胶态二氧化硅分散体的制作方法

专利名称：胶态二氧化硅分散体的制作方法
技术领域：
本发明涉及一种基本稳定的含水硅烷化胶态二氧化硅分散体、生产这种分散体的方法及其用途。
背景技术：
长期以来，胶态二氧化硅分散体被用作例如涂料，以改善各种材料的粘着性以及增加耐磨性和耐水性。但这些分散体，尤其是高度浓缩的胶态二氧化硅分散体，容易凝胶化或形成二氧化硅沉淀，这样不能更长期地贮存。
JP3258878的英文摘要公开了一种涂料组合物，其通过将烷氧基硅烷与硅溶胶一起混合而得，其中所述硅溶胶通过下述方法制备将氟硅酸或其铵盐与氨在含水介质中反应，将沉淀的二氧化硅与含水介质分离，并在湿状态下将沉淀的二氧化硅磨碎。
希望提供一种稳定的、高度浓缩的胶态二氧化硅分散体，其易于贮存和运输且即使在冰点以下也没有大量的沉淀，这种分散体可用于需要改善的粘着性、耐磨性和/或耐水性的应用中。还希望提供一种生产这种分散体的方便而又便宜的方法。本发明的另一个目的是提供这样一种稳定的分散体，该分散体对环境影响最小。

发明内容
本发明涉及一种生产基本稳定的含水硅烷化胶态二氧化硅分散体的方法，所述分散体的二氧化硅含量为至少20wt％，该方法包括将至少一种硅烷化合物与胶态二氧化硅颗粒混合，其中硅烷与二氧化硅的重量比为约0.003-0.2，优选为约0.006-0.15，最优选为约0.015-0.1。
混合优选在低于约50℃、更优选在低于约35℃的温度下进行。高于约50℃的温度可导致至少部分硅烷的自缩合，这降低了分散体的稳定性、粘着性以及分散体赋予的耐磨性和耐水性。混合的时间不是关键的，但合适地为至多约3小时，优选至多约2小时。但根据所混合的硅烷和胶态二氧化硅颗粒的类型，分散体可能只需至多约10分钟、或者优选只需至多约5分钟、或者最优选只需至多约1分钟的混合。优选地，将硅烷加入胶态二氧化硅颗粒中。优选地，在与胶态二氧化硅颗粒混合前，将硅烷稀释，所述胶态二氧化硅颗粒优选分散于含水硅溶胶中。优选地，用水稀释硅烷以形成硅烷和水的预混合物，两者合适的重量比为约1∶8-8∶1，优选为约3∶1-1∶3，最优选为约1.5∶1-1∶1.5。所得溶液基本澄清、稳定并易于加入胶态二氧化硅颗粒中。将胶态二氧化硅颗粒和预混合的水合硅烷混合的时间合适地至多约5分钟，优选至多约1分钟。
本发明的混合可在约1-13的pH下进行，优选pH为约6-12，最优选为约7.5-11。
术语“稳定的”，特别是在“基本稳定的含水硅烷化胶态二氧化硅分散体”的上下文中，指的是分散体或者分散于其中的硅烷化胶态二氧化硅颗粒，在优选至少约2个月、更优选至少约4个月、最优选至少5个月的期间，在室温(20℃)的正常贮存中，基本上不会胶凝或沉淀。
优选地，在制备2个月后，分散体粘度的相对增加低于约100％，更优选低于约50％，最优选低于约20％。
优选地，在制备4个月后，分散体粘度的相对增加低于约200％，更优选低于约100％，最优选低于约40％。
胶态二氧化硅颗粒，这里也称为二氧化硅溶胶，可以来自比如沉淀的二氧化硅、微二氧化硅(硅粉)、火成二氧化硅(煅制二氧化硅)或具有足够纯度的硅胶，以及它们的混合物。
