要回答这个问题，研究在涂料应用中使用纳米颗粒的尝试的演变是有指导意义的。在某些情况下，产品是由纳米技术公司推向市场的，这些公司虽然可能是纳米材料合成和操纵方面的专家，但在涂料行业几乎没有技术、营销或销售专长。在其他情况下，大型知名化学添加剂公司在涂料领域拥有强大的现有实力，但对纳米材料知之甚少，它们试图发明或购买纳米技术，并通过现有渠道迅速将其推向市场。这两种方法在商业上都没有特别成功;许多小型纳米技术公司已经消失了，至少有一家大型特种化学品公司已经完全退出了纳米添加剂业务。
作者已经确定了他们认为的纳米技术在涂料行业成功的技术和商业应用的主要障碍，并已经组装了一个模型，该模型已被证明成功地指导了使用纳米技术解决方案开发商业涂料产品，以解决长期存在的、未解决的挑战。虽然该模型是通用的，但目前的例子将从透明uv固化涂层系统的划伤保护领域选择，展示了基于纳米氧化铝的添加剂可能的性能改进，以及同时考虑性能、成本和透明度的框架。
讨论
 |
| 图1点击放大 |
成功的三步模型
由于表面积非常大，纳米金属氧化物分散体(如氧化铝)的稳定具有挑战性，通常需要专门的化学和工艺技术。如果纳米颗粒没有(或不能)分散到它们的主要颗粒大小，除非涂层的折射率与颗粒的折射率完全匹配，否则涂料中的透明度将无法实现。正因为如此，大多数纳米金属氧化物的使用者，即使是那些对颜料分散体有经验的人，在尝试使用粉末形式的纳米材料时，也无法达到预期的结果。不完全或不适当的分散将导致高粘度，快速重力沉降和大颗粒团聚。
除了有一个稳定的分散的主要颗粒开始，这也是必要的分散与涂料配方兼容，它打算纳入。由于涂料成分的种类繁多(树脂、添加剂、颜料等)，以及通常存在的变量的数量(树脂化学性质、偿付能力、pH值、固体载荷等)，纳米颗粒添加剂的有效使用并不是“一绝”的情况，试图用有限的配方工具销售纳米颗粒分散体的公司很可能不会成功。在这里要考虑的例子中，未能实现与目标uv固化配方的兼容性将导致不透明(雾霾)和较差的划痕保护。这主要是由于这个原因，纳米材料添加剂公司只是“把样品扔到墙外”，而没有办法确保与客户配方的兼容性，在大多数情况下，会让他们的客户失望。
最后，考虑到初级颗粒的稳定分散是可用的，并且可以实现与目标涂料配方的兼容性，有必要(只有在那时)经验地确定纳米颗粒类型、尺寸、负载水平和表面处理对涂料性能的影响，以确定平衡系统性能、成本和透明度的最佳解决方案。这种优化的解决方案可能因配方而异，因此，如果要实现成功，对纳米材料特性以及最终用途应用的了解是至关重要的。
氧化铝纳米颗粒
众所周知，在预先完成的强化地板等应用中加入微米级氧化铝(砂砾)可大大提高划痕和耐磨性。氧化铝颗粒的极端硬度转化为有效的耐磨性时，纳入这样的涂层;然而，其使用仅限于可容忍颗粒负载引起的高雾霾的基材，或在树脂粘合剂折射率足够高以掩盖氧化铝存在的系统中(例如，三聚氰胺甲醛)。为了允许在透明面漆中使用氧化铝颗粒，同时保持高水平的透明度和光泽，有必要将颗粒尺寸减小到纳米尺寸范围。
用Mie理论描述亚微米级粒子分散到涂层基体等流体介质中的光散射行为，关系式为式1，其中is为散射光强度，N =粒子数，d =粒子大小，∆η =流体介质与粒子的折射率差。
Is = (N)(d6)(∆η)2 (1)
