气相二氧化硅是纳米级无机添加剂的一个例子，在聚合物薄膜和涂层系统中尤其适用，特别是在WB配方中。气相法二氧化硅的分形形状和高比表面积提供了粘度控制，这是气相法二氧化硅更常用的功能。1然而，这种气相二氧化硅结构的特征，当适当分散在WB涂层配方中，可以帮助聚合物乳胶膜的形成。这种颗粒添加剂还可以帮助提高干燥速率，提高加工吞吐量时间。它们还可以通过改变局部微流变学和干燥动力学来帮助加强薄膜和减轻压力2减少在涂料干燥过程中发生的乳胶聚合物凝固和聚合过程中的裂缝形成。3，4此外，与挥发性有机添加剂不同的是，挥发性有机添加剂通常被用作调平剂、增塑剂和助溶剂，这些添加剂在干燥时就会蒸发，而像气相二氧化硅这样的颗粒会留在涂层中，并可以实现额外的功能，如机械加固，同时帮助使整体配方更加“绿色”。
由于商业化生产和供应，气相二氧化硅很难处理，因为它主要以粉状团聚体的形式存在，具有高比表面积，不容易分离或分散成单个颗粒。我们已经开发了一种行之有效的方法，将气相氧化硅或气相氧化铝分散到水中的单个颗粒中，以在聚合物乳胶系统中高效利用。该产品的商标是CAB-O-SPERSE®，并可在一系列的浓度，颗粒大小，颗粒表面电荷和不同的pH值范围内用于各种应用。
由于CAB-O-SPERSE产品在纳米尺度上的优越分散程度，可用于涂料应用。气相二氧化硅的分散有利于添加到涂层配方中，并且它们可以产生优越的机械性能相对于干粉对应物。这种添加剂在涂层中提供微观聚合物纠缠点，限制聚合物链的迁移，这有助于提高涂层的力学性能，如抗拉强度、抗块性、硬度和耐划伤或耐磨性。5
聚合物乳胶强化
纳米粒子在聚合物薄膜和涂层中提供增强的机械性能是众所周知的。5、6聚合物膜内分散和分布的最终状态对颗粒添加剂增强涂层系统性能的能力有重大影响。优越的分散状态在连续相内提供了最大程度的粒子间分离，并以质量最有效地使用添加剂，在最终涂层产品中提供了增强的机械性能。6
在分散过程中，气相二氧化硅骨料颗粒被稳定地分解到50-300纳米的小尺寸(通过光散射技术测量)，这是非常难以不稳定的。将CAB-O-SPERSE等二氧化硅分散体添加到聚合物乳胶配方中，可以得到非常稳定的混合粒子分散体，即使在干燥后，也可以保持宿主聚合物中无机添加剂的优良分布(图1)。二氧化硅颗粒保持良好的分布，根据干燥过程中的相对时间-温度分布，可以在聚合法后停留在残留的乳胶颗粒间边界上，也可以在聚合物基体中相互扩散。7
聚合物乳液或乳胶中二氧化硅效应的基本物理原理在很大程度上是正确的，无论使用的聚合物乳胶或最终用途是什么。Cabot此前研究了各种天然和合成橡胶乳液体系中的乳胶增强现象，并证明了当预分散的二氧化硅颗粒添加到乳胶橡胶配方中时，干产品相对于基橡胶具有优越的机械性能。7最近，为了支持这种气相二氧化硅纳米粒子增强概念的普遍性，Cabot研究了高玻璃化转变温度(Tg)非聚结聚苯乙烯(PS)乳胶的模型体系。这被用来演示CAB-O-SPERSE与聚合物乳胶体系在配方过程中以及在异凝固和干燥后的相互作用。高tg PS乳胶是有意选择的，以使单个粒子的扫描电子显微镜分辨率更好，因为乳胶没有结合成一层膜。将CAB-O-SPERSE加入到乳胶中，用温和的搅拌，混合体系保持非常稳定，没有沉降的迹象。
在PS模型体系中，在异凝聚过程中，二氧化硅颗粒保持其分布，几乎没有证据表明相在聚合物中分离到富含二氧化硅的区域(图2)。图2包含的电子显微照片显示，即使在高负载情况下，二氧化硅在宿主聚合物中分布良好。聚苯乙烯乳胶颗粒是直径约50-100纳米的圆形球形颗粒。气相二氧化硅颗粒是分散在各处的较亮的分形弦状小颗粒。
当涉及到纳米颗粒负载与涂层中所需物理性能的权衡时，这种膜形成后添加剂分散的保留状态具有重要的影响。CAB-O-SPERSE所能提供的优越分散程度可能允许使用或多或少的二氧化硅来匹配或超过各种性能需求，并打破功能涂层要求之间的权衡。这个证据证实了阿南德等人。7在他们的二氧化硅增强研究中报道，并建议这种现象应该适用于各种聚合物乳胶应用，包括WB涂料和粘合剂。
性能的研究
我们的应用实验室一直在使用代理WB工业涂料配方，含有气相二氧化硅作为增强添加剂，以Neocryl a 6085水性乳胶丙烯酸树脂为基础。配方如表1所示。本文的主要目的是观察更多相关涂层系统的性能结果。对CAB-O-SIL M-5气相硅粉基样品配方的涂料和使用CAB-O-SPERSE气相硅分散体(2017A)制备的涂料进行了比较和研究，该分散体包含以预分散形式提供的等效气相硅颗粒。在我们的应用实验室中，使用高剪切搅拌机将粉末在水磨基中研磨成商业产品2017A的当量固体，水中重量为17%。然后，将实验室制造的磨基或商业化的2017A分散体添加到乳胶涂层配方中，以达到所需的净二氧化硅负载。
