提高颜料铝粉表面SiO_2包覆率的研究
涂料用铝粉的表面改性研究进展
涂料用铝粉的表面改性研究进展李利君1,2,3,皮丕辉1,王炼石3,文秀芳1,程江1,杨卓如1(1.华南理工大学化学与化工学院,广州510640;2.公安部四川消防研究所,都江堰611830;3.华南理工大学材料科学与工程学院,广州510640)摘 要:铝粉作为重要的金属颜料之一,当其用于水性涂料时,易被腐蚀而逐渐失去金属光泽,因此需要对其进行表面改性。
目前的表面改性方法主要有添加缓蚀剂法和包覆膜法,较多的是添加缓蚀剂来保护铝颜料,而包覆膜法对铝颜料能起到更好的保护作用,被认为是一种较有发展前景的方法。
本文对铝颜料表面改性机理及改性方法的研究进展进行了介绍,指出了目前改性方法中存在的不足,并提出了改进措施。
关键词:铝颜料;表面改性;缓蚀剂;包覆膜中图分类号:T G179;TQ633 文献标识码:A 文章编号:10052748X(2009)0820519204A R evie w of Surface Modif ication of Aluminum Pigments Applied in CoatingsL I Li2jun1,2,3,PI Pi2hui1,WAN G Lian2shi3,WEN Xiu2fang1,CH EN G Jiang1,YAN G Zhuo2ru1 (1,3.South China University of Technology,Guangzhou510640,China;2.Sichuan Fire Research Institute of Ministry of Public Safety,Dujiangyan611830,China) Abstract:Aluminum,as one of the important metal pigments,can be easily corroded and tarnished when it is utilized in the waterborne paints.Therefore it is necessary to modify its surface.Now,two methods have been adopted,i.e,corrosion inhibitor and encapsulation.It is reported that the encapsulation could protect the aluminum pigments more efficiently,and is a prospect method for protection of aluminum pigments.The mechanism,methods and development of the aluminum pigment modification are reviewed in this paper.The deficiency of the present methods is pointed out and the improving ways are also suggested.K ey w ords:aluminum pigment;surface modification;corrosion inhibitor;encap sulation 金属颜料作为装饰性颜料由片状金属或片状合金粉末构成,可使被涂装的物品绚丽多彩,具有明亮的金属光泽和金属闪光效果[1]。
片状铝粉表面包覆SiO2和Fe2O3的研究
Ｓａｌ ｇＥｅｔ ｎ ｃ ｓ Ｐ ａｄＩ ａ ｄＲ ｙ Ｐｃ ０ ｏ Ｔｅ ｓｌ ｓｏ １ ｔ ｃｎｌ １ ｒ Ｍｉ ｃ ｙ ｎ ｎ ｒ ａ Ｓ ｅ ｒ Ｐ ｈ ｒ ｕ ｈ ｗ ｈ １ ｎ ｃｏ ｏ ｒ ｏ ｒ ｆ ｅ ｔｓ ｙ ｃ． ｅ ｔ ｓ ａ
ｅ ｒ ｈ ｕ ｃｏａ ｎ ｔ ｓ ｆｅ ｆ ｕ ｉ ａ ｌ ｕ ｍｍ
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ｌ ｅ ｏ ｄ ｏ ｄ ｙＳ ａ 勺 ３ ｆｋ Ｐｗ ｅｃ ｅ ｂ ｉ２ ｄＦ ０ ｗ ｃ ｔ ｚ 妙 ａ ｒ ａ ｔ ０ｎ ｓ ａ ｈ ｅｅ 吟 ｒｄ ｉ Ｐｗｅｃａｄ ５ １９ ５ ， ｈｅ ｏ ｅ ａ ｃａ ｏ ｒｏ ｅ 妙 １ ５ ０ ｗ ｌ ｓ Ｐ ｕ ｄ ｔ 伍 １ 盯 ｌ ｍ ｒ ｌ ｉ ｅ ｔ ｔ
当光线射入含透明颜料和片状铝粉颜料的膜层内时入射光透过颜料粒子成为有色光再经过不同层次的片状铝粉颜料反射出来就会发生色调和金属光的变化入射光的视角自垂直逐渐发生角位移动光线则透过不同粒子数量的颜料和不同粒子数量的颜料和不同粒径的片状铝粉颜料反射出的光线和色调和金属光也发生无穷的变化
硕 士学位论文
摘要
于 饰、 墨 业 。 装 油 行 １
铝粉颜料是鳞片状粉末，它调入成膜物并涂装成膜时，像 落叶铺地一样与 被涂物平行 ，互相连结，互相遮掩，多层排列，形成屏障，阻断了成膜物 的微 细孔 ，阻止外界有害气体或有害液体在涂膜 中的渗透，保护 了涂膜及 被涂装物
品。 并且正是由 于这种片状结构，当 它平行于底材排列于涂 膜中时， 外观可有
ｃａｎ ｂ Ｓ ２ｕｄｒ ｔ ｂｓ ｏｄｉ ：Ｔ ｅ Ｔ Ｏ ａｄ ａｌ ｏｉ ｄｕ ｄ ｏｉ ｙ ｉ ｔｇ ０ ｎｅ ｈ ｅ ｅ ｔｃｎｉｏ ｔ ｎ ｂ Ｅ Ｓｎ ｎ ｎ ｉ ｍ ａ ｌ ｅ ｔ
铝粉包覆
二氧化硅包覆制备环保水性型铝粉颜料(实验设计人：叶红齐)内容提要环保水性涂料是绿色化工的重要方向之一，而水性铝粉颜料是水性金属涂料的重要原料。
由于铝粉颜料与水接触会发生析氢反应，导致表面金属光泽降低等应用性能的下降。
本实验通过水解反应法，将SiO2在铝金属颜料表面形成纳米厚度的包覆膜层，隔断与外界水的直接接触。
对包覆膜层的均匀性和厚度的控制是本实验的关键，因为包覆后的铝粉颜料表面的银灰色金属光泽不能有明显的降低。
析氢测定和表面光泽度测定可对包覆效果进行评价。
包覆前后铝粉的表面性质，通过红外光谱和SEM等手段进行表征。
研究背景或项目意义铝粉颜料作为一种用途最广的金属颜料、在汽车、电器、塑料等许多领域广泛应用，产生银灰色的视觉效果和高效的屏蔽保护作用。
目前，市场上的铝金属颜料多为油性颜料，是通过湿式球磨法，在矿物油、200＃溶剂油等有机溶剂中，并加入润滑剂和其他助剂，将球形铝粉转化为片状铝粉，并经过粒度控制、表面捏合等工序加工而成。
有机溶剂的作用主要能是能够提高片状化工程的效率，同时又能把铝粉存在的爆炸危险降到最低。
其润滑剂的主要作用是防止球形铝粉在球磨过程中，由于钢球等介质的机械作用所可能出现的冷焊接现象。
其他助剂有稳定剂、分散剂、表面防护剂及抗沉淀剂等，其目的是提高片状铝粉的表面金属光泽和满足后续涂料行业的要求。
由于油性铝粉颜料，在水介质中难以分散，同时，金属铝与水接触会发生析氢反应，引起金属光泽等性能下降，从而难以满足环保型水性涂料的要求。
由于环保水性型涂料是绿色化工的重要方向之一，从而对水性金属颜料的重要原料的水性铝粉颜料提出很高的要求。
本实验采用铝粉颜料表面包覆纳米SiO2的方法，隔绝铝粉与外界水的直接接触，使铝粉颜料能够达到水性涂料的要求，因此本实验具有重要的意义。
本实验涉及到粉体表面处理技术。
人们已不满足对于单一粉体的亚微米、纳米级的追求，而是期望粉体具有以前所不具备的新性能。
而要获得新性能所采取的所有措施，都可以归结为表面改性处理。
一种有机硅包覆的水性铝颜料的制备方法及水性铝颜料[发明专利]
![一种有机硅包覆的水性铝颜料的制备方法及水性铝颜料[发明专利]](https://img.taocdn.com/s3/m/1eb00c5626d3240c844769eae009581b6bd9bda8.png)
(19)中华人民共和国国家知识产权局(12)发明专利申请(10)申请公布号 (43)申请公布日 (21)申请号 201710991540.4(22)申请日 2017.10.23(71)申请人 北京化工大学地址 100029 北京市朝阳区北三环东路15号(72)发明人 史翎 张传敏 李雯琪 (74)专利代理机构 北京知舟专利事务所(普通合伙) 11550代理人 周媛(51)Int.Cl.C09C 1/64(2006.01)C09C 3/06(2006.01)C09C 3/08(2006.01)C09C 3/12(2006.01)C09D 5/10(2006.01)(54)发明名称一种有机硅包覆的水性铝颜料的制备方法及水性铝颜料(57)摘要本发明公开了一种有机硅包覆的水性铝颜料的制备方法及铝颜料。
