CN100422079C

CN100422079C - 水性纳米氧化硅浓缩浆及其制备方法

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Publication number: CN100422079C
Application number: CNB2005100476076A
Authority: CN
Inventors: 宋影伟; 刘福春; 韩恩厚; 柯伟
Original assignee: Zhongke Nanotech Coating Technology (suzhou) Co Ltd
Current assignee: Shandong Zhongke Nano Technology Co.,Ltd.
Priority date: 2005-11-02
Filing date: 2005-11-02
Publication date: 2008-10-01
Anticipated expiration: 2025-11-02
Also published as: CN1923682A

Abstract

本发明涉及一种水性纳米氧化硅浓缩浆及其制备方法，按重量比计，该浓缩浆由一次粒子的平均粒径在100nm以下的纳米氧化硅10～60%、分散剂0.05～3%、消泡剂0.05～2%、余量的水组成；其制备方法是将水性分散剂和消泡剂加入到水中，在高速分散机不停转动过程中逐渐加入纳米氧化硅粉，然后再用高速分散机500～3000rpm分散5～30分钟，所得的纳米氧化硅浆料研磨30分钟～10小时，最后制成水性纳米氧化硅浓缩浆成品。本发明的纳米氧化硅浓缩浆固含量高、粘度低，分散性好，稳定性好，对环境污染小，工艺简单，成本低廉，适用性广，可广泛用于陶瓷、涂料、纺织、化妆品和粘结剂等领域。

Description

水性纳米氧化硅浓缩浆及其制备方法

技术领域

本发明涉及纳米技术，具体为一种水性体系纳米氧化硅浓缩浆及其制备方法。

背景技术

纳米氧化硅作为国内最早实现规模化生产的纳米材料，具有诸多常规材料所不具备的奇异特性，因而受到了科技界与企业界的广泛关注。

纳米氧化硅具有很高的硬度、良好的化学惰性、热力稳定性，其熔、沸点也很高。主要用于：(1)陶瓷领域：可以提高陶瓷制品的韧性、光洁度；(2)人造莫来石：具有高的导热特性和良好的力学性能，是电子工业封装材料的最佳原材料之一；(3)橡胶改性：通过控制氧化硅的颗粒尺寸，以制备抗紫外辐射的橡胶、红外反射橡胶、高绝缘性橡胶等；(4)粘结剂：纳米氧化硅小颗粒形成网络结构，抑制胶体流动，固化速率快，提高粘结效果，同时增加了胶的密封特性；(5)涂料：利用纳米氧化硅透明性和对紫外光的吸收特性；(6)功能纤维添加剂：制造红外屏蔽人造纤维、抗紫外线辐照人造纤维、高介电绝缘性能优越的纤维等；(7)塑料改性：用作塑料的补强剂，使塑料变得很致密，提高了薄膜的透明度、强度和韧性，大大提高防水性能；(8)抗油漆老化添加剂：提高各类油漆的抗老化性能和光洁度；(9)高级研磨介质：制成抛光液用于硅片等电子材料表面研磨或抛光；(10)其它：用作人造牙齿，纸张表面涂层(瓷土)等。

纳米氧化硅的粒径小，比表面积大，容易吸附而发生团聚。如果将这种易团聚的粉体直接应用，会由于其没有良好的分散而失去应有的纳米效应。因此在实际应用中通常是先把纳米粉制备成浓缩浆后再使用。纳米浓缩浆应含有较高的纳米粉含量；呈现良好的流变性，即可流动性，可用泵输送以方便配料计量；生产必须简单，经济且有重现性。此外，纳米浓缩浆必须贮存稳定，那就是无沉降，渗液和絮凝。它们还应呈现出无粘度增加或干燥倾向。纳米浓缩浆必须能方便地加到不同基料系统中而不起粒，即使采用相当低的剪切力也如此。所有这些要求可通过使用适宜的分散剂来达到。