由于氧化铝的折射率(1.72)大大高于紫外线固化的涂层树脂，无论是颗粒的数量还是颗粒的大小，都必须最小化，以减少光散射的量(这对眼睛来说是雾霾)。在这两个参数中，粒径对光散射程度和产生雾霾的影响更强;作者发现，在uv固化涂料中，为了保持高水平的透明度，需要平均粒径< 50 nm的氧化铝。
利用等离子弧物理蒸汽合成(PVS)是制备纳米级氧化铝颗粒的一种方法。通过该工艺制备的氧化铝的透射电镜(TEM)如图1所示。该工艺制备的氧化铝晶相为γ/δ相，初生颗粒呈球形形貌。等离子体过程的一个独特之处在于，每个结晶氧化铝球形成为一个离散的实体，没有任何持久的粒子-粒子上层结构，如果存在，可以防止完全分散到初级粒子。
 |
| 图2点击放大 |
物理蒸汽过程产生了离散氧化铝初级颗粒的对数正态分布，如图2所示的粒径分布所示，这是使用CPS圆盘离心机粒度仪获得的。该图显示了两种不同等离子体工艺制备的氧化铝颗粒的相对尺寸分布。等离子体条件的变化允许控制平均粒径以及粒径分布。
颗粒分散和配方相容性
虽然生产适用于透明uv固化涂料的氧化铝产品的第一步是合成没有显着二级结构的离散纳米颗粒，但第二步是将这些颗粒从粉末状态分散，在那里它们被静电力弱关联，变成适合于涂料应用的格式。创建稳定的纳米材料分散体可能是一个重大挑战，因为这种尺寸的初级颗粒由于非常高的表面积在流体中有强烈的结合和絮凝倾向。人们已经发现，通过等离子蒸汽工艺制备的纳米颗粒的稳定分散可以通过专门为颗粒/液体界面设计的稳定包对主要颗粒进行表面处理来实现。为了制备用于100%固体uv固化涂料配方的浓缩氧化铝分散体，设计了一种表面处理，允许在低粘度丙烯酸酯单体中直接生成稳定的分散体，如三丙二醇二丙烯酸酯(TPGDA)和1,6-己二醇二丙烯酸酯(HDDA)。有了这样的稳定性包装，可以制备含有高达30 wt%氧化铝的浓缩但流体分散体。
 |
| 图3点击放大 |
用于分散和稳定氧化铝颗粒以防止絮凝和在浓缩分散体中沉降的表面处理包也必须能够在浓缩物进入涂层配方时提供相容性。例如，图3中所示的小瓶代表了两种极端的兼容性。
从相同的uv固化涂料配方开始，左边的小瓶A含有1wt %的纳米氧化铝产品，该产品通过表面处理制备，允许完全兼容和稳定的体系，而右边的小瓶B含有相同浓度的纳米氧化铝，但使用无效的表面处理系统制备，表现出不兼容，并已开始从涂料配方中絮凝。生成纳米粒子和涂层相容系统的关键不仅是深入了解纳米材料本身的表面化学，而且还了解纳米材料将被纳入其中的涂层应用。
结果
 |
| 图4点击放大 |
清晰度和抗划伤性
氧化铝纳米颗粒在提高抗划痕性方面的性能，同时对清晰度有最小的影响，在商业紫外线固化涂料配方中进行了评估。通过物理蒸汽合成工艺制备了平均粒径为20和40 nm的氧化铝，并对其进行表面处理，以30 wt%的浓度分散在TPGDA单体中。然后将这些集中的氧化铝分散体在总树脂上的负载水平从0.5到2.5 wt%的氧化铝固体混合到商业涂料配方中。将得到的配方应用于10 μ m薄膜厚度的玻璃基板上，通过紫外线曝光固化，并测量雾度以确定氧化铝颗粒对涂层透明度的影响。结果显示在图4所示的雾霾与氧化铝负载的关系图中。