方法包括：(1)铝粉表面的洗涤：(2)铝粉表面羟基化处理：经洗涤后的铝粉与有机溶剂2混合，加入处理液对铝粉表面羟基化；(3)有机硅包覆铝粉：羟基化处理后的铝粉、有机溶剂3与催化剂混合，将混合液滴加至含有活泼性反应基团的聚硅氧烷溶液中反应，过滤、洗涤、干燥获得包覆后的铝粉。
本发明采用了具有反应活性的有机硅氧烷，在铝粉表面接枝、缩合交联，实现了铝粉的微胶囊化，制备的铝颜料具有耐水性好、抗腐蚀、光泽度高的特点，并与水性涂料乳液有良好的相容性。
此技术反应简单、成本低，有产业化前景，属于环境友好型技术。
权利要求书2页 说明书6页CN 109694592 A 2019.04.30C N 109694592A1.一种有机硅包覆的水性铝颜料的制备方法，其特征在于所述方法包括：(1)铝粉表面的洗涤：铝粉依次用酸性洗涤剂和有机溶剂1洗涤；所述酸性洗涤剂为磷酸醇溶液或硼酸醇溶液；所述有机溶剂1为丙酮，正己烷、四氢呋喃中一种或组合；(2)铝粉表面羟基化处理：经洗涤后的铝粉与有机溶剂2混合，加入处理液对铝粉表面羟基化；所述处理液为三乙醇胺、氨水、过氧化氢和碳酸钠混合溶液中的一种或组合；所述有机溶剂2为甲醇、乙醇、异丙醇、正丙醇、正丁醇、异丁醇以及丙酮中的一种或组合；(3)有机硅包覆铝粉：羟基化处理后的铝粉、有机溶剂3与催化剂混合，将混合液滴加至含有活泼性反应基团的聚硅氧烷溶液中反应，过滤、洗涤、干燥获得包覆后的铝粉；所述有机溶剂3为四氢呋喃、丙酮、甲苯、二甲苯；所述催化剂为氯铂酸，二月桂酸二丁基锡、金属氢氧化物、有机碱或氨水。
纳米SiO_2包覆改性薄片铝粉颜料及其耐酸性研究
第36卷 第12期2009年12月湖南大学学报(自然科学版)Journal of Hunan University(Natural Sciences)Vol.36,No.12Dec12009文章编号:167422974(2009)1220053206纳米SiO2包覆改性薄片铝粉颜料及其耐酸性研究3皮丕辉 ,陈 军,李利君,文秀芳,程 江,杨卓如(华南理工大学化学与化工学院,广东广州 510640) 摘 要:以正硅酸乙酯为前驱体,氨水为催化剂,采用溶胶2凝胶法在薄片铝粉颜料表面包覆了一层薄而致密的纳米SiO2层,考察了反应工艺参数对包覆层形貌及耐酸性的影响.通过调节反应温度和时间、铝硅比、水硅比、催化剂用量等工艺条件,可以控制正硅酸乙酯的水解速率、活性硅酸在铝粉粒子表面的吸附速率及缩合速率之间的相对大小,从而控制SiO2以膜沉积的方式对铝粉进行包覆,得到均匀致密的包覆膜.实验得到较优的条件为:同时滴加正硅酸乙酯和氨水水溶液,控制铝硅比为5.5,水硅比为30,氨水用量3mL,在40℃下反应6h,铝粉粒子表面的SiO2包覆层均匀致密,包覆型铝粉在p H=1的酸溶液中能稳定存在30d而不产生H2.关键词:铝颜料;二氧化硅;溶胶凝胶;耐酸性中图分类号:TQ624 文献标识码:AAluminum Pigment s Encap sulated wit h Nano2SiO2Coatings and Their Acid2resistancePI Pi2hui ,C H EN J un,L I Li2jun,WEN Xiu2fang,C H EN G Jiang,YAN G Zhuo2ru (School of Chemistry and Chemical Engineering,S outh China Univ of T echnology,G uangzhou,G uangdong 510640,China) Abstract:Aluminum pigment s were encap sulated wit h a t hin but dense film of nano2SiO2particles in sol2gel met hod,using tet raet hoxysilane as t he p recursor and ammonia as t he catalyst.The influences of re2 action factors o n t he film’s pattern and t he acid p roof behavior were st udied.The relative rates of tet rae2 t hoxysilane hydrolyzation,silicic acid absorptio n and co ndensation polymerization on aluminum pigment s could be controlled by adjusting t he reaction parameters,such as t he reaction temperat ure,time and t he ratio of reactant s.And t he homogeneous and dense SiO2layer could be depo sited t horoughly around t he surface of t he aluminum pigment s.It was found t hat,when dropping tetraet hoxysilanc and ammonia sim2 ultaneously into t he pigment s solution and cont rolling t he mole ratio of aluminum to tet rat hoxysilane at 5.5,t he ratio of water to tet raet hoxysilane at30,t he dosage of catalyst wit h3mL,t he reaction tempera2 t ure at40℃and time of6h respectively,t he encap sulated aluminum pigment s obtained could be immersed in t he acid media of p H=1for30d wit hout H2giving2off.K ey w ords:aluminum pigment;SiO2;sol2gel;acid2resistance 薄片(0.01～5μm厚,1～50μm长或宽)金属铝颜料由于具有特殊的随角异色光学效应和金属光泽,3收稿日期:2009204216基金项目:国家自然科学基金资助项目(20976059);广东省自然科学基金资助项目(07006528)作者简介:皮丕辉(1973-),男,湖南澧县人,华南理工大学讲师,博士通讯联系人,E2mail:phpi@ 湖南大学学报(自然科学版)2009年广泛应用于汽车涂料、工业涂料、印刷油墨及塑料加工业中[1].但铝为两性活性金属,接触酸碱溶液或者空气中的O2极容易发生氧化而变黑,影响其金属光泽,还会产生大量的H2,影响其贮存稳定性[2]提高铝粉的贮存稳定性,防止铝粉表面被氧化,有效的方法是在铝粉微粒表面进行改性,表面吸附一层腐蚀抑制剂[3]或者微胶囊包覆一层惰性层,隔绝铝与氧、水的直接接触[4].相比于吸附有机腐蚀抑制剂,在铝粉表面形成一层薄而致密的钝化铬层或者SiO2层等无机层,具有非常好的抗氧化耐腐蚀性能[5-6].Y.Iriyama以正硅酸乙酯(TEOS)为前驱体,采用等离子体聚合法在铝粉粒子表面包覆了一层SiO2层[7].溶胶凝胶法因反应温度低、工艺及设备简单,具有较广的工业应用价值.Ralf Supplit和Ulrich Schubert采用磷酸催化正硅酸乙酯水解对铝粉进行第一层包覆,再用十六烷基三甲氧基硅烷或二甲基二甲氧基硅烷水解进行第二层包覆,包覆铝粉在热水和p H=9的碱液中具有较好的稳定性[8].Liu Hui等采用甲基丙烯酰氧丙基三甲氧基硅烷对铝粉进行预处理,再采用原位乳液聚合的方法包覆聚甲基丙烯酸甲酯[9].李利君等采用TEOS对薄片铝粉进行了纳米SiO2包覆[10],采用TEOS和乙烯基三乙氧基硅烷同时水解对铝粉进行了杂化的纳米SiO2包覆[11],并在此基础上采用聚合物进行第二层包覆[12],包覆铝粉在p H=11的碱液中能稳定存在30d.Jo stein Mardalen等发现包覆硅的形态和包覆度对包覆铝粉的化学稳定性的影响比包覆硅的厚度的影响更重要[13].本文以TEOS为前驱体,采用溶胶2凝胶法制备SiO2包覆的铝粉颜料(Al/SiO2),详细考察反应温度、反应时间、铝硅比(S=nAl /nTEOS)、水硅比(R=n H2O/nTEOS)及催化剂用量等工艺条件对包覆层形态和产品耐酸性的影响.1实验部分111 主要原料铝颜料,平均粒径30μm,广州市天珑贸易有限公司;TEOS,分析纯,汕头市光华化学厂;氨水,分析纯,广州市东红化学厂;无水乙醇,分析纯,成都市联合化工试剂研究所;蒸馏水,自制.112 试样制备将2g铝颜料和50mL无水乙醇加入250mL 四颈烧瓶中,氮气保护下搅拌1h,然后升温至40℃,同时滴加30mL无水乙醇稀释的3mL TEOS 和30mL无水乙醇稀释的4.5mL氨水及5mL水,控制滴加速度为1滴/秒.