浆浓度为15% 。

（二） 分散剂的选择

根据笔者多年从事乳胶漆科研和生产的经验, 本试验选择了国内外具有代表性的分散剂, 如分散剂DA , 270, 5040, DP- 518, 3204 等, 用于制备纳米CaCO3 料浆, 但效果均不理想, 所得料浆的悬浮性差。 分析其原因, 可能与这些分散剂在粉料颗粒表面仅为物理吸附有关。 要克服纳米材料巨大的表面能, 可能要引入具有化学活性的官能团, 而钛酸酯偶联剂正好具有这样的特性, 它的活性基团具有可设计性, 能针对特定的需要设计出特定的产品, 故本试验选择了钛酸酯偶联剂202 和401 两个品种作为分散剂。 但在试验中发现: 202 不适合于水性体系; 单独用钛酸酯偶联剂401 也难以得到令人满意的料浆。

（三）钛酸酯偶联剂用量的选择

分别按纳米CaCO3 粉体质量的2。 0%, 2。 5% , 3。 0% , 3。 5% 添加钛酸酯偶联剂, 制备料浆, 并观察料浆的沉降情况和有无结底现象。 结果发现, 当钛酸酯偶联剂用量为纳米CaCO3 粉体质量的2。 0% 和2。 5%时, 所制备的料浆沉降快, 无结底现象; 为3。 5% 时, 所制备的料浆有结底现象; 为3。 0% 时, 所制备的料浆沉降较慢, 且无结底现象。 故选定钛酸酯偶联剂的用量为纳米CaCO3 粉体质量的3。 0% 。

2、纳米CaCO3 浆体加入量对涂料性能的影响

根据外墙乳胶漆标准( GB/ T 9755 ) 2001) 要求, 对添加纳米CaCO3 浆体的涂料性能进行了全面检测, 其中的在容器中状态、施工性、涂膜外观、干燥时间、涂料耐冻融性等指标都符合或优于国家标准要求。 考虑到涂料的贮存稳定性和实际应用的需要, 重点考察了纳米CaCO3 浆体加入量( 以质量分数表示) 对涂料的耐沾污性、耐洗刷性、触变性、耐水性、耐碱性和耐老化性的影响。

3、涂层的扫描电镜表征

未添加纳米CaCO3 浆体时颜填料粒子在涂层中分散不均匀, 团聚严重, 且粒子边界较为清晰, 说明颜填料粒子与树脂的相容性较差。 添加纳米CaCO3 浆体后, 颜填料粒子在涂层中分散均匀, 且颗粒与树脂的界面比较模糊, 说明由于其他颜填料粒子吸附了纳米CaCO3 微粒, 使颜填料粒子与树脂具有较好的相容性。

六、结束语

综上所述，纳米碳酸钙应用与外墙涂料中，一定要讲究应用的方法，针对外墙应用的需要选用纳米碳酸钙，进而提高纳米碳酸钙的使用效果，确保纳米碳酸钙的使用符合要求。

【参考文献】

[1]任晓玲,骆振福,吴成宝,杨玉芬,盖国胜.重质碳酸钙的表面改性研究[J].中国矿业大学学报.2011(02)

[2]周国永,覃慧芳.聚乙二醇活化处理重质碳酸钙粉体的研究[J].化工技术与开发.2011(12)