现今国内外的专利主要提及的是如何制备纳米氧化硅粉，至于如何制备纳米氧化硅浓缩浆的专利比较少。中国专利03109915.7报导了一种纳米二氧化硅乳液及其制造方法和用途，该方法对二氧化硅进行了改性，制备工艺比较复杂。另一中国专利03114876.x提及的是室温长期稳定的水分散纳米二氧化硅及其杂化材料的制备，其二氧化硅的质量浓度仅为20％。另外，日本专利JP61141613和JP1224215介绍了超细粉二氧化硅浆的研制，所添加的助剂组分繁多，制造方法很繁琐。因此，固含量高、稳定性好、工艺简单、成本低廉的纳米氧化硅浓缩浆是我们今后研究的重点。

发明内容

本发明的目的在于制备出一种分散性好、贮存稳定、固体含量高，粘度低、相容性强、耐化学稳定性和耐热性好、对环境无污染的水性纳米氧化硅浓缩浆及其制备方法，其中纳米氧化硅的重量比可达60％，该纳米氧化硅浓缩浆能适用于涂料、陶瓷、橡胶、粘结剂等多种领域。

本发明的技术方案是按重量比计，该浓缩浆由一次粒子的平均粒径在100nm以下的纳米氧化硅10～60％、分散剂0.05～3％、消泡剂0.05～2％、余量的水组成。

上述纳米氧化硅浓缩浆中，较好的重量比为纳米氧化硅20～50％，分散剂0.1～1.5％、消泡剂0.1～1％、余量为水。

所述的分散剂是指聚氨酯系、聚丙烯酸酯系、聚丙烯酸盐系、聚羧酸系、聚羧酸盐系、聚醚系、聚酯系、聚酰胺系、多聚磷酸盐系、脂肪酸系分散剂的一种或二种以上的分散剂复配。如荷兰埃夫卡助剂公司(EFKA)的EFKA-4520、EFKA-4500、EFKA-4510、EFKA-4530、EFKA-4540、EFKA-4550、EFKA-4560、EFKA-4570、EFKA-4580、EFKA-5071、EFKA-6220、EFKA-6225、EFKA-6230等；德国迪高(Tego)公司的Dispers650、Dispers651、Dispers652、Dispers660C、Dispers661C、Dispers662C、Dispers715W、Dispers735W、Dispers740W、Dispers745W、Dispers750W、Dispers752W、Dispers760W、Colorol E、Lipotin A等；汉高(Henkel)公司的

875、

1080、

3204、

3275等；德国毕克(BYK)化学公司的

-116、

-180、

-182、

-184、-185、

-190、

-191、

192等。

较好的分散剂是德国迪高(Tego)公司的Dispers651、Dispers652、Dispers715W、Dispers735W、Dispers740W、Dispers745W、Dispers750W、Dispers752W、Dispers760W；荷兰埃夫卡助剂公司(EFKA)的EFKA-4520、EFKA-4530、EFKA-4540、EFKA-4550、EFKA-4560、EFKA-4570、EFKA-5071、EFKA-6220、EFKA-6225、EFKA-6230等；汉高(Henkel)公司的

1080、

3204、

3275等。

所述的消泡剂是指聚硅氧烷系、聚醚系、聚丙烯酸酯系、聚丙烯酸盐系一种或二种以上的消泡剂复配。如荷兰埃夫卡助剂公司(EFKA)的EFKA-2526、EFKA-2527、EFKA-2550；德国迪高(Tego)公司的Foamex 800、Foamex 805、Foamex810、Foamex 822、Foamex 825、Foamex 830、Foamex 8020、Foamex 8030、Foamex8050、Foamex K3、Foamex K5、Foamex KS6；德国毕克(BYK)化学公司的BYK-019、BYK-021、BYK-022、BYK-023、BYK-024、BYK-025、BYK-028、BYK-034、BYK-080。

