溶胶一凝胶技术及其在涂料工业中的应用.docx

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溶胶一凝胶技术及其在涂料工业中的应用

溶胶一凝胶技术及其在涂料工业中的应用

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第卷第期年月

热固性树脂..嘲嘴?

溶胶一凝胶技术及其在涂料工业中的应用

郭清泉,陈焕钦

华南理工大学化工所,广东广州摘要:

溶胶一凝胶技术是一种新型材料制备方法,可以用于无机材料,尤其是有机一无机杂化纳米复合材料

的制备。

其在涂料工业中的应用导致新型涂料和功能涂层不断涌现。

对溶胶一凝胶技术的基本原理、用于涂料

制作和涂装的具体工艺及此技术在涂料工业中的应用现状进行了比较全面的介绍,指出应该重视和大力研究发

展该项技术。

关键词:

溶胶一凝胶;有机一无机杂化;涂料

中圈分类号:

.;.文献标识码:

文章编号:

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复合材料一般分为两步【:

第一,硅或金属烷言

胶体是颗粒大小处于纳米级的一种溶液状态。

氧基化合物的水解或酯解,生成溶胶;第二,水解

当颗粒处于液体分散状态时我们称为溶胶,当后的化合物与聚合物共缩聚,形成凝胶。

此时凝胶

中含有硅或金属烷氧基化合物的溶剂以及共缩聚

颗粒成为不流动的半固体状态时,称为凝胶。

所生成的水或醇。

通常这种凝胶结构很不稳定,需

溶胶一凝胶法?

法,简称?

法是指无

进一步除去溶剂及反应中生成的小分子物质才能使

机物或金属醇盐经过溶液、溶胶、凝胶过程而固化,

凝胶稳定,有时还需对之进行高温处理。

再经过热处理而制备氧化物或其它化合物固体的方

硅或金属烷氧基化合物的水解或酯解反应为:

法?

。

溶胶一凝胶法最早是由法国化学家

等人发现,首先应用在玻璃、陶瓷等无机材料的制塑

作中;近十几年来,溶胶一凝胶法已经扩展到高分

其缩聚反应过程为:

子材料制备领域,通过这种方法制备的有机/无机纳

米杂化材料,称为,有纳米材料特征,?

?

二一其分散相尺度为~,在宏观上为透明材料;

而且经适当的方法将无机与有机组分掺杂在一起,

。

一

七。

一一卜

各组分之间形成主价键或次价键,赋予材料电学性、光学性、耐摩擦性、力学性能、功能梯度性以及其

它材料所无法比拟的新性能或功能,这已成为材料

溶胶一凝胶法具体用于涂料制作是以烷氧基有

科学研究中发展较快的新领域,并引起人们的极大

机硅烷,或者是元素周期表中Ⅲ、Ⅳ、族中的某

关注,其在涂料领域的应用更推动了现代涂料工业

些元素如、、、、、等合成烷基

的发展,导致新型涂料和涂层不断涌现。

化合物和一些无机盐类如、、、、、

这种方法的独到之处在于能制备纯的单组分体、、、等的氯化物、硝酸盐、乙酸盐

系一般指陶瓷或玻璃等无机材料和有机无机分子

等作为成膜物。

它们溶于某种溶剂,如乙醇或丙

杂化体系或组成可控体系,加工温度较低室温或

醇中,然后在催化剂如盐酸存在下,可以水解聚

稍高温度和常压,并且可以根据需要,在反应的

合成透明胶体分散液,而后在胶体分散液中添加需

不同阶段,得到薄膜、纤维或块状杂化材料。

要的颜填料和助剂等。

制成的溶胶一凝胶涂料涂覆

溶胶一凝胶技术的基本原理

以后,涂膜通过水解、缩聚和热解,固化成氧化物

溶胶一凝胶法制备纯无机材料和高分子/无机

膜或带有金属的氧化物膜因为在涂料中可以引入

收稿日期:

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作者简介:

郭清泉一,男,在读博士研究生,主要从事化学工程及精细化工方面研究。

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热固性树脂第卷

铝、钴、银、锌、铬、镍等粉末。

同时根据操作

向上组成梯度。

这些梯度折射率膜在高能激光上得

工艺的不同,又具体分为预先掺杂法和凝胶浸渍到很有价值的应用,如当激光波长为.时,

法,在此不再详述。

其反射率为.%~.%,同时这些膜激光损?