滴加完毕后,在40℃下反应6h,停止反应,真空抽滤,用无水乙醇洗涤产物3次,干燥后得最终产物Al/SiO2.113 样品表征样品的表面元素分析采用Kratos Axis Ult ra (DLD)光电子能谱仪,Al靶,用污染碳C1s285.00 eV定标.样品的表面形态、结构及粒径采用荷兰飞利浦公司FEI X L230ESEM扫描电镜(SEM)扫描,用离子溅射器对铝颜料进行表面喷金处理;耐酸性测试采用排水集气法,将0.1g的样品放入盛有p H= 1的硫酸溶液的玻璃瓶中,在室温下放置30d,收集所产生的H2.2 结果与讨论211 纳米SiO2包覆铝颜料过程机理分析TEOS在铝颜料表面成膜过程如图1所示. TEOS首先在碱性条件下发生完全水解反应,生成硅醇.硅醇在铝粉表面吸附,硅醇的羟基和铝表面的羟基之间形成氢键,在加热条件下,硅醇的羟基和铝表面的羟基发生缩合反应,最终TEOS和铝之间以化学键Si—O—Al结合.图1 TEOS在铝颜料表面成膜过程Fig.1 Process of the formation of TEOS film on thesurface of aluminum pigments在反应体系中存在颗粒复合和膜复合的竞争,这与水解速率、缩合速率及硅醇在铝粉粒子表面的沉积速率三者之间的相对大小有关.水解快速形成的硅醇如果首先缩合形成SiO2颗粒然后沉积在铝粉粒子表面,就会导致颗粒包覆;如果硅醇首先吸附在铝粉粒子表面然后发生缩合反应,就会导致膜包覆.212 XPS分析未包覆铝粉和Al/SiO2的XPS分析谱图如图2所示.可以看出,在未包覆的铝颜料的表面出现了Al,C45第12期皮丕辉等:纳米SiO 2包覆改性薄片铝粉颜料及其耐酸性研究和O 3种元素的峰[图2(a )],在Al/S iO 2的表面出现了新的Si 元素的峰[图2(b )],而没有出现Al 元素峰.结合能/eV(a )未包覆的铝颜料结合能/eV (b )Al/SiO 2图2 不同铝颜料的XPS 全谱图Fig.2 XPS spectra of different aluminum pigments图3为Al/SiO 2中Si 2p 的XPS 谱图,Si 2p 的电子结合能为103.34eV ,这与已知文献报道的SiO 2的电子结合能为103.2～103.7eV 相符合[14].这表明在铝颜料表面包覆了一层致密的SiO 2膜层,且膜的厚度大于10nm.结合能/eV图3 Al/SiO 2的Si 2p 的XPS 谱图Fig.3 XPS spectra of Si 2p for Al/SiO 2213 纳米SiO 2包覆型铝颜料影响因素分析2.3.1 反应温度的影响实验考察了不同温度对包覆效果的影响,所得Al/SiO 2的表面形貌如图4所示,耐酸性检测结果如图5所示.由图4可以看出,当反应温度为30℃时,在铝粉表面形成了粒径不均匀的SiO 2粒子,其中部分粒子粒径较大,未能形成均匀、致密的SiO 2包覆层;当反应温度为40℃和50℃时,均可形成粒度较小、均匀致密的S iO 2包覆层;当反应温度升高到60℃时,SiO 2呈絮状,而没有在铝粉微粒表面形成均匀、致密的包覆层.这从图5的耐酸性结果也可看出,反应温度为30℃和60℃时,Al/S iO 2在酸溶液中释放出大量的H 2,表明其耐酸性较差,也就是说其表面的S iO 2包覆层不够致密,起不到很好的保护作用;反应温度为40℃和50℃时(图中两曲线接近重合),Al/SiO 2在酸溶液中浸泡30d 仍没产生H 2,表明其耐酸性能良好,因此可推断粒子层均匀致密.(a )30℃(b )40℃(c )50℃(d )60℃图4不同反应温度下Al/SiO 2表面形貌(6h ,R =30,S =5.5,4.5mL 氨水)Fig.4 Morphology of Al/SiO 2at different reaction temperature (6h ,R =30,S =5.5,4.5mL ammonia )反应温度较低(30℃)时,水解和缩合反应较慢,粒子间的碰撞速度较小,活性硅酸缔合程度较大,缩合成平均粒径较大的SiO 2粒子,阻碍了均匀、致密的SiO 2包覆层的生成,故耐酸性差.适当升高反应温度(40℃,50℃),提高水解和缩合反应速率,粒子间的碰撞速度加快,有利于生成均匀、致密的SiO 2粒子,故耐酸性好.温度过高(60℃),水解和缩合的速率大大加快,生成的活性硅的数量大大55 湖南大学学报(自然科学版)2009年增加,速度也大大加快,就不可能使其逐渐沉积到铝粉表面形成SiO 2包覆层,而是聚集缩合生成许多SiO 2小颗粒,结果形成一种复杂的混合物,导致了絮状SiO 2簇生成,故耐酸性差.t /d图5 不同反应温度下Al/SiO 2耐酸性Fig.5 Acid resistance of Al/SiO 2preparedat different temperature实验较优的包覆温度选择为40℃左右,既能保持铝粉表面的金属光泽,又能达到最佳的包覆效果.2.3.2 反应时间的影响不同反应时间下,Al/SiO 2表面Si 元素含量及外观的对比见表1.由表1可以看出,随着包覆处理时间的延长,铝颜料表面的Si 元素相对含量也逐渐增加,表明沉积在铝粉表面的SiO 2越来越多.SiO 2的包覆量在最初的2～4h 内增加得比较快,而反应4h 以上包覆量的增加速度有所减慢.还可以看出,当反应时间在6h 内时,铝颜料可保持原有的银白色的金属光泽.但是当反应时间超过6h 时,随着反应时间的增加,铝颜料的颜色迅速加深,由银白色转变成暗灰色,此时铝粉表面SiO 2的大量沉积,完全遮盖了铝粉本身的银白色光泽.经综合考虑,选取的反应时间为6h.表1 反应时间对铝颜料表面Si 元素含量及外观的影响(T =40℃,R =30,S =5.5,4.5mL 氨水)T ab.1 E ffect of reaction time on Si content and appearanceof aluminum pigments(T =40℃,R =30,S =5.5,4.5mL ammonia)反应时间/h246810外观银白银白银白暗灰暗灰Si 质量分数/%2.566.678.399.2910.012.3.3 铝硅比(S )的影响不同S 下的Al/SiO 2的SEM 图如图6所示,相应的耐酸性检测结果如图7所示.由图6可看出,当S =16.5时,产生的SiO 2量较少,不能在铝粉颗粒表面形成致密的SiO 2包覆层,包覆效果较差.当S 减少至8.3时,铝颜料表面的SiO 2数量明显增多,而当S 降至5.5时,铝粉表面形成了均匀的包覆层,包覆效果较好.同时由图7可看出,S =16.5或8.3时,耐酸性较差,此时虽然SiO 2在铝粉表面形成包覆,但是SiO 2量过少导致包覆的膜层较疏松,不能对铝颜料起到较好的保护作用;在S =5.5时,Al/SiO 2在p H 值=1的酸溶液中经过30d 后无任何氢气放出,其耐酸性非常好,表明此时铝颜料表面的SiO 2膜层非常致密,可以对铝颜料起到很好的保护作用.实验选择较优的S 为5.5左右时,包覆效果比较理想.(a )S =16.5(b )S =8.3(c )S =5.5图6 不同S 时Al/SiO 2表面形貌(T =40℃,6h ,R =30,4.5mL 氨水)Fig.6 Morphology of Al/SiO 2at different S (T =40℃,6h ,R =30,4.5mL ammonia )t /d图7 不同铝硅比时Al/SiO 2的耐酸性Fig.7 Acid resistance of Al/SiO 2prepared at different S2.3.4 水硅比(R )的影响实验考察了不同水硅比对铝粉表面包覆层的影响,其SEM 图如图8所示,其耐酸性检测结果如图9所示.由图8可以看出,R =10时,系统中含水量较65第12期皮丕辉等:纳米SiO 2包覆改性薄片铝粉颜料及其耐酸性研究少,片状铝粉表面没有形成SiO 2包覆层;R =30,系统中加入适量的水时,所得产物的包覆效果最佳,有大量SiO 2颗粒在片状铝粉表面密集排列,形成致密的包覆层;R =50时,所得产品的包覆效果比较好,有大量SiO 2颗粒在片状铝粉表面密集排列,但与包(a )R =10(b )R =30(c )R =50(d )R =70图8 不同R 时Al/SiO 2表面形貌(T =40℃,6h ,S =5.5,4.5mL 氨水)Fig.8 Morphology of Al/SiO 2prepared at different R(T =40℃,6h ,S =5.5,4.5mL ammonia)t /d图9 不同R 时Al/SiO 2的耐酸性对比Fig.9 Comparison of acid resistance of Al/SiO 2prepared at different R覆条件在R =30相比,R =50时的SiO 2粒径明显增大,并且发生了少量的颗粒团聚.