当40 nm氧化铝颗粒的负载水平达到2.5 wt%时，涂层中的雾霾保持在1%以下。正如预期的那样，与40 nm体系相比，20 nm氧化铝颗粒对薄膜透明度的影响更小，雾霾明显更低。虽然在这些纳米氧化铝薄膜中，当应用于透明基材时，可以测量到小于1%的雾霾值，但在实际应用中，在应用于不透明基材的涂层中，人眼无法察觉到小于1%的雾霾值。这是非常高的透明度水平，只有在纳米尺寸范围内分散良好的氧化铝颗粒才能达到，这使得它们可以用于透明的紫外线固化涂料应用。
 |
| 表1点击放大 |
为了评估纳米氧化铝颗粒对uv固化涂料物理性能的影响，在树脂上以0.5、1.0和2.0 wt%的比例加载了40 nm氧化铝颗粒(使用HDDA单体中颗粒的集中分散)。然后将该体系以4mil厚度应用于玻璃基板上，固化后测量铅笔硬度。在这个测试中，一个装有石墨“铅笔芯”的称重触控笔被拉过涂层表面，并检查表面是否有划痕。
在观察到划痕之前，触控笔中的“铅”由软到硬的过程可以被视为薄膜相对硬度提高的迹象。所讨论系统的结果如表1所示。氧化铝颗粒的加入使未填充(0 wt%氧化铝)涂层的硬度从HB水平提高到3H(4个“铅”级硬度)，在2.0 wt%氧化铝加载。虽然薄膜硬度的增加并不总是与耐磨性的增加呈正相关，但这很好地表明，即使在相对较低的浓度下，氧化铝纳米颗粒也在改善涂层的抗刮擦性能，同时不会通过降低光泽或造成雾霾而降低涂层的外观。
 |
| 图5点击放大 |
用钢棉划痕试验测定了含纳米氧化铝的uv固化涂层的耐划痕性能。在这个试验中，一个钢棉垫装了一个一磅重的重物，并连接到一个往复直线运动磨料机的手臂上。涂层被应用到一个透明的基材上，并用加重的钢棉垫反复划伤。经过一定数量的循环后，测量薄膜的雾霾，以确定划伤的程度，这可以通过涂层雾霾的增加来证明。
在商用uv固化涂层上进行了划痕测试，在树脂上加入40 nm氧化铝，含量从0.5到2.5 wt%，使用TPGDA浓缩物作为载体来递送氧化铝纳米颗粒。采用#0000级钢棉垫层，用直线运动磨料机对涂层进行1000次双循环。在这种情况下，在分散过程中对氧化铝颗粒应用了两种不同的表面处理包。
两种处理系统都提供了颗粒和涂层配方在清晰度方面的完全兼容性;然而，不同处理在抗划伤方面表现不同。划痕测试的结果如图5所示。表面处理为A的含氧化铝颗粒的涂层，在氧化铝负载仅为0.5 wt%时，抗划伤性能显著提高，然后随着氧化铝负载的增加，其响应相对平缓。通过这种表面处理，只需1.0 wt%的纳米氧化铝添加剂，涂层的抗划伤性能就提高了一倍以上。采用表面处理B的氧化铝体系的性能更为显著。结果表明，在1.5 ~ 2.5 wt%范围内添加氧化铝可将划伤程度降低5倍。本例说明了在分散性和相容性实现后进行最后优化步骤的必要性，以实现纳米颗粒添加剂在特定系统中的最大性能和/或最经济的使用。
结论
成功地将纳米氧化铝颗粒纳入uv固化涂料配方中以提高抗划伤性需要遵循三个步骤:(1)直接在丙烯酸酯单体中制备稳定、浓缩的初级氧化铝颗粒液体分散体;(2)保证纳米颗粒分散浓缩液与涂层配方的相容性;(3)优化纳米颗粒在透明度(外观)、抗划伤性(性能)和装载性(成本)方面的性能。
如果遵循三步模型，氧化铝纳米颗粒可以使透明的uv固化涂料配方具有显著提高的抗划伤性，同时对涂层的清晰度或光泽产生最小的负面影响。通过选择合适的氧化铝颗粒表面处理，这些添加剂的抗划伤性能可以优化到最大。
这篇论文发表在马里兰州巴尔的摩的RadTech 2010技术博览会和会议上。www.radtech.org．
更多信息，请访问www.nanophase.com．
举报辱骂性评论