鋁粉顏料改進(jìn)性研究
 摘要：主要研究了采用偶聯(lián)劑為改性劑處理鋁粉顏料，以滿足其在水性涂料中穩(wěn)定性的要求。選用4種不同的偶聯(lián)劑改性處理，通過(guò)比較改性后樣品在水溶液中的分散性得出，r一APS硅烷偶聯(lián)劑CG-550為較好的改性劑，且當(dāng)偶聯(lián)劑：水：乙醇質(zhì)量比為1：2：30時(shí)，zeta電位值最大，處理過(guò)的鋁粉顏料在水溶液中的分散性最好。通過(guò)EDS能譜研究了反應(yīng)機(jī)理，可知硅烷偶聯(lián)劑在鋁粉顆粒表面發(fā)生縮聚反應(yīng)，在鋁粉顏料表面形成膜層，提高了鋁粉顏料的耐腐蝕性。
    關(guān)鍵詞：鋁粉顏料；改性；硅烷偶聯(lián)劑；水性涂料
    0引言
    鋁粉顏料是一種重要的金屬顏料，由于其具有金屬閃光效果和隨角異色性，在汽車(chē)涂料中被廣泛使用?，F(xiàn)在汽車(chē)涂料正向著綠色、環(huán)保方面發(fā)展，而采用水性涂料代替?zhèn)鹘y(tǒng)的有機(jī)涂料?是有效途徑之一。
    水性涂料是以水作為溶劑或分散介質(zhì)，且漿料大多呈弱堿性，所以，水性涂料使用的顏料與溶劑型涂料用的顏料有不同的要求。水性涂料用顏料，首先必須能有效地分散在水中，即顏料應(yīng)該是表面親水的，其次必須在水介質(zhì)中保持較高的化學(xué)穩(wěn)定性。
    在水性金屬涂料中，最重要的問(wèn)題是鋁粉顏料在堿性水溶性介質(zhì)中會(huì)反應(yīng)生成氫氣，其反應(yīng)
    方程如下：
    2Al+6H20—+2Al(OH)3+3H2(1)
    氫氣在反應(yīng)中溢出會(huì)導(dǎo)致涂料容器中的壓力增加造成危險(xiǎn)，這種反應(yīng)被稱(chēng)為“漲聽(tīng)效應(yīng)”。因此，抑制反應(yīng)的發(fā)生非常必要。這就需要對(duì)鋁粉顏料進(jìn)行表面改性處理，常用方法都是基于以下兩種基本原理：一種是添加劑技術(shù)，即在鋁顏料顆粒的表面上以物理方法混合添加劑，在鋁片外層形成一個(gè)保護(hù)層，如在鋁粉涂料中加入磷酸、鉬酸等鈍化鋁粉表面，最終阻止鋁和水發(fā)生反應(yīng)；另一一種是在顏料粒子表面上沉積或包覆單分子或多分子層的物質(zhì)，包括無(wú)機(jī)氧化物或高分子聚合物，以增加粒子表面極性，使之與水溶液相容性提高，從而減少粒子聚集，提高潤(rùn)濕性、分散性、均勻性等性能。
    本文采用三種偶聯(lián)劑對(duì)鋁粉顏料進(jìn)行表面改性處理。偶聯(lián)劑是一種重要的、應(yīng)用領(lǐng)域日漸廣泛的處理劑。偶聯(lián)劑一般具有兩性基團(tuán)，其中一個(gè)是親無(wú)機(jī)物的基團(tuán)，易于與鋁粉顆粒表面羥基起化學(xué)反應(yīng)，形成強(qiáng)有力的化學(xué)鍵，能夠改變鋁粉顆粒的表面性能，提高其與水溶液的相容性，同時(shí)提高其耐腐蝕性。但不同種類(lèi)的偶聯(lián)劑帶有不同的基團(tuán)，與鋁粉顆粒表面發(fā)生的化學(xué)反應(yīng)也各有不同。
    1實(shí)驗(yàn)部分
    1．1試劑及儀器
    試劑：（1）r-氨丙基硅烷(r-APS)辰工有機(jī)硅CG-550、（2）r-氨丙基甲基二乙氧基硅烷(SG—Si902)辰工有機(jī)硅CG-902、鈦酸酯偶聯(lián)劑(NDZ一3l1)均生產(chǎn)的分析純?cè)噭?、無(wú)水乙醇為的分析純?cè)噭X鋯偶聯(lián)劑(M一1)和片狀閃光鋁粉顏料(平均粒徑為40m)為自制。檢測(cè)用儀器有：微米級(jí)激光粒度測(cè)試儀(MALVERNINSTRUMENTS2000)、掃描電子顯微鏡(OXFORDInstrumentJEM一2000CX型)。
    1．2實(shí)驗(yàn)過(guò)程
    樣品制備過(guò)程：取定量鋁粉顏料加入丙酮洗滌，脫除表面殘留有機(jī)溶劑，過(guò)濾，常溫烘干。偶聯(lián)劑試劑、水和乙醇按一定質(zhì)量比配置成溶液，靜置水解5min，加入2g鋁粉顏料，20~C下攪拌反應(yīng)30min．然后用乙醇洗滌，過(guò)濾，100~C烘干即得改性處理的鋁粉顏料。