较好的消泡剂是德国迪高(Tego)公司的Foamex 810、Foamex 830、Foamex K3、Foamex K5、Foamex 8030；德国毕克(BYK)化学公司的BYK-019、BYK-024、BYK-034、BYK-080；荷兰埃夫卡助剂公司(EFKA)的EFKA-2526、EFKA-2527、EFKA-2550。

本发明所述的水性纳米氧化硅浓缩浆的配方包括：

(1)纳米氧化硅

(2)分散剂

(3)消泡剂

(4)水

该水性纳米氧化硅浓缩浆是按如下方法制备的：按所述组分含量，将分散剂和消泡剂加入到一定量水中，用高速分散机200～2000rpm分散2～5分钟使分散剂和消泡剂均匀分散在水中，在高速分散机不停转动过程中逐渐加入纳米氧化硅粉，然后再用高速分散机500～3000rpm分散5～30分钟，所得的纳米氧化硅浆料在球磨机、砂磨机中研磨30分钟～10小时，最后制成水性纳米氧化硅浓缩浆成品。

本发明的优点如下：

1.分散性好。利用本发明的技术制备出的纳米氧化硅浓缩浆分散性好，平均粒度在100nm以下，解决了纳米粉十分容易团聚的问题，能够使纳米氧化硅优异的纳米特性充分体现出来。

2.固含量高。本发明可以制备出固含量为60％的纳米氧化硅浓缩浆，是一种高浓度高分散体系，提高了纳米氧化硅的使用效率。

3.稳定性好。本发明的纳米氧化硅浓缩浆粘度低，粘度在100mPa·s以下，易于使用，并且具有高度稳定性，通常可保持六个月不沉淀、不分层，最好的可在一年半以上，可以满足贮存稳定性的要求。

4.对环境污染小。本发明使用的分散剂不含苯类和甲醛等有毒的有机物，无论是对人体还是环境绝对无害。

5.工艺简单。本发明主要由分散剂、纳米氧化硅、消泡剂和水四种物料组成，成分简单，制备容易。

6.成本低廉。本发明中使用的分散剂用量少，大大节省了成本。

7.适用性广。适用于涂料、陶瓷、橡胶、粘结剂等多种领域。

具体实施方式

本发明中除特别指明外，涉及的比例均为重量比。实施例和比较例中纳米氧化硅浓缩浆的性能测试方法如下：

纳米氧化硅浓缩浆的粘度使用BROOKFIELD DV-III ULTRA流变仪测试。

实施例1

制备200g水性纳米氧化硅浓缩浆。在500ml烧杯中称取水99.4g，加入0.4g分散剂Dispers752W和0.2g消泡剂Foamex 810，高速分散机600rpm分散2分钟后，再加入20nm的纳米氧化硅100g，用高速分散机1300rpm分散10分钟后，用球磨机研磨5小时，制成纳米氧化硅重量比为50％的纳米氧化硅浓缩浆。其中分散剂占浆料总量为0.2％，消泡剂占浆料总量为0.1％。

实施例2

调整分散剂Dispers752W和消泡剂Foamex 810加入量。其中水为97.4g，纳米氧化硅粉100g，分散剂Dispers752W为1.6g，消泡剂Foamex 810为1.0g，纳米氧化硅浓缩浆的制法同实施例1。制成纳米氧化硅重量比为50％的纳米氧化硅浓缩浆。其中分散剂占浆料总量为0.8％，消泡剂占浆料总量为0.5％。

实施例3

调整分散剂Dispers752W和消泡剂Foamex 810加入量。其中水为94.8g，纳米氧化硅粉100g，分散剂Dispers752W为3.2g，消泡剂Foamex 810为2.0g，纳米氧化硅浓缩浆的制法同实施例1。制成纳米氧化硅重量比为50％的纳米氧化硅浓缩浆。其中分散剂占浆料总量为1.6％，消泡剂占浆料总量为1.0％。