本发明的胶态二氧化硅颗粒和硅溶胶可以被改性，并可含有诸如胺、铝和/或硼等其它元素，这些元素可存在于颗粒和/或连续相中。硼改性的硅溶胶在US2630410中有述。铝改性的二氧化硅颗粒中，Al2O3的含量合适为约0.05-3wt％，优选为约0.1-2wt％。制备铝改性硅溶胶的方法下述文献中有进一步描述比如Iler，K.Ralph所著的《二氧化硅化学》(The Chemistry of Silica)，John Wiley & Sons(1979)，第407-409页；和US5368833。
胶态二氧化硅颗粒合适地具有约2-150nm的平均粒径，优选为约3-50nm，最优选为约5-40nm。合适地，胶态二氧化硅颗粒具有约20-1500、优选约50-900、最优选约70-600m2/g的比表面积。
胶态二氧化硅颗粒优选具有窄的粒度分布，即粒度的相对标准偏差低。粒度分布的相对标准偏差是粒度分布的标准偏差与数均粒度的比值。粒度分布的相对标准偏差按个数计低于约60％，更优选按个数计低于约30％，最优选按个数计低于约15％。
将胶态二氧化硅分散于主要含水的溶剂中，合适地在稳定性阳离子的存在下，所述阳离子比如K+、Na+、Li+、NH4+、有机阳离子、伯、仲、叔和季胺，以及它们的混合物，从而形成水合硅溶胶。但也可使用含有与水混溶的有机溶剂的分散体，所述有机溶剂比如是低级醇、酮或它们的混合物，这些有机溶剂的量优选为总体积的约1-20％、更优选约1-10％、最优选约1-5％体积百分数。但优选使用不含任何其它溶剂的含水硅溶胶。优选地，胶态二氧化硅颗粒带有负电。合适地，溶胶中二氧化硅含量为约20-80wt％、优选为约25-70wt％、最优选为约30-60wt％。二氧化硅含量越高，所得硅烷化胶态二氧化硅分散体越浓。硅溶胶的pH合适地为约1-13，优选为约6-12，最优选为约7.5-11。但对于铝改性的硅溶胶而言，pH合适地为约1-12，优选为约3.5-11。
硅溶胶优选具有约20-100、更优选约30-90、最优选约60-90的S值。
已经发现，S值在这些范围内的分散体可以改善所得分散体的稳定性。S值表征了胶态二氧化硅颗粒的聚集程度，即聚集体或微凝胶的形成程度。根据Iler，R.K.& Dalton，R.L.在J.Phys.Chem.60(1956)，955-957中给出的公式，可测定并计算出S值。
S值取决于硅溶胶的二氧化硅含量、粘度和密度。高S值意味着低的微凝胶含量。S值代表在硅溶胶的分散相中以重量百分比表示的SiO2的量。微凝胶程度可以在生产过程期间进行控制，例如US 5368833中进一步所述。
硅烷化合物可以与胶态二氧化硅颗粒表面上的硅烷醇基团形成稳定的共价硅氧烷键(Si-O-Si)，或者与硅烷醇基团例如通过氢键相连。