当R =70,系统中加入过量的水时,片状铝粉表面并没有富集SiO 2颗粒,而是形成了疏松的包覆层.同时由图9可以看出,R =30时的产品耐酸性最好,R =50时的产品比较耐酸,而R =10和R =70时的产品耐酸性极差.耐酸性检验结果与SEM 表征结果较为符合.体系的R 较小时(R =10),TEOS 的水解速度较慢且不完全,而聚合速度过快,不利于水解后的硅醇在铝表面的吸附,因而难以形成包覆层.体系的R 较大时(R =50),水解生成的硅醇较快地增多,容易聚集缩合生成SiO 2小颗粒,而不是逐渐有序沉积到铝粉表面.体系中的水硅比很大(R =70)时,水解生成的硅醇较快地增多,而大量的水的存在抑制了缩合反应,容易形成疏松而非致密的结构.体系水硅比适中(R =30),含水量与TEOS 的浓度比适当,经溶胶2凝胶法处理后,SiO 2在铝颜料表面形成了一层致密的保护膜,能够对铝颜料起较好的保护作用.在实验过程中,控制体系水硅比在30左右较合适.2.3.5 催化剂的影响TEOS 的水解反应在常温条件下非常慢.实验选用氨水作催化剂时,能加快水解反应速率.不同氨水用量下所制备的复合粒子,其SEM 照片如图10所示,耐酸性检测结果如图11所示.从图10和图11可以看出,当加入1.5mL 氨水[图10(a )]时,铝粉表面只形成了少量的SiO 2小颗粒,且得到的产品只经过1d 的酸浸泡,就已经产生大量氢气,耐酸性能差.此时体系中氨水的浓度较低,TEOS 水解和聚合的速率较慢,对铝粉的包覆也较慢,只达到部分包覆的程度.当加入适量氨水(3.0mL ,4.5mL )时,如图10(b )和图10(c )所示,包覆膜层基本均匀致密,无二氧化硅团聚体粘连,得到的产品经过30d 的酸浸泡,没有放出氢气(图11中两曲线接近重合),耐酸性能极好.此时SiO 2在Al 粉颗粒表面形成了均匀致密化的包覆膜,能够起较好的保护作用.当加入过量的氨水(6.0mL )时,如图10(d )所示,包覆膜层并不均匀,而且片状铝粉的边缘处有疏松的海绵状团聚物,得到的产品经过7d 的酸浸泡,产生了一定量的氢气,耐酸性较差.此时体系中氨水浓度比较高,使得TEOS 水解的速率加快,大量的活性硅缔合缩合成SiO 2颗粒,SiO 2不是完全以膜包覆的方式,还以颗粒包覆的方式在铝粉粒子表面沉积,最终包覆粒子表面粗糙不平,且包覆膜不够致密.75 湖南大学学报(自然科学版)2009年(a )1.5mL 氨水(b )3.0mL 氨水(c )4.5mL 氨水(d )6.0mL 氨水图10 氨水的量对Al/SiO 2表面形貌的影响(T =40℃,6h ,R =30,S =5.5)Fig.10 Effect of ammonia content on the morphology ofAl/SiO 2(T =40℃,6h ,R =30,S =5.5)t /d图11 不同催化剂浓度下Al/SiO 2的耐酸性对比Fig.11 Comparison of acid resistance of Al/SiO 2prepared at different concentration of catalyst在实验过程中,控制体系的氨水加入量在3.0～4.5mL 之间,对最终形成均匀的膜层较为有利.3 结 论以TEOS 为前驱体,氨水为催化剂,采用溶胶2凝胶工艺可以在薄片铝粉外面包覆一层厚度大于10nm 的SiO 2包覆层.通过调节反应温度和时间、铝硅比、水硅比、催化剂用量等工艺条件,可以控制TEOS 的水解速率、活性硅酸在铝粉粒子表面的吸附速率及缩合速率之间的相对大小,从而控制SiO 2以膜沉积的方式对铝粉进行包覆,得到均匀致密的包覆膜.得到较优的条件为:同时滴加TEOS 和氨水水溶液,控制铝硅比为5.5,水硅比为30,氨水用量3mL ,在40℃下反应6h ,铝粉粒子表面的SiO 2包覆层均匀致密,包覆型铝粉在p H =1的酸溶液中能稳定存在30d 而不产生H 2.参考文献[1] WISSL IN G P.水性涂料用铝颜料[C]//第二届环保型水性涂料及树脂研讨会论文集.广州,2003.WISSL IN G P.Aluminum pigment for waterborne coatings [C]//Proceeding of t he second session of t he environmentally friendly water 2based paint and resin Seminar.Guangzhou ,2003.[2] P HAMBU N.Characterization of aluminum hydroxide t hinfilm on metallic aluminum powder [J ].Materials Letters ,2003,57(19):2907-2913.[3] KARLSSON P M ,BAEZA A ,PALMQVIST A E C ,et al.Surfac 2tant inhibition of aluminium pigments for waterborne printing inks [J ].C orrosion Science ,2008,50(8):2282-2287.[4] KARLSSON P ,PALMQVIST A E C ,HOLMBERG K.Surfacem odification for alum inium pigment inhibition [J ].Advances in C olloid and Interface Science ,2006,128/130:121-134.[5] KIEHL A ,GREIWE K.Encapsulated aluminium 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颜料铝粉的表面包覆改性及在涂料中的应用的开题报告
颜料铝粉的表面包覆改性及在涂料中的应用的开题报告一、研究背景颜料铝粉是广泛应用于造纸、塑料、油墨、涂料等行业的一种金属颜料，具有良好的耐化学性、耐腐蚀性和热稳定性。
而市面上的大多数颜料铝粉具有较高的反射率和金属亮光效果，所以常常被应用于高级汽车漆、印刷油墨等高档用途中。
但是，在某些领域中，如室内家居装饰、塑料制品等，要求颜料铝粉的表面不仅具有良好的金属效果，同时也具有耐磨损性和抗刮擦性。
相对于目前市场上的铝粉，只有通过较高的加工成本才能达到更好的表面改性效果。
因此，本研究将针对颜料铝粉的表面改性进行深入研究，推进其在新型领域中的应用。
二、研究目的1.探究表面改性剂与颜料铝粉的反应行为；2.研究颜料铝粉的表面改性机理；3.制定表面改性方案，在保持金属效果的前提下提高耐磨损性和抗刮擦性；4.开发生产出符合新型领域需求的颜料铝粉。
三、研究内容和方法1.表面改性剂对颜料铝粉的应用利用表面改性剂对颜料铝粉进行改性处理，考察不同表面改性剂的改性效果，建立颜料铝粉与表面改性剂之间的反应行为模型。
2.颜料铝粉的表面改性机理研究采用扫描电镜等表面分析方法，研究颜料铝粉表面与表面改性剂的反应机理，以及改性后的表面结构特征。
3.改性颜料铝粉的涂料应用采用改性颜料铝粉进行涂料配方设计，制备改性颜料铝粉涂料样品，并对其性能与普通铝粉涂料样品进行对比实验，研究其耐磨损性和抗刮擦性等方面的性能变化规律。
四、预期成果1.建立符合颜料铝粉表面改性的反应行为模型；2.揭示颜料铝粉在表面改性过程中发生的结构变化及机理；3.开发出一种新型改性颜料铝粉，并在其应用于涂料中的性能变化规律的基础上探索更多应用领域。
五、研究意义该研究对于开发符合特定领域应用需求的颜料铝粉具有重要的现实意义。
可以为制造颜料铝粉的企业提供技术支持，推动产业升级。
同时也有利于相关领域的技术进步和产品质量的提升。
氧化铝包覆对TiO_2颜料性能的影响及包覆过程机理研究_李洁
