纳米分散体作为功能性添加剂是提高水性涂料性能的一种有趣的选择。本文阐述了特殊处理的氧化锌纳米颗粒分散体Oxylink™可以提高水性涂料的耐化学性。
简介
与溶剂型替代品相比，环保型水性涂料的整体市场份额仍然相对较小。然而，水性涂料作为一种减少VOC排放从而降低成本的技术变得越来越重要。监管机构在全球范围内推动水性涂料获得更高的市场份额。今天，它们用于广泛的细分市场，如木材和家具，但也用于非木材基材，如用于工业维护涂料的金属和塑料，用于机器和设备的涂料，以及金属罐一个仍然限制水性涂料在各种应用中的使用的障碍是水性涂料有时较差的耐溶剂性和耐湿度性。为了克服这些缺点，可以使用不同的添加剂，主要是硅酮或石蜡。然而，这些添加剂并不是普遍适用的，只能在特定的配方中使用。此外，当涂层部件必须过度涂层或翻新时，它们可能会引起问题。在本文中，我们提出了一种基于氧化锌纳米颗粒分散体的替代添加剂技术，称为Oxylink，它增加了水性涂料的耐化学性，如抗溶剂的耐久性，从而使水性涂料得到更广泛的应用。
众所周知，分散质量严重影响无机纳米颗粒的功能和性能分散纳米颗粒甚至比分散其他颜料更有趣，因为所得到的组合物在光学和催化性能方面是微观均匀的组合物。由于分散纳米颗粒是提供高效ZnO纳米颗粒添加剂的使能技术，因此我们从分散技术开始讨论。
分散的技术
纳米粉末具有高达数百m²/ml的高比表面积(图1)。分散纳米粉末在配方中产生新的界面，并且颗粒-基质界面需要化学稳定。合适的稳定机制是众所周知的如果在含水介质中可以相应地调节pH值，胶体就可以电稳定。该机制快速有效。然而，许多现实世界的产品不提供这种自由度，因此，如果涉及到稳定复杂配方中的颗粒，则额外使用空间和电空间稳定机制。
化学表面改性
纳米粒子的化学可以比作分子化学，而不是微米级粒子的行为无机氧化物的表面主要由oh -官能团组成。使用分子双功能添加剂，这些基团可以发生化学反应(图2)。合适试剂的例子包括各种化学物质，如:硅烷、硼烷、羧酸(二、三)、胺、b-二酮和其他螯合剂。分子添加剂的第二个功能是通过引入诸如胺、C=C双键、醇或环氧基团等基团来稳定产品中的颗粒以及增加化学反应性。正确选择表面改性剂是实现各自应用的关键。表面改性剂影响颗粒的等电点、极性和反应性，以及分散体的固含量和粘度。
Chemomechanical过程
分散纳米粉末需要一个去团聚的步骤。化学机械加工是指在明确的机械条件下进行表面改性反应。我们发现使用搅拌器磨珠机有利于工艺的去团聚部分(图3)。由于许多参数影响搅拌器磨珠机的选择，没有一个标准的设备可以在所有情况下使用。例如，产品粘度，温度敏感产品的冷却选项，研磨室(定子)和转子材料的可用性(例如，陶瓷如ZrO2, Al2O3或SiC;聚合物如PU, PA或PFA;钢)，产品对污染的敏感性，化学侵蚀性产品，珠粒大小，因此研磨介质分离以及流速需要考虑设备的最佳选择。当制造粒径低于100 nm的分散体时，通常使用再循环模式，因为需要相当高的能量输入到产品中。在无机氧化物的情况下，即使只是松散结块，克服粒子间相互作用(如范德华)的特定能量需求通常在1至10千瓦时/千克产品的范围内，更不用说聚集的颗粒或真正的研磨材料。
Oxylink技术
氧链是一种以分散在水中的纳米氧化锌为基础，化学机械合成的添加剂。如前一节所述，该工艺的特定参数产生了基于zno的添加剂配方。Oxylink的粘度较低，固体含量约为40%。研究了氧链对不同水性分散涂料耐化学性的影响。一般来说，在温和搅拌的情况下，将1%(固体对固体)的添加剂引入到建议的涂层配方中。所得配方稳定，无沉淀现象。
使用涂层刀将涂层拉到玻璃基板上，以获得约100毫米(约4密耳)的湿膜厚度。载玻片在70ºC下干燥。为确保良好的分散程度，每个涂层系统的云度都进行了直观评估。本研究只包括无雾霾或低雾霾的涂料。
采用MEK双摩擦试验研究了薄膜的耐化学性。我们进行摩擦测试，直到胶片不断被破坏。在另一项评估中，一些涂层在水蒸气中浸泡48小时，并进行目视检查。
我们研究了丙烯酸涂层在固体中以1,2,3%固形物为阶数的Oxylink浓度对耐溶剂性的影响(LS 1032, Revertex，见图4)。我们发现，仅1%的浓度就可以有效地将MEK双摩擦的耐溶剂性提高约3倍。更高的添加剂浓度导致更高的抗性，然而，相关性不是线性的。
传统上，基于硅酮或石蜡/聚烯烃蜡的添加剂被用于提高水性涂料的耐化学性。因此，我们配制了含蜡添加剂的水性涂料体系进行比较。
作者得出结论，Oxylink比传统的有机添加剂(如蜡分散体)更广泛地适用于提高耐化学性。
在饱和湿度条件下，蜡和无机纳米颗粒的分散均不能阻止雾霾的增加。然而，Oxylink的配方显示出完全可逆的雾霾效应，涂层在干燥后再次完全透明。这一观察结果与含有聚烯烃蜡添加剂的涂层形成了鲜明对比，后者受到水蒸气的不可逆影响。
作者假设无机添加剂的作用是由于纳米粒子催化交联效应。尽管分散体通常只是物理干燥，但添加剂似乎至少会导致部分化学交联。研究表明，低比例的纳米氧化锌也可以改善机械性能，如耐干刮和耐湿刮性能。据推测，氧化锌催化了固化过程，并导致聚合物结构的网络更密集。因此，氧化锌以纳米级形式使用不仅是出于光学原因(减少透明涂层中的雾霾)，而且还因为它提供了非常高的表面积。
前景
我们发现，特定的工艺参数对纳米氧化锌作为水性涂料添加剂的性能有很大的影响。显然，更好的分散程度产生更好的透明度(更低的雾霾)。更令人惊讶的是，我们还发现工艺参数对耐化学性的效率有很强的影响。这一发现强调了分散技术的高度重要性。我们将利用化学机械处理可获得的大参数空间，在Oxylink平台内进一步优化纳米级ZnO的性能。总结
我们提出了一种基于氧化锌纳米颗粒分散体的添加剂技术，称为Oxylink，可增加水性涂料的耐化学性。我们强调分散质量对整体性能的重要性，并使用化学机械工艺从团聚的纳米粉末生产氧链环。我们研究了所得到的添加剂配方在水性丙烯酸体系中的性能，发现它高效且广泛适用，特别是与蜡添加剂相比。本文在由南密西西比大学聚合物与高性能材料学院和南方涂料技术学会主办的水性研讨会上发表，2009，新奥尔良，洛杉矶。
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