合适的硅烷化合物包括三-(三甲氧基)硅烷，辛基三乙氧基硅烷，甲基三乙氧基硅烷，甲基三甲氧基硅烷；异氰酸酯基硅烷，比如三-[3-(三甲氧基甲硅烷基)丙基]异氰脲酸酯；γ-巯基丙基三甲氧基丙烷，双-(3-[三乙氧基甲硅烷基]丙基)聚硫化物，β-(3，4-环氧环己基)-乙基三甲氧基硅烷；含有环氧基(环氧硅烷)、环氧丙氧基和/或环氧丙氧基丙基的硅烷，比如γ-环氧丙氧基丙基三甲氧基硅烷、γ-环氧丙氧基丙基甲基二乙氧基硅烷、(3-环氧丙氧基丙基)三甲氧基硅烷、(3-环氧丙氧基丙基)己基三甲氧基硅烷、β-(3，4-环氧环己基)-乙基三乙氧基硅烷；含有乙烯基的硅烷，比如乙烯基三乙氧基硅烷、乙烯基三甲氧基硅烷、乙烯基三-(2-甲氧基乙氧基)硅烷、乙烯基甲基二甲氧基硅烷、乙烯基三异丙氧基硅烷；γ-甲基丙烯酰氧基丙基三甲氧基硅烷、γ-甲基丙烯酰氧基丙基三异丙氧基硅烷、γ-甲基丙烯酰氧基丙基三乙氧基硅烷、辛基三甲氧基硅烷、乙基三甲氧基硅烷、丙基三乙氧基硅烷、苯基三甲氧基硅烷、3-巯基丙基三乙氧基硅烷、环己基三甲氧基硅烷、环己基三乙氧基硅烷、二甲基二甲氧基硅烷、3-氯丙基三乙氧基硅烷、3-甲基丙烯酰氧基三甲氧基硅烷、异丁基三乙氧基硅烷、三乙基乙氧基硅烷、苯基二甲基乙氧基硅烷、六甲基二硅氧烷、三甲基甲硅烷基氯、乙烯基三乙氧基硅烷、六甲基二矽胺、以及它们的混合物。US4927749公开了其它适合用于本发明的硅烷。但最优选的硅烷是环氧硅烷和含有环氧丙氧基或环氧丙氧基丙基的硅烷，特别是γ-环氧丙氧基丙基三甲氧基硅烷和/或γ-环氧丙氧基丙基甲基二乙氧基硅烷。
根据优选实施方案，之后将有机粘合剂与硅烷化胶态二氧化硅颗粒的分散体混合。术语“有机粘合剂”包括胶乳、水溶性树脂、聚合物以及它们的混合物。水溶性树脂和聚合物可以是各种类型的，比如聚乙烯醇、改性聚乙烯醇、聚羧酸酯、聚乙二醇、聚丙二醇、聚乙烯吡咯烷酮、聚烯丙胺、聚丙烯酸、polyamidamines、聚丙烯酰胺、聚吡咯、蛋白质比如酪蛋白、大豆蛋白、合成蛋白、多糖比如纤维素衍生物如甲基纤维素、乙基纤维素、羟乙基纤维素、甲基羟乙基纤维素、乙基羟乙基纤维素或羧甲基纤维素、淀粉或改性淀粉；壳聚糖、多糖胶比如瓜尔胶、阿拉伯胶、黄原胶和玛帝脂以及它们的混合物或杂混物。术语“胶乳”包括合成和/或天然的胶乳，其基于不同类型树脂和/或聚合物的乳液，所述聚合物比如是苯乙烯-丁二烯聚合物、丁二烯聚合物、聚异戊二烯聚合物、丁基聚合物、腈聚合物、乙烯基乙酸酯均聚物、丙烯酸聚合物如乙烯丙烯酸共聚物或苯乙烯-丙烯酸聚合物、聚氨酯聚合物、环氧聚合物、纤维素聚合物如微晶纤维素、三聚氰胺树脂、氯丁二烯橡胶聚合物、苯酚基聚合物、聚酰胺聚合物、聚酯聚合物、聚醚聚合物、聚烯烃聚合物、聚乙烯醇缩丁醛聚合物、硅酮如硅酮橡胶和硅酮聚合物(比如硅油)、脲醛聚合物、乙烯基聚合物或者它们的混合物或杂混物。
优选地，将有机胶粘剂与硅烷化二氧化硅颗粒混合时，二氧化硅与有机粘合剂的重量比为约0.01-4，优选为约0.1-2，更优选为约0.2-1。
本发明还涉及一种由该方法获得的基本稳定的含水硅烷化胶态二氧化硅分散体。
本发明还涉及一种基本稳定的含水硅烷化胶态二氧化硅分散体，其二氧化硅含量为至少约20wt％，其中在分散体中硅烷与二氧化硅的重量比为约0.003-0.2，优选为约0.006-0.15，最优选为约0.015-0.1。
分散体中硅烷的重量计算为可游离硅烷化合物和与二氧化硅颗粒相键合或联接的硅烷衍生物或基团的总量。