法制备无机/机杂化材料一般采用坏阈值比一般减反射膜大倍。

目前此法的主

醇盐和有机改性剂一或聚合物单体一

要应用是制备减反射膜、波导膜、着色膜、电光效

起进行水解或聚合反应,同时还可加入功能性组应膜、分离膜、保护膜、导电膜、敏感膜、热致变

分,得到的最终的材料将是无机物和聚合物的互穿色膜、电致变色膜等。

采用溶胶一凝胶技术制备防

网络结构,由于无机物与聚合物之间存在较牢固的

反射涂层见文献。

键结合力,这一点与一般互穿网络结构材料有所不在无机涂料方面应用的主要是硅氧基化合物,

同,能使杂化物达到分子级分散水平,改善了网络早期的典型商品是,为一系列无机硅酸盐胶

结构;尤其是将有机一无机材料性能融为一体或赋

体,其应用范围很广,因其含结构,耐热性

予其新的性能,具有其它的材料制备方法所不可比优良,用于熔膜精密制造的耐高温涂料。

同时

拟的优异性,如传统的有机无机复合方法只是达到人到乳胶中,粒子在聚合物表面定向排列,

物理状态的共混,得到的复合性质极不稳定,而采待涂料成膜后就成为基料的一部分,其显著

用?

方法得到的有机无机杂化分子将有机高分提高了漆膜的附着力、防脆性和早期的耐擦洗性,

同时因其是水性结构,对环境不造成污染。

另

子和无机分子有机连接起来,所以综合性质良好。

溶胶一凝胶法在涂料工业中应用现状外一种硅系溶胶的原料是正硅酸乙酯,比较有名的

采用溶胶一凝胶法,由于组分化学纯度高,并商品有日本公司的,用其制成的涂料涂布后,正硅酸乙酯的乙氧

可按使用要求添加其他组分,可以制成具有各种功

能的无机涂料,如耐热涂料可长期耐热~基与空气中的潮气反应,水解成硅醇,硅醇相互缩

℃、耐磨涂料、太阳能选择性吸收涂料、耐高温和成为凝胶,这样形成的膜较脆,适用于富锌底漆

的制作中。

远红外线反射涂料、导电涂料、绝缘涂料、耐热固

体润滑涂料及户外长期耐候涂料等。

用溶胶一凝胶目前除了形成单纯的无机硅氧网络外,还可以

法进行薄膜涂装,可得到具有光电、电光、半导在涂料中形成杂有有机链段的有机无机杂化硅氧网

体、磁光、光磁、超导性质的薄膜,也可以得到具络结构。

等人采用多量的三聚体做有

有选择性吸收、热反射、电致色、光致色的涂层,机部分,少量的正硅酸乙酯齐聚物做无机部分,将

此混合物涂覆于铝面材料上,在空气中水分的作用

并可以在金属、陶瓷、玻璃及其他材料塑料、聚

合物上进行涂装,从而大大扩大了涂料的功能和下,聚合成聚脲和聚硅氧烷,由偶联剂将无机相和

应用范围。

采用溶胶一凝胶法可以得到在无机硅氧有机相连接,并在铝金属表面由硅溶胶表面的烷氧

网络中杂有有机高分子链段的新型漆膜结构和涂层基和金属铝表面的羟基生成?

?

共价键而提

高了涂层与金属表面的附着力。

等

性质,这不但可以提高涂层与底材间的附着力,还

可以赋予涂层有机和无机的优良综合性质。

人也采用正硅酸酯为原料,配以缩丁甘油醚丙基三

制备涂层和薄膜材料是溶胶一凝胶法最有前途甲氧基硅烷和二亚乙基三胺,形成自组装纳米级颗

的应用方向。

其具体制备过程为:

将溶液或溶胶通粒涂层,其具有优异的屏蔽功能,这种水性纳米颗

过浸渍法或转盘法在基板上形成液膜,经凝胶化后粒具有无机的芯和有机的外壳,对金属铝面的附着

力好,同时对环境友好。

此外美国.

通过热处理可转变成无定形态或多晶态膜或涂

层。

膜层与基体的适当结合可获得基体材料原的撰文论述了飞机涂

来没有的电学、光学、化学和力学等方面的特殊性料所用的?