氧化铝包覆对TiO 2颜料性能的影响及包覆过程机理研究李洁1,2，王勇2，王丽娜2，孙体昌1，齐涛2（1.北京科技大学土木与环境工程学院，北京100083；2.中国科学院过程工程研究所绿色过程与工程院重点实验室，北京100090）二氧化钛是目前世界上应用最为广泛的白色颜料，具有高折射率、良好的不透明性和优异的遮盖性能.由于颜料级的二氧化钛粒度小，通常市场所售的工业TiO 2颜料，每一克约由1015个粒径在0.2~0.4μm 的单个粒子组成，而这种单个粒子是由2.7×108个二价氧离子（O 2-）和1.35×108个四价钛离子（Ti 4+）构成，因此晶体中存在约102个氧缺陷，也就是肖特基缺陷（Schottky defect ）.TiO 2的这些晶格缺陷，使其表面上存在许多光活化点，在日光照射下（主要是近紫外光谱域，可见光还不具备破坏化学键的能量，波长越低能量越高），其晶格上的氧离子失去两个电子变为氧原子，放出来的电子被Ti 4+捕获，还原成Ti 3+，发生光化学反应，使经TiO 2催化的涂膜降解，造成粉化、失光、泛黄变色[1].此外，二氧化钛本质上是亲水憎油的颜料，如果不经后处理，在各种水性和非水性介质中分散不好，从而影象其应用性能[2-4].生产工艺的改进可使上述缺陷的不良影响有所降低，但无法完全排除.因此必须对二氧化钛进行表面处理，在其外层包覆一层无机物或有机物，堵塞其光活化点，改善二氧化钛离子的表面化学性质，使其具有良好的颜料及分散性能，满足应用需求.氧化铝是涂料用二氧化钛表面处理普遍采用的一种包覆剂，但对其不同条件下的包覆形态以及对颜料性能的影响目前没有十分详尽具体的报道，本文就此进行了氧化铝包覆试验及空白对比实验，对不同条件下氧化铝包覆二氧化钛的形态进行了考察，对其颜料性能的影响进行了比较，重点分析了影响消色力和干粉白度的主要因素，并且对包覆过程和机理进行了探讨.1实验1.1原料及试剂二氧化钛初品为未经表面处理的国产硫酸法生产的金红石型二氧化钛；铝酸钠、硫酸、氢氧化钠等所用试剂均为国产分析纯.1.2实验方法配制一定浓度（300g/L ）的TiO 2浆液，高速打浆20min ，使浆液得到良好分散.将分散好的TiO 2浆液置入反应罐中.实验A ：采用NaAlO 2作为包膜剂，在一定温度和碱性条件下通过蠕动泵加入到反应体系中，搅拌，并摘要：通过对氧化铝包覆金红石型二氧化钛的实验研究，分析了温度、pH 值、包覆量及陈化时间等条件对产品颜料性能的具体影响，并对影响颜料性能的主要因素及包覆过程机理进行了探讨.实验表明，温度对成核速率和生长速率具有影响；pH 值决定了氧化铝的形态结构，pH=8~9时生成的勃姆石与假勃姆石型氧化铝有利于产品的分散；包覆量对提高白度和光泽度有所影响，包覆量高，光泽与白度增加；陈化时间的延长有利于膜层的充分生长，有助于改善颜料性能.关键词：表面包覆，金红石，氧化铝，颜料性能中图分类号：TQ621.1文献标识码：A文章编号：1672-9102（2009）02-0098-06收稿日期：2009-2-20基金项目：国家自然科学基金资助项目（50574084）作者简介：李洁（1981-），女，河北石家庄人，博士研究生，主要从事矿业环境工程研究.湖南科技大学学报（自然科学版）Journal of Hunan University of Science &Technology （Natural Science Edition ）第24卷第2期2009年6月Vol.24No.2Jun.200998且用一定浓度的硫酸和氢氧化钠维持体系pH值，加完后陈化一定时间即完成氧化铝沉积.化学反应式如下：2NaAlO2+H2SO4+（n-1）H2O→Al2O3·n H2O↓+Na2SO4.（1）实验B：采用Al2（SO4）3作为包膜剂，在一定温度和酸性条件下通过蠕动泵加入反应体系中.搅拌，并且用一定浓度的硫酸和氢氧化钠维持体系pH值，加完后陈化一定时间即完成氧化铝沉积.化学反应式如下：Al2（SO4）3+6NaOH+（n-3）H2O→Al2O3·n H2O↓+3Na2SO4.（2）空白实验：将铝酸钠和硫酸铝在一定温度下分别加入到一定pH值的水溶液中，观察不同pH值下生成的凝胶状态，与在TiO2表面沉积的氧化铝进行对比.1.3性能测试及表征包覆后的样品经洗涤烘干，进行气流粉碎后得到氧化铝包覆的二氧化钛复合颗粒.通过扫描电镜（SEM，JEOL-JSM-6700F）进行形貌表征；经过X射线衍射（X'Pert PRO M PD，PANalytical，Netherlands，40kV，30mA，CuKα靶）测试产物的晶型结构；利用X射线荧光光谱仪（XRF，日本理学Simultix12）测定包覆后样品的化学成分；颗粒的粒径分布采用马尔文粒径仪（Malvern Hydro2000M u）进行测定.消色力的测定：参照GB5211.15-88方法，按公式（3）进行计算Ts试样=（A/B）·Ts标样.（3）式中：A为确定量的白色颜料样品所用的着色颜料的质量；B为相同质量的白色颜料所用着色颜料的质量，用此质量的颜料，使所得色浆的颜色深浅程度恰与样品色浆相同；Ts标样为标准样品给定的着色强度，通常为100[5].干粉白度测定：通过白度仪（WSD-3C，北京康光仪器厂）测定.2结果与讨论2.1温度对产品颜料性能的影响固定包覆量为2.0%（以Al2O3计），在pH=8.5时，改变反应温度，对得到的产品进行颜料性能测试.从表1可看出，包覆前原料本身Al2O3含量为0.127%.不同温度下包覆氧化铝后，沉积量在1.89% ~1.995%之间，温度低时，沉积量略少，温度高时，加入的氧化铝可完全沉积.随着温度的升高，产品光泽度（L*）和白度（Wh）逐渐增加，可见温度升高有利于提高产品的白度.在40℃~60℃时包覆氧化铝后的产品消色力较好，均超过标准值100，而70℃时消色力明显降低.由以上性能对比可看出，温度对产品的颜料性能具有较大影响.这是因为在包覆过程中，温度影响体系中Al3+的水解速率，从而影响氧化铝的形核速率与生长速率.在二氧化钛浆液中，受过饱和度与反应速度的影响，氧化铝的包覆存在着异相成膜包覆与均相成核包覆两种[6，7]情况.在反应初期，为氧化铝的预成核期，当Al3+水解达到饱和状态，随着时间增加，浓度进一步增大，逐渐进入过饱和状态时三维成核开始发生.故温度低时，Al3+水解速度慢，反应速率相对较低，所以成核过程时间变长在一定时间内沉积量减小，且容易造成氧化铝在二氧化钛表面局部聚集速度增加而导致团聚，使得包覆不均，从而影响到包覆后二氧化钛颗粒的白度与消色力；温度升高时，Al3+水解速率增加，反应速度加快，由于在非均相体系的晶体成核与生长过程中，新相在已有的固相上形成或生长，体系表面自由能的增加量小于自身成核（均相成核）体系表面自由能的增加量[8]，所以氧化铝分子在二氧化钛颗粒表面的成核与生长优先于其在自身溶液体系中的均相成核，从而有利于形成氧化铝的成膜包覆，使产品能够呈现良好的颜料性能.而温度过高时，浆液中分子热运动剧烈，反应速度过快，容易导致短时间内氧化铝的爆发式自身成核，聚集在二氧化钛颗粒表面，造成均相成核包覆，大大削弱了产品的白度和消色力.2.2pH值对产品颜料性能的影响在60℃时，分别在不同的pH值下包覆氧化铝，包覆量固定为2.0%，对得到的产品进行颜料性能测试.通过化学成分测定，可以看出在pH=4.0时氧化铝沉积量只有设计量的66.6%，随着pH升高，沉积量表1温度对氧化铝包覆影响的试验结果Tab.1Effect of temperature on alumina coating rutile温度/℃沉积量1）/%NaAlO2加入量2）（以Al2O3计）/%白度消色力/%L*值/%a*b*Wh初品3040506070800.1271.8941.9451.9901.9821.9931.9952.02.02.02.02.02.097.8297.9598.1298.2498.2798.5198.34-0.53-0.48-0.53-0.27-0.34-0.39-0.341.621.641.651.741.721.841.5896.7396.8797.0397.1597.2397.3397.3497981051031029394注：1）表中样品的沉积量已减去初品中0.127%的Al2O3；2）“NaAlO2加入量”是试验设计的包膜量.99增大，在pH=8.5~9.5时基本上可达到完全沉积，由于氧化铝为两性氧化物，在pH=10.5时，沉积在表面的水合氧化铝有重新被溶解的趋势，沉积量下降.随着pH 升高，产品的白度略有提高，在pH=8.5时，亨特白度最高，为97.12，随后，随着体系碱性的增强，白度呈下降趋势.在pH=8.5时包覆的产品消色力最好，可达105，在pH=4.0时最低仅有93，随pH 值增大，消色力呈先增大后减小趋势，可能与不同pH 值下二氧化钛浆料的分散性及氧化铝包覆层的形态有关.图1为包覆后样品的XRD 图，由于包覆层的结晶不够完整，故图1中只能看到金红石型二氧化钛的特征峰，而未显示氧化铝膜的谱峰.由于氧化铝本身组成及形态的复杂性，而XRD 又不能直接反应其包覆后的物相，故进行了空白对比实验对不同条件下生成的氧化铝产物给与验证，方法见实验部分.