高度浓缩的硅烷化胶态二氧化硅分散体，除更有效之外，也可以减少比如在待涂材料上涂布后的干燥时间。因而大量减小了用于干燥的能量。优选分散体具有高的二氧化硅含量，只要硅烷化胶态二氧化硅颗粒保持稳定分散、而没有任何明显聚集、沉淀和/或凝胶化即可。优选地，分散体中二氧化硅含量为约20-80wt％，更优选为约25-70wt％，最优选为约30-60wt％。从降低其运输成本的角度看，这也是有益的。
分散体的稳定性使其更易加工，因为这允许贮存，并且不需要在使用前现场即刻制备，同时其不含有任何危险量的有害溶剂。
主要含水的分散体优选不含有任何有机溶剂。但根据一实施方案，在水合分散体中可包含有机溶剂，其量为总体积的约1-20、优选约1-10、最优选为约1-5的体积百分比。这是由于在某些应用中，可以存在一定量的有机溶剂，而没有任何实质性的有害作用。
除硅烷化胶态二氧化硅颗粒之外，该分散体也可含有(至少在一定程度上)非硅烷化的胶态二氧化硅颗粒，这取决于二氧化硅颗粒的大小、硅烷与二氧化硅的重量比、硅烷化合物的类型、反应条件等。合适地，至少约40wt％的胶态二氧化硅颗粒是硅烷改性的，优选为至少约65wt％，更优选为至少约90wt％，最优选为至少约99wt％。除了与二氧化硅颗粒表面相键合或联接的硅烷基团或硅烷衍生物形式的硅烷之外，硅烷化胶态二氧化硅分散体至少在一定程度上还可含有游离分散的非键合硅烷化合物。合适地，至少约40、优选至少约60、更优选至少约75、再更优选至少约90、最优选至少约95wt％的硅烷化合物与二氧化硅颗粒表面相键合或联接。因此，通过这种方法，硅烷颗粒是表面改性的。
能与硅烷基团键合或联接的胶态二氧化硅颗粒上的硅烷醇基团，其在数量上优选约1-90％、更优选约5-80％、最优选约10-50％与硅烷基团相键合。优选地，胶态二氧化硅颗粒在其每nm2表面积上键合或联接约0.1-5.5、更优选约0.25-4、最优选约0.5-2.5个硅烷基团或衍生物。
根据一优选实施方案，硅烷化胶态二氧化硅分散体含有有机粘合剂，优选为胶乳，如本文中进一步所述。含有有机粘合剂和硅烷化胶态二氧化硅颗粒的分散体，其固体含量合适地为约20-80wt％、优选为约25-65wt％、最优选为约30-50wt％。二氧化硅与有机粘合剂的重量比以干基计合适地为约0.05-4，优选为约0.1-2，最优选为约0.2-1。
含有有机粘合剂的分散体能在不同种类的基材上形成涂膜。
根据一优选实施方案，硅烷化胶态二氧化硅颗粒和有机粘合剂以离散颗粒的形式存在于分散体中。
本发明还涉及硅烷化胶态二氧化硅分散体在涂料中的用途，并作为添加剂来赋予比如增粘剂、层合剂、密封剂、疏水剂、粘结材料以增加的粘着性、改善的耐磨性和/或耐水性，例如在铸造应用中比如熔模精密铸造和耐火纤维束中、用于比如炉子的内衬浆液/分散体；催化剂、清洁剂、晶片抛光浆。合适的待涂材料包括诸如砖等建筑材料、陶瓷材料、水泥和混凝土；相纸、木材、金属表面比如钢或铝、塑料薄膜比如聚酯、PET、聚烯烃、聚酰胺、聚碳酸酯或聚苯乙烯；和织物。也可使用硅烷化胶态二氧化硅分散体在喷墨应用中控制喷墨涂层的亲水性，以便增强印墨粘附性和耐水性，包括在比如纸、塑料、织物、玻璃、陶瓷、粘结材料、金属和木材上的喷墨涂布。硅烷化胶态二氧化硅分散体也可用于稳定乳液中以控制亲水平衡。硅烷化胶态二氧化硅分散体也可用作颜料分散剂，例如通过结合优良的润湿性和分散性。