    2結(jié)果與討論
    2．1不同偶聯(lián)劑對(duì)實(shí)驗(yàn)結(jié)果的影響
    選用不同的偶聯(lián)劑改性處理鋁粉顏料，實(shí)驗(yàn)結(jié)果見(jiàn)表1。

                                                 表一
    從表1可以看出，經(jīng)鋁鋯偶聯(lián)劑和r—APS硅烷偶聯(lián)劑的改性后，樣品都親水、耐高溫，色澤不變化。r—APS硅烷偶聯(lián)劑為常見(jiàn)的偶聯(lián)劑，易于購(gòu)買(mǎi)且價(jià)格相對(duì)便宜，所以本實(shí)驗(yàn)采用—APS硅烷偶聯(lián)劑作為鋁粉顏料的親水性改性劑。
2．2 r-APS硅烷偶聯(lián)劑用量的影響
　　鋁粉顏料是一種超微粉體，所有粉體顆粒在液體介質(zhì)中都帶有電荷。顆粒在液體介質(zhì)中的表面帶電情況，直接影響顆粒在液體介質(zhì)中的分散行為．所以研究鋁粉顏料在水分散體系中的分散穩(wěn)定性可以通過(guò)zeta電位評(píng)判。
　　實(shí)驗(yàn)選用含不同量一APS硅烷偶聯(lián)劑的醇水混合溶液對(duì)鋁粉顏料進(jìn)行改性處理。從硅烷溶液的含量與zeta電位的關(guān)系及樣品溶于水中實(shí)驗(yàn)現(xiàn)象來(lái)研究最佳改性處理的硅烷偶聯(lián)劑用量。結(jié)果如表2所示。其他條件為：常溫，pH=8，樣品過(guò)濾烘干。

                                          表二
　　硅烷偶聯(lián)劑的處理對(duì)鋁粉顏料的影響可從表2可以看出，未經(jīng)處理的鋁粉顏料表面吸附硬脂酸，所以不溶于水，全部漂浮在水面，這是因?yàn)殇X粉表面吸附硬脂酸，表面親油，所以都漂浮在水面，無(wú)法測(cè)定zeta電位；當(dāng)硅烷偶聯(lián)劑含量較少時(shí)，不能全部改性處理片狀閃光鋁粉顏料表面的親油性，所以鋁粉顏料部分漂浮于水面，當(dāng)偶聯(lián)劑用量過(guò)多時(shí)，樣品表面容易形成多層偶聯(lián)劑縮聚，使得多個(gè)鋁粉顆粒在高溫處理后發(fā)生交聯(lián)而團(tuán)聚在一起，發(fā)生結(jié)塊現(xiàn)象。由此可見(jiàn)，當(dāng)吸附量適中即硅烷偶聯(lián)劑：水：乙醇質(zhì)量比為1：2：30時(shí)制備的鋁粉顏料，zeta電位值增加到最大，估計(jì)這是由于鋁粉顏料表面包覆完全，使得吸附氫離子量達(dá)到最大，顆粒間的靜電排斥作用達(dá)到最大；同時(shí)由于硅烷偶聯(lián)劑發(fā)生縮聚反應(yīng)形成低聚物，會(huì)形成定的立體屏障，有利于降低顆粒問(wèn)相互作用，使得鋁粉顏料在水溶液中分散穩(wěn)定，鋁粉顏料表面有一層其他物質(zhì)，大部分鋁粉顏料表面規(guī)整、光滑，且邊緣有一定厚度。
　　2．3 機(jī)理分析
　　2．3．1 反應(yīng)機(jī)理分析
　　關(guān)于硅烷偶聯(lián)劑在無(wú)機(jī)物表面行為的理論主要有化學(xué)結(jié)合理論、物理吸附理論、氫鍵形成理論、可逆平衡理論等[71。Arkiesl81提出的理論模式被認(rèn)為是最接近實(shí)際的一種理論，硅烷偶聯(lián)劑按這機(jī)理在無(wú)機(jī)物表面上的反應(yīng)過(guò)程為：硅烷偶聯(lián)劑首先接觸空氣中的水分而發(fā)生水解反應(yīng)，進(jìn)而發(fā)生脫水反應(yīng)形成低聚物，這種低聚物與無(wú)機(jī)物表面的羥基形成氫鍵，通過(guò)加熱干燥，發(fā)生脫水反應(yīng)形成部分共價(jià)鍵，最終結(jié)果是無(wú)機(jī)物表面被硅烷偶聯(lián)劑覆蓋。
　　從上述作用機(jī)理還可以看出，硅烷偶聯(lián)劑可以和表面有羥基的鋁粉顏料結(jié)合，在鋁粉顆粒表面發(fā)生縮聚反應(yīng)，通過(guò)烘干加熱處理，最終鋁粉顆粒表面被硅烷偶聯(lián)劑覆蓋。其反應(yīng)方程式如下：