经过空白实验得到氧化铝的沉淀pH 值区间为3.8~11.0，在此区间内，对不同pH 值下的产物进行了XRD 与SEM 分析，结果见图2~7.pH=4.0时，氧化铝为无定形态，如图2和图3所示.pH=8.5时，氧化铝为勃姆石和假勃姆石型，如图4和图5所示.pH=10.5时，氧化铝为三水铝石，如图6和图7所示.由以上分析可看出，在pH=4.0的酸性体系下，生成的水合氧化铝为无定形态，伴有单质铝的出现附着在一起，颗粒界限不明显；在pH=8.5时，氧化铝呈勃姆石或假勃姆石型，也就是一水软铝石AlOOH （假一水软铝石），属斜方晶系，呈针状或纤维状.此种形态的氧化铝膜包覆在二氧化钛颗粒表面时，有利于颗粒表2pH 值对氧化铝包覆影响的试验结果Tab.2Effect of pH on alumina coating rutilepH 值沉积量1）/%NaAlO 2加入量2）（以Al 2O 3计）/%白度消色力/%L *值/%a*b*Wh 初品4.05.06.07.08.59.510.50.1271.3321.4501.8711.9061.9941.9931.64602.02.02.02.02.02.02.097.8297.8597.9298.0198.0398.2798.1997.95-0.53-0.43-0.51-0.49-0.41-0.50-0.48-0.49 1.621.541.601.621.661.641.721.6296.7396.7796.8996.9897.0197.1297.0396.83979394969610510394注：1）表中样品的沉积量已减去初品中0.127%的Al 2O 3；2）“NaAlO 2加入量”是试验设计的包膜量.—Rutile140007000l n t e n s i t y1020304050607080902Theta/°图1Al 2O 3/TiO 2的XR D 图Fig.1XR D pattern of Al 2O 3/TiO 215001000500l n t e n s i t y3060902Theta/°Al图2pH=4.0时氧化铝产物XR D 图Fig.2XR D pattern of Al 2O 3/TiO 2at pH=4.0图3pH=4.0时氧化铝产物SEM 图Fig.3SEM photos of Al 2O 3/TiO 2at pH=4.02500200015001000500l n t e n s i t y204060802Theta/°图4pH=8.5时氧化铝产物XR D 图Fig.4XR D pattern of Al 2O 3/TiO 2at pH=8.5图5pH=8.5时氧化铝产物SEM 图Fig.5SEM photos of Al 2O 3/TiO 2at pH=8.5———amorphous state———Boehmite,AlOOH100在水中的分散，适于颜料性能的发挥；在pH=10.5的强碱体系下，生成的氧化铝为三水铝石，属单斜晶系，呈棱镜状，若包覆于二氧化钛颗粒表面则会使光发生较大方向的折射，从而影响产品的颜料性能.pH 值对体系的影响主要体现在两方面：一是包膜剂成膜的pH 区间；二是包膜前后体系的分散状态.无机包膜剂有各自的沉淀生成pH 值区间，在此沉淀区间范围内仍然存在生成不同形态膜的单独区间，如氧化铝在不同pH 值下生成的氧化物形态不同.故在包膜时需将体系pH 值严格控制在一定范围内才能生成需要的膜层.在表面包覆过程中，随着无机包膜剂的加入，体系pH 值不断变化，浆料中粒子表面出现新的沉积层，导致表面电位的变化，对体系的分散状态产生很大影响.2.3包覆量对产品颜料性能的影响在60℃，pH=8.5时进行包覆，包覆量分别为1%，2%，3%，4%，5%，6%，考察不同包覆量对产品颜料性能的影响.从包覆结果来看，在此条件下，氧化铝均可较好的沉积在TiO 2表面.对不同铝酸钠加入量对白度的影响趋势见图8.由图8可以看出，随着氧化铝含量的增加，产品的光泽度（L *）增大，蓝光白度（Wr ）逐渐增大，亨特白度（Wh ）先呈上升趋势，在2%~4%时达到最佳值，后又略有降低.随着氧化铝包覆量的增加，b *先略增大后又降低，表明黄相先增加后当氧化铝含量为6%时又降低，产品变白，与Wh 相对应；a *呈逐渐降低趋势，表明产品趋向于呈绿相.由表3可以看出，Al 2O 3含量在1%~3%范围内消色力最好，大于3%，消色力下降.对照消色力结果及颗粒形貌来看，颗粒大小较均匀的且形貌趋近于球状的（如a ）消色力最好，外形有棱角的颗粒（如e ）使光产生较为固定方向的折射，对光的散射及消色力造成较为明显的影响.影响白度和消色力的因素主要有三点：一是杂质含量，可以在偏钛酸制备过程中进行控制，使得到的TiO 2杂质含量合格；二是晶体缺陷及混晶，可以通过水解及煅烧过程加以完善，提高金红石含量，控制晶体生长形貌；三、粒度及粒度分布，在产品杂质含量与金红石含量合格后，粒度及粒度分布是影响颜料性能一个至关重要的因素.根据库比尔卡-芒克（Kubelka-Munk）理论[9]，与光学特向有关的颜料性能可用颜料对光的吸收系数和散射系数来表征表3不同包覆量对氧化铝包覆影响的试验结果Tab.3Effect of coating quantity on alumina coating rutile沉积量1）/%NaAlO 2加入量2）（以Al 2O 3计）/%消色力/%0.9262.1052.9943.9714.9965.9851.02.03.04.05.06.0102100100979798注：1）表中样品的沉积量已减去初品中0.127%的Al 2O 3；2）“NaAlO 2加入量”是试验设计的包膜量.101K S =（1-R ∞）22R ∞.（4）其中，K -颜料对光的吸收系数；S -颜料对光的散射系数；R ∞-无限厚涂膜的亮度.对白色颜料来说，K 值很小，且可视为常数，因此S 值是一个关键因素.对于钛白粉，折射率一定，S 主要取决于粒度和粒度分布.颜料性能中的白度值：R ∞与K /S 成反比，K 减小，S 增大，白度和亮度均增大.在生产中，具有实际意义的是二氧化钛中的杂质含量和粒径与粒径分布，增强分散性，提高S .二氧化钛对光的吸收非常小，因此消色力的大小主要取决于其对可见光的散射能力，它仅是散射系数S 的函数.影响S 的主要因素是粒子的大小、形状、结构和粒度分布，白色颜料的消色力随粒度的减小和粒径的均匀性的增加而增大.2.4陈化时间对产品颜料性能的影响在60℃，pH=8.5时，加入3.0%的NaAlO 2（以Al 2O 3计），以20%H 2SO 4维持pH 值，分别在40，70，100，120，180和240min 时取样，分析产品的颜料性能.从表中可看出，陈化时间对氧化铝的沉积量没有明显影响，氧化铝基本上能够全部沉积在二氧化钛上.随着陈化时间的增长，产品的白度逐渐增加，说明沉积时间越长，氧化铝膜生长越完整，成膜越均匀致密，有助于提高产品在使用中的分散性能及展现良好的颜料性能.随着陈化时间的延长，氧化铝膜生长趋于均匀致密，消色力逐渐提高.3结论本文通过对氧化铝包覆金红石型二氧化钛表面处理的实验研究，分析了反应条件对产品颜料性能的具体影响，并对包覆过程进行了探讨，得到如下结论：1）温度影响溶液中Al 3+的水解速率，从而影响溶质的成核与生长速率，温度过高或过低斗不利于氧化铝在二氧化钛表面均匀生长.2）氧化铝有多种形态，pH 是其生成形态的关键因素，在pH=4.0左右时，生成无定形氧化铝；pH=8~9时，生成的氧化铝为勃姆石和假勃姆石型；pH=10左右时，生成三水铝石.其中，由于勃姆石和假勃姆石型氧化铝在二氧化钛表面呈细棒状结构，有利于在应用体系中的分散，故包覆时适宜的pH 值为8~9之间，以提高产品的颜料性能.3）随着氧化铝包覆量的增加，光泽度与白度有所提高，消色力和油相白度呈现波动，综合几方面因素考虑，适宜的包覆量为3%.陈化时间的增加可使氧化铝膜生长更加完整均匀，有利于提高产品的分散性、白度及消色力.参考文献：[1]唐振宁.钛白粉的生产与环境治理[M].北京：化学工业出版社.2000：15.TANG Zhen-ning.Production and environment treatment of titanium pigment[M].Beijing ：Chemical Industry Press ，2000：15.表4陈化时间对氧化铝包覆影响的试验结果Tab.4Effect of aging time on alumina coating rutile沉积时间/min 沉积量1）/%NaAlO 2加入量2）（以Al 2O 3计）/%白度消色力/%L *值/%a*b*Wh 40701001201802402.9642.9712.9762.9852.9942.9963.03.03.03.03.03.098.6298.7198.7898.6898.7098.79-0.44-0.57-0.62-0.44-0.74-0.72 1.591.481.611.451.461.4797.5997.7197.7097.7497.7497.75949699102105103注：1）表中样品的沉积量已减去初品中0.127%的Al 2O 3；2）“NaAlO 2加入量”是试验设计的包膜量.