实施例4

制备200g纳米氧化硅重量比为40％浓缩浆。其中水为118.6g，纳米氧化硅粉80g，分散剂Dispers752W为0.8g，消泡剂Foamex 810为0.6g，纳米氧化硅浓缩浆的制法同实施例1。其中分散剂占浆料总量为0.4％，消泡剂占浆料总量为0.3％。

实施例5

制备200g纳米氧化硅重量比为30％浓缩浆。其中水为139g，纳米氧化硅粉60g，分散剂Dispers752W为0.6g，消泡剂Foamex 810为0.4g，纳米氧化硅浓缩浆的制法同实施例1。其中分散剂占浆料总量为0.3％，消泡剂占浆料总量为0.2％。

实施例6

制备200g纳米氧化硅重量比为20％浓缩浆。其中水为159.4g，纳米氧化硅粉40g，分散剂Dispers752W为0.4g，消泡剂Foamex 810为0.2g，纳米氧化硅浓缩浆的制法同实施例1。其中分散剂占浆料总量为0.2％，消泡剂占浆料总量为0.1％。

实施例7

制备200g纳米氧化硅重量比为40％浓缩浆。其中水为117.7g，纳米氧化硅粉80g，分散剂EFKA-6220为2g，消泡剂EFKA-2550为0.3g，纳米氧化硅浓缩浆的制法同实施例1。其中分散剂占浆料总量为1.0％，消泡剂占浆料总量为0.15％。

实施例8

制备200g纳米氧化硅重量比为40％浓缩浆。其中水为114g，纳米氧化硅粉80g，分散剂EFKA-6220为5g，消泡剂EFKA-2550为1g，纳米氧化硅浓缩浆的制法同实施例1。其中分散剂占浆料总量为2.5％，消泡剂占浆料总量为0.5％。

实施例9

制备200g纳米氧化硅重量比为40％浓缩浆。其中水为116.8g，纳米氧化硅粉80g，分散剂BYK-191为3g，消泡剂BYK-019为0.2g，纳米氧化硅浓缩浆的制法同实施例1。其中分散剂占浆料总量为1.5％，消泡剂占浆料总量为0.1％。

实施例10

制备200g纳米氧化硅重量比为40％浓缩浆。其中水为113.6g，纳米氧化硅粉80g，分散剂BYK-191为6g，消泡剂BYK-019为0.4g，纳米氧化硅浓缩浆的制法同实施例1。其中分散剂占浆料总量为3％，消泡剂占浆料总量为0.2％。

比较例1

调整分散剂Dispers752W和消泡剂Foamex 810的加入量，使加入的分散剂量为浆料总重量的0.04％，消泡剂量为浆料总重量的0.02％。其中水为99.88g，纳米氧化硅粉100g，分散剂Dispers752W为0.08g，消泡剂Foamex 810为0.04g。纳米氧化硅浓缩浆的制法同实施例1，制成重量比为50％的纳米氧化硅浓缩浆，此浓缩浆粘度较大，一周后已经胶凝成固态。

比较例2

调整分散剂Dispers752W和消泡剂Foamex 810的加入量，使加入的分散剂量为浆料总重量的5％，消泡剂量为浆料总重量的2.0％。其中水为86g，纳米氧化硅粉100g，分散剂Dispers752W为10g，消泡剂Foamex 810为4g。纳米氧化硅浓缩浆的制法同实施例1，制成重量比为50％的纳米氧化硅浓缩浆，此浓缩浆刚研磨好后就胶凝没有流动性了。

比较例3

制备200g纳米氧化硅重量比为50％浓缩浆，使加入的分散剂量为浆料总重量的1.0％，不加消泡剂。其中水为98g，纳米氧化硅粉100g，分散剂Dispers752W为2g，纳米氧化硅浓缩浆的制法同实施例1。此纳米氧化硅浓缩浆研磨好后充满泡沫，流动性及差，放置几天后浆料几乎成固态。