化学,有机无机杂化涂层与金

能。

如目前采用溶胶一凝胶法通过对膜厚控制已制属底材附着紧密,另外含有活性基团如氨基,与上

面覆盖的有机面漆如环氧漆交联紧密。

备出由,一和一一

一等组成的减反射膜,其反射率仅为%,使公司的等研究用硅一丙烯

太阳能电池效率提高%【。

由,一酸的溶胶一凝胶技术来改善汽车的罩光清漆。

他们,一一形成膜经过化学处理后,用正硅酸乙酯的缩合物和含丙烯酸基的三硅氧基硅

不仅能控制膜的孔结构,而且还能在控制膜厚度方烷反应制得有机无机杂化物,加入到常规汽车罩光维普资讯////.

第期郭清泉等:

溶胶一凝胶技术及在涂料工业中的应用清漆中,提高了汽车涂层的耐擦洗性和耐酸雨腐蚀

间继电器给出信号,控制器使执行机构打开阀门,

性酬。

另外,等人采用新的烷氧

系统压力下降,涂料通过管道以恒定流速,从浸涂

硅烷前体,经溶胶一凝胶技术制得的涂层改善了对

室中流人涂料贮罐。

涂料流出速度用传感器控

紫外光的耐性。

制,适宜的流出量使液柱每秒减少。

当涂料

溶胶一凝胶涂料的涂装工艺【

流速失调时,控制器会发出指令给阀门的执行

用溶胶一凝胶涂料对金属或合金材料进行涂

机构以控制流量。

结语

装,工艺为:

金属或合金材料工件表面除锈与净化

一涂装一自然干燥或烘烤。

溶胶一凝胶技术可以拓展涂料的功能和应用范

金属或合金材料工件的表面可以采用机械或手围,其虽然离真正实现大规模生产和应用还有一段

工除锈和净化方法,然后用干布擦净。

用浸涂、喷距离,但我国硅酸盐和正硅酸乙酯资源丰富,而溶

涂或刷涂进行涂装。

涂料的粘度对涂层厚度影响很胶一凝胶法制成的漆膜又具有很多其他普通材料所

大,涂料粘度大则涂膜厚,反之则薄。

若涂料粘度没有的性质,同时国内外关于纳米涂料的研制与争

过大,易使涂膜厚薄不均匀,并在干燥过程中产生鸣方兴未艾,这种方法采用的即是纳米级的溶胶基

应力,影响膜层的附着力。

浸渍时间和浸渍压力与料,与目前市场上纳米涂料普遍采用的纳米级炭

涂膜厚度也有关系,浸渍时间长,则涂膜厚。

浸渍黑、二氧化钛等填料有所不同,所以现在应该重视

压力大,涂膜也厚。

为了使形状复杂的工件表面涂溶胶一凝胶技术的研究和大力发展该项技术的应

层均匀,可以采用加压浸涂。

加压浸涂的设备示意用。

图见图。

参考文献:

徐建海,张德.溶胶一凝胶法的技术进展与应用现状】.

地质科技情报,,:

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.,,.?

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材料】.功能材料,,:

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.符连社,张洪杰,等.溶胶一凝胶法制备无机/机杂化材料

研究进展.材料科学与工程,,:

?

.王德宪.谈谈溶胶凝胶浸镀法的基本原理】.玻璃,,:

?

.

.浸涂室;.涂料贮罐;.涂料输送臂;.恒压系统;,,..调速系统;.压缩空气源;.压缩空气贮罐;吐盯.,,:

.

.波面传感器;.阀门及阀门控制系统;.时间继电器;,,...控制器;.传感器;.带有执行机构的阀门;.工件.,,:

.

图加压浸涂设备示意图∞,,.

加压浸涂工艺流程为:

将经过除锈、净化的工】.

件放人浸涂室中,并将它垂直固定,使涂料流人与,,:

?

.

排出时不会使其移动。

从压缩空气源送人压缩空.?

?

气,使压缩空气贮罐中空气压力为.。

然后:

】..

通过控制系统打开阀门,将压缩空气通到涂料贮罐,:

?

.虞兆年.溶胶一凝胶与涂料.上海涂料,,:

中,使涂料贮罐压力保持恒定压力.,从而一.

使涂料通过输送管,以恒定速度流人浸涂室中,达..?

到预定压力。

传感器将信号传给控制阀门,这时,,:

.

关闭压缩空气输入系统,在这一瞬间接通时间继电,./】.

器,在预定浸涂时间后一般为.?

时,,:

.