图9不同Al 2O 3含量产品的SEM (a 1%;b 2%;c 3%;d 4%;e 5%;f6%)Fig.9SEM images of rutile coated by different quantity of alumina(a1%;b 2%;c 3%;d 4%;e 5%;f6%)102[2]李坤，刘恒，余艳丽，等.ZrO2和Al2O3在金红石型TiO2表面的包覆研究[J].化学研究与应用，2007，19（11）：1250-1254.LI Kun，LIU Heng，YU Yan-li，et al.Study on rutile TiO2particles of surface coated with ZrO2and Al2O3[J].Chemical Research and Application，2007，19（11）：1250-1254.[3]覃操，王亭杰，金涌.液相沉积法制备TiO2颗粒表面包覆SiO2纳米膜[J].物理化学学报，2002，18（10）：884-889.TAN Cao，WANG Ting-jie，JIN Yong.The coating process of nano-scale hydrous silica film on TiO2particles by chemical deposition in aqueous solution[J].Acta Physico-Chimica Sinica，2002，18（10）：884-889.[4]Misev T A，R van der Linde.Powder coating technology：newdevelopments at the turn of the century[J].Progress in Organic Coatings，1998，34：160-168.[5]李化全.二氧化钛的消色力[J].现代涂料与涂装，2004，6：40-42.LI Hua-quan.Reducing power of titanium 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[9]邓捷，吴立峰.钛白粉应用手册（修订版）[M].北京：化学工业出版社，2004：31.DENG Jie，WU Li-feng.Application manual of titanium pigment[M].Beijing：Chemical Industry Press，2004：31.Effect of rutile dioxide coated by alumina on pigment propertiesand growth mechanism of coating layerLI Jie1，2，WANG Yong2，WANG Li-na2，SUN Ti-chang1，QI Tao2（1.School of Civil and Environmental Engineering,University of Science and Technology Beijing,Beijing100083,China;2.Key Laboratory of Green Process and Engineering,Institute of Process Engineering,Chinese Academy of Sciences,Beijing100190,China）Abstract：Effect of temperature,pH value,coating quantity and aging time were studied on rutile surface coating with alumina.The coating process and mechanism were also investigated.The results show that temperature can affect the nucleation and growth rate.The pattern of alumina was determined by pH value.When the reaction was conducted at pH=8~9,the alumina presents boehmite,which can improve the dispersity of the pigments.Lustrousness and whiteness were gotten better with increasing of coating quantity.In addition,aging time can help to the alumina film growth and show a good performance of pigment property.Key words：surface coating,rutile,alumina,pigment propertyBiography：LI Jie,female,born in1981,Dr.mineral and environmental engineering.103。
增材用铝粉表面的包覆改性研究
[ ＫＥＹＷＯＲＤＳ] ｃｏａｔｉｎｇꎻ ｍｏｎｏｍｅｒ ｐｏｌｙｍｅｒｉｚａｔｉｏｎꎻ ｄｉｓｐｅｒｓｉｏｎꎻ ｐｈｏｔｏｃｕｒａｂｌｅ ｒｅｓｉｎ
铝粉是固体推进剂中的主要成分ꎬ铝粉密度较
引言
高ꎬ与光固化树脂混合后容易发生沉降ꎮ 因此ꎬ光固
化增材制造技术用于打印推进剂需要解决铝粉在药
ｄｏｉ:１０. ３９６９ / ｊ. ｉｓｓｎ. １００１￣８３５２. ２０２０. ０１. ００３
增材用铝粉表面的包覆改性研究
❋
王树涛 庄怡文 霸书红 陈永进
沈阳理工大学( 辽宁沈阳ꎬ１１０１５９ )
[ 摘 要] 为减少铝粉在光固化树脂中的沉降ꎬ使其适用于光固化增材制造ꎬ使用不同表面活性剂对铝粉进行预
处理ꎬ增强铝粉表面对有机物的亲和性ꎻ利用乳液聚合法使单体聚合在铝粉表面形成一层有机物薄膜ꎬ研究几种单
体对铝粉包覆性能的影响ꎬ利用可见光分光光度计、傅里叶红外光谱仪表征其包覆性能ꎮ 结果表明:使用十二烷基
硫酸钠( Ｋ１２) 预处理的铝粉在光固化树脂中分散性最好ꎬ透光率为 １１％ ꎬ分散 １ ｈ 后透光率变化不大ꎻ使用苯乙烯
盖且均匀铺展在纳米铝粉表面ꎻ张凯等 [１３] 以苯乙烯
为单体ꎬ利用超声波的活化和引发作用ꎬ引发苯乙烯
在铝粉表面形成包覆层ꎻ王敏等 [１４] 以丙烯酸( ＡＡ) 、
苯 乙烯( Ｓｔ) 、三羟甲基丙烷、三甲基丙烯酸酯为单
ＷＡＮＧ Ｓｈｕｔａｏꎬ ＺＨＵＡＮＧ Ｙｉｗｅｎꎬ ＢＡ Ｓｈｕｈｏｎｇꎬ ＣＨＥＮ Ｙｏｎｇｊｉｎ
[ ＡＢＳＴＲＡＣＴ]
Ｓｈｅｎｙａｎｇ Ｌｉｇｏｎｇ Ｕｎｉｖｅｒｓｉｔｙ ( Ｌｉａｏｎｉｎｇ Ｓｈｅｎｙａｎｇꎬ １１０１５９)
Ｉｎ ｏｒｄｅｒ ｔｏ ｒｅｄｕｃｅ ｔｈｅ ｄｅｐｏｓｉｔｉｏｎ ｏｆ ａｌｕｍｉｎｕｍ ｉｎ ｔｈｅ ｌｉｇｈｔ￣ｃｕｒｅｄ ｒｅｓｉｎ ｔｏ ｍａｋｅ ｉｔ ａｐｐｌｉｃａｂｌｅ ｉｎ ｍａｎｕｆａｃ￣
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云南冶金 YUNNA N M ETALLU RGY
O ct. 2010 V ol 39. N o 5 ( Sum224 )
提高颜料铝粉表面 S iO2包覆率的研究
高首磊, 胡 亮, 蔡晓兰
( 昆明理工大学, 云南 昆明 650093)
O ct. 2010 V ol 39. N o 5 ( Sum224 )
图 3 析氢实验装置图 F ig 3 Exper mi enta l configurations diag ram of
hydrogen evo lution
根据图 4的氢气产生量数据结果可知, 真பைடு நூலகம்加热条 件下干燥所得最终样品 2的包覆效果要优于自然干 燥的最终样品 1。可见, 包覆效果提高。 3 2 XPS分析
3) 与氨水分离法相比, 由于省去沉淀分离杂
质步骤, 使该法具有快速简单、节能环保的特点, 且精密度和准确度高, 测定结果能满足铜精矿中铁 的测定, 值得推广使用。
参考文献:
[ 1] 北京矿冶研究总院测试研究所. 有色金属分 析手册 [M ]. 北 京: 冶金工业出版社, 2004.