所有的涂层使用3mil拉下棒沉积在基材上，以产生约1.0-1.5 mil干厚度的涂层。涂层沉积在2x3英寸的玻璃基材或B1000钢片上。镀膜玻璃基板用于透明度和清晰度测试以及纳米压痕，以量化涂层的机械性能。经过预处理的B1000钢板被用于其他测试，如盐雾室的耐腐蚀性和其他力学测试。
光学性质
在配方前，制备后，在磨基和CAB-O-SPERSE 2017A中二氧化硅的起始粒径分布非常相似，如表2所示。然而，随着时间的推移，CAB-O-SPERSE产品保持非常稳定，尺寸不发生变化，而二氧化硅的磨基显示出显著的团聚和沉降，这反过来可以帮助解释涂层中的低透明度和高雾度。
这一发现的重要性与CAB-O-SPERSE性能的一致性有关。缺乏可变性和一致的性能是几十年开发CAB-O-SPERSE产品家族到目前状态的经验的结果。虽然直接的磨基可能看起来和行为像CAB-O-SPERSE，它可能适用于某些应用，但它不会有延长的货架寿命，或相同的可靠稳定性的配方。
从表2的粒度数据和图3所示的雾霾百分比数据中可以很容易地看出，磨坊基本身的稳定性和在配方中的稳定性都低于2017A分散度。在正常入射光源下，用Hunter Lab UltraScan Pro测量涂层。高雾霾值表明相应的缺乏清晰度或透明度。图3的意义在于，它表明在正确的配方下，CAB-O-SPERSE可以非常适合于WB清漆，以及对涂层功能非常重要的高清晰度和光泽保持的相关应用。这主要归因于优越的分散状态和二氧化硅纳米颗粒在宿主聚合物涂层中分布时的分布保留。
力学性能
纳米压痕是一种量化将已知尺寸的探针或划线头移动到表面的力的方法。探针压痕或划伤表面所需的每面积力是镀层硬度的有效衡量指标。按照ASTM E-2546禁止的指南，使用Nanovea纳米模块(P-Macro/Nano)进行纳米压痕实验。涂层的硬度随着二氧化硅添加量的增加而增加(表3)。请注意，如表3所示，在误差范围内，在涂层中添加1% wt.二氧化硅和5% wt.二氧化硅之间，样品丙烯酸涂层的硬度有效地翻倍，当涂层中添加10% wt.二氧化硅时，硬度增加超过3倍。
改变涂层硬度的能力对于抗块性、耐磨性、粘性降低和抗污垢捡捡性非常重要，所有这些都是涂层耐久性和应用中的一致性能的关键。通过使用CAB-O-SPERSE而不是干粉，可以获得更大的增强力和硬度，同时实现相同的清晰度(表3和图3)。通过使用CAB-O-SPERSE可以定制机械和光学性能，以平衡性能要求的权衡。
耐蚀性
防腐和抗腐蚀是工业金属和汽车涂料的一个特别重要的功能。为了测试这种性能，按照ASTM D1654的要求，在用刻痕器刮擦涂覆的B1000金属板后，将其置于中性盐雾加速暴露室中。这些涂有涂层的面板在室内定期检查，以寻找腐蚀的证据，以及涂层下的基体的腐蚀如何随着时间的推移而传播。
图4包含了划痕涂层的图像以及它们在这种腐蚀环境下的表现。尽管CAB-O-SPERSE中的气相二氧化硅是亲水性的，且涂层配方均为WB，但这些涂层仍具有防腐作用。此外，耐蚀性等于，如果不大于，控制(不含二氧化硅)高达约5%的二氧化硅在涂层中。超过这个负荷水平，防腐蚀效果很差，二氧化硅的存在似乎对防腐蚀有害。我们将这一性能归因于二氧化硅的增强能力，它导致聚合物纠缠，使聚合物变硬并加强，产生具有更好屏障性能的涂层，降低了水通过涂层扩散的能力，并产生腐蚀路径。因此，与普遍的看法相反，通过对给定的系统使用适当的负载，亲水气相二氧化硅颗粒可以帮助抗腐蚀。
结论
CAB-O-SPERSE是一种有效的WB涂料添加剂，通过提供优越的纳米级分散，使二氧化硅在最终聚合物涂层中均匀分布，可以帮助最大化气相二氧化硅在应用性能中的效用。优化二氧化硅在宿主聚合物中的分布，可以增强WB涂层的性能，这可能有助于弥补SB涂层的一些空白。CAB-O-SPERSE产品操作安全，使用方便，具有低可变性和高一致性。这些特性使它们能够在整个产品生命周期的许多特性中发挥作用，从液体配方(如粘度控制)，通过应用和涂层沉积(如剪切稀释行为和干燥中的应力消除)，到最终使用功能(如改善光学或机械性能)。此外，结果表明CAB-O-SPERSE可以帮助平衡性能上的权衡，这取决于涂层在最终用途应用中必须提供的功能需求。
参考文献
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7 Anand, j .;Morris, M.用气相二氧化硅增强胶乳>《橡胶和塑料新闻》1997年3月10日发行。
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