比较例4

调整分散剂EFKA-6220及消泡剂EFKA-2550的加入量，使加入的分散剂量为浆料总重量的8％，消泡剂量为浆料总重量的1％。其中水为102g，纳米粉80g，分散剂EFKA-6220为16g，消泡剂EFKA-2550为2g。纳米氧化硅浓缩浆的制法同实施例1。制成重量比为40％的纳米氧化硅浓缩浆，此浓缩浆一天后就胶凝没有流动性了。

比较例5

调整分散剂BYK-191及消泡剂BYK-019的加入量，使加入的分散剂量为浆料总重量的6％，消泡剂量为浆料总重量的1％。其中水为106g，纳米粉80g，分散剂BYK-191为12g，消泡剂BYK-019为2g。纳米氧化硅浓缩浆的制法同实施例1。制成重量比为40％的纳米氧化硅浓缩浆，此浓缩浆两天后就胶凝没有流动性了。

比较例6

制备200g纳米氧化硅重量比为40％浓缩浆。取蒸馏水为117.7g，加入分散剂

3275为2g，消泡剂Foamex K3为0.3g，纳米氧化硅仅加入50g左右呈糨糊状无法再继续加入更多的纳米粉了。

实施例和比较例说明：表1是纳米氧化硅浓缩浆的比较例和实施例的性能对比数据。由比较例1～3和实施例1～3的对照可知，随着分散剂加入量的逐渐增多，浓缩浆的粘度先减小，然后呈逐渐增加的趋势，分散剂添加量在0.05～3％范围内，特别是在0.1～1.5％范围内，消泡剂添加量在0.05～2.0％范围内，特别在0.1～1.0％范围内，浓缩浆的粘度低，存在状态好。通过实施例1～6可见，随着纳米氧化硅含量的增加，浓缩浆的粘度也逐渐增加，如果浓缩浆的固含量太低，相应的粘度也很低，这种浆料存放久了会容易出现沉淀的现象；如果固含量再继续提高，该浓缩浆的粘度会太大，没有流动性而失去使用价值。因此，该浓缩浆最佳的固含量为20～50％。其它的比较例和实施例也说明，分散剂添加量在0.1～2％，消泡剂添加量在0.1～1.0％范围内浓缩浆粘度低，稳定好，流动性好。

表1

Claims

1. 一种水性纳米氧化硅浓缩浆，其特征在于：按重量比计，该浓缩浆由一次粒子的平均粒径在100nm以下的纳米氧化硅10～60％、分散剂0.05～3％、消泡剂0.05～2％、余量的水组成。

2. 按照权利要求1所述水性纳米氧化硅浓缩浆，其特征在于：按重量比计，纳米氧化硅20～50％，分散剂0.1～1.5％，消泡剂0.1～1％、余量为水。

3. 按照权利要求1所述的水性纳米氧化硅浓缩浆，其特征在于：所述的分散剂是取自于聚氨酯系、聚丙烯酸酯系、聚丙烯酸盐系、聚羧酸系、聚羧酸盐系、聚醚系、聚酯系、聚酰胺系、多聚磷酸盐系、脂肪酸系分散剂的一种或二种以上的分散剂复配。

4. 按照权利要求1所述的水性纳米氧化硅浓缩浆，其特征在于：所述的消泡剂选自于聚硅氧烷系、聚醚系、聚丙烯酸酯系、聚丙烯酸盐系一种或二种以上的消泡剂复配。

5. 按照权利要求1～4中之一所述水性纳米氧化硅浓缩浆的制备方法，其特征在于：按所述组分含量，将分散剂和消泡剂加入水中，用高速分散机200～2000rpm分散2～5分钟使分散剂和消泡剂均匀分散在水中，在高速分散机不停转动过程中逐渐加入纳米氧化硅粉，然后再用高速分散机500～3000rpm分散5～30分钟，所得的纳米氧化硅浆料在球磨机或砂磨机中研磨30分钟～10小时，最后制成水性纳米氧化硅浓缩浆成品。