[ 2] G B /T 1819 3-2004, 锡精矿化学分析方法 [ S ] . [ 3] G B /T 3881- 2000, 铜精矿化学分析方法 [ S] .
摘 要: 采用正硅酸乙酯 ( TEO S) 水解缩聚反应在颜料铝粉 表面包覆一层 S iO2 薄膜。分析 了这种包覆方法 的成膜机理, 膜层和基体之间的结合方式。对现存包覆工艺进行一些改进, 并对实验结果进行 析氢分析、 XPS分 析, 以达到提高颜料铝粉的包覆率的目的。
关键词: 成膜机理; S iO2 包覆; 表面预处理; 真空干燥 中图分类号: 146 21 文献标识码: A 文章编号: 1006- 0308 ( 2010) 05- 0054- 04
有: 反应时间、反应温度、铝硅比、水硅比、催化 剂、加料方式等 等 [ 3] 。本 文从原料 铝粉预处 理及 包覆铝粉干燥条件入手, 通过改进实验, 达到提高 铝粉的包覆率的目的。
1 包覆层与基体结合方式的机理分析
1 1 化学键结合机理 TEOS的水解缩聚过程比较复杂, 目前大多数
学者认为该过程 可以分为水解、缩合、聚合 3 个 步骤 [ 4、5] 。
云南冶金 YUNNA N M ETALLU RGY
O ct. 2010 V ol 39. N o 5 ( Sum224 )
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2010 年 10月 第 39 卷第 5 期 ( 总第 224 期 )
云南冶金 YUNNA N M ETALLU RGY
∀ 向三口烧瓶中同时逐滴滴加一定量的水、氨水、 无水乙醇混 合液 ( 记为 A ) 和正硅酸乙酯、无水 乙醇的混合液 ( 记为 B ) 并不断搅拌; # 反应一 段时间后, 抽滤样品并洗涤、干燥, 得到包覆的铝 粉; ∃检测包覆样品。 2 3 颜料铝粉预处理与否对比实验
( 上接第 57页 )
39: 1469- 1477. [ 6] E. E. Foad E1 一 Sherb in ,i S. M. A bd! E1 一 W ah ab, M.
A. D eyab. S tud ies on corrosion inh ib ition of a lum inum in 1 0 MHC l and 1 0 M H2 SO4 solu tions by ethoxylated fattyacids [ J] . M aterials Chem ist ry and Physics, 2003, 82: 631- 637. [ 7] S ayed S. A bd E 1 R eh im, H am dy H. H assan, M oh amm ed A. Am in. Corros ion inh ib itionof alum inum by 1, 1 ( 1 auryl arn ido)
由表 11 可 知, 样 品加 标回 收率 在 96 4% ~ 103 5% 之间, 满足测定要求, 此方法可行。
4结 语
1) 本法用硫磷混酸分解, 硫酸亚钛还原, 二 苯胺磺酸钠为指示剂, 用重铬酸钾标准溶液滴定。
2) 试验证明: 在整个操作过程中, 避免引入 氯离子, 还原时逐滴缓慢加入硫酸亚钛溶液, 可允 许大量铜离子存在。
分别对实验 2 3两种包覆样品 a、 b进行 XPS 图谱分析, 两种包覆铝粉的 XPS分析图谱如图 5、 图 7。
56
高首磊, 等 提高颜料铝粉表面 S iO2 包覆率的研究
从图 6可以看出, 样品表面没有出现 A l的峰, 说明铝粉完全被包覆。图 7中出现了 A l的峰, 说 明铝粉没有被完全包覆。对比得出, 采取表面预处 理后再进行包覆可以提高铝粉的表面包覆率。 3 3 结果讨论
56 80
60
115 10
71 68
70
141 55
71 68
80
153 68
71 68
90
160 68
回收铁量 /m g 10 10 20 70 29 50 39 70 48 20 58 30 69 87 82 00 89 00
回收率 /% 101 0 103 5 98 3 99 3 96 4 97 2 99 8 102 5 98 9
S tudy on H ow to Improve the S iO2 C ladd ing R ate of A lum inum P igm en t Powder
GAO Shou- le i, HU L iang, CA I X iao- lan ( Kunm ing Un ivesity o f Sc ience and T echno logy, Kunm ing, Yunnan 650093, Ch ina) )
[ 5] B. M iiller. A rom at ic 2- H ydroxy- Ox im es as C orrosion Inh ib itors for A lum inum and Z incP igm en ts [ J] . C orrosion S cien ce, 1998,
( 下转第 65页 ) 57
水解过程: S i( O C2H 5 ) 4 + 4H2 O = S i( OH ) 4 + 4C2H 5OH 缩合过程:
收稿日期: 2009-12-11 作者简介: 高首磊 ( 1984- ) , 男, 河南新乡人, 硕士研究生。
54
2010 年 10月 第 39 卷第 5 期 ( 总第 224 期 )
ABSTRACT: For the hyd rolysis and polycondensation reaction ofTEOS, A lum inum p igm ent powd er can be cladded by S iO2. The m ech an ism of th e cladd ing m ethod and com b ined stru cture b etw een film and matrix w ere analyzed. In order to increase th e cladd ing rate of alum in ium p igm en t pow der, the existing cladd ing technology h as been im proved, th e an alysis ofhydrogen evo lution and X - ray photoelectron spectroscopy of experim en tal results w ere d iscussed too.
3 结果与讨论
3 1 析氢实验结果与讨论 分别取实验样品 a、 b, 实验样品 1、 2 各 0 5
g分别加入 0 1 m ol /L 的盐酸 100 mL 进行反应, 析 氢实验装置如图 3, 析氢结果如图 4、图 5。
从图 4可以看出, 预处理后再进行包覆样品 a 析出氢气 30 m L, 而未处理包覆铝粉 b析出氢气大 约 50 mL, 样品 a明显减少了酸蚀试验的析氢量, 说明铝粉的包覆率有明显的提高。
4结 语
1) 采用铝粉表面丙酮预处理去除表面助剂膜 层的方法可以提高铝粉包覆率;
2) 包覆试验中, 抽滤所得样品采取真空加热 干燥法可以提高包覆率。
参考文献:
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[ 2] 姜 炜, 吴 垠, 李 凤 生, 等. 铝 粉 颜料 的改 性 研究 [ J ]. 纳米科技, 2007, 7 ( 3) : 62- 65.
KEY W ORDS: film form ing m echan ism; cladd ed by S iO2; su rface pretreatm en ;t vacuum drying
随着人们环保意识的不断提高和环保法规的日 益完善, 水性涂料将成为 21世纪世界涂料市场的 主导。由于普通铝粉颜料能和水发生反应, 生成氧 化铝和氢氧化铝并释 放氢气 [ 1] 。这 些反应会导致
铝粉表面发暗而影响漆膜外观, 而且氢气的产生会 导致容器的压力增大而 胀桶 , 进而引发安全事 故 [ 2] 。并且铝粉 裸露在空气中极易 被氧化腐蚀和
酸碱腐蚀。因此, 铝粉的表面改性具有重大意义。 铝粉表面采取 S iO2 包覆是当今比较流行的颜
料铝粉的表面改性方法, 应用正硅酸乙酯 ( TEOS) 在一定温度和催化剂条件下的水解 ! ! ! 缩聚反应在 颜料铝粉表面包覆一层 S iO2 薄膜。这种包覆方法 在试验过程中需要控制并已取得较 大进展的条件
将一定量的颜料铝粉置于烧杯, 加入适量丙酮 进行搅拌去除铝粉表面助剂层, 再用大量无水乙醇 清洗, 然后进行包覆试验。再将采用丙酮清洗法预 处理的包覆铝粉 a和未预处理直接包覆铝粉 b进行 检测对比。 2 4 样品的干燥条件对比实验