因此已对本发明进行描述，显而易见的是本发明可以以许多方式来变化。这种变化不能被认为脱离的本发明的主旨和范围，所有这些改变对于本领域技术人员而言都是显而易见的，因而也将包括在权利要求的范围之内。虽然下面的实施例提供了更详细的反应细节，但是下面的普遍原理是这里所公开的。下面的实施例将进一步说明所述发明如何得以完成，但不限制发明范围。
除另有说明外，所有份数和百分比均指重量份和重量百分比。
实施例下面所用的硅烷A和B可由瑞士的Crompton S.A.得到。
ASilquest Wetlink 78(含环氧丙氧基的环氧硅烷)BSilquest A-187(含环氧丙氧基的环氧硅烷)实施例中所用硅溶胶可由瑞典的Eka Chemicals AB得到，其如下表1所示。
表1

硅烷化胶态二氧化硅分散体的制备在缓和搅拌下，根据表2在约5分钟内将硅烷试样A和B逐滴加入硅溶胶中。继续搅拌约2小时。通过将水和硅烷以等量混合来制备水稀释硅烷的预混合试样(见表4)。将该混合物缓慢搅拌，直到获得澄清的溶液。然后将含水硅烷在缓和搅拌下与硅溶胶混合。除另有说明外，所有试样均在室温下制备。
表2

表2表明，在上述重量比下所获得的所有硅烷化硅溶胶均是稳定的。表2中所用术语“稳定的”表示在室温下正常贮存5个月内分散体没有变成白色、没有胶凝以及没有沉淀。表3表示所制备的硅烷化硅溶胶的进一步试样。
表3

表3表明了硅烷与二氧化硅重量比的影响。过高重量比使硅烷化硅溶胶不稳定，这可从产品9和10看出，这两个产品在本发明的范围之外。但本发明的产品11则是稳定的。
表4

表4也表明，与产品13(对比产品)相比，硅烷化硅溶胶(本发明的产品14-18)是稳定的，而在产品13中硅烷与二氧化硅的重量比过高。
耐水性通过下述方式来评价本发明分散体的耐水性将10g硅烷化硅溶胶和20g“软胶乳”混合，Mowilith LDM 7602S来自Celanese(参见薄膜7-11、13)。薄膜1-4不包含硅烷化二氧化硅颗粒，薄膜5和6通过下述下述方式制备先将0.5g硅烷∶水(1∶1)溶液与20g相同的“软胶乳”混合，然后将硅烷-胶乳混合与9.5g硅溶胶A5混合。使用2g上面制得的胶乳混合物来浇注薄膜。将所述薄膜在室温下陈化16小时。然后通过在陈化薄膜上加2滴水来评价耐水性。在加水10分钟后，分析水的影响，并按照下面的标准来归类并列在表4中0薄膜“溶解”1对薄膜有严重影响2对薄膜有一些影响3没有影响表5

*将0.5g硅烷A即Silquest A-187∶水(1∶1)先加入20g软胶乳(丙烯酸类树脂)中，然后加入9.5g的A5(30/360)。在混合这三种组分之后直接浇注薄膜。
**将0.5g硅烷B即Wetlink 78∶水(1∶1)先加入20g软胶乳(丙烯酸类树脂)中，然后加入9.5g的A5(30/360)。在混合这三种组分之后直接浇注薄膜。
表5表明，非硅烷化硅溶胶和软胶乳的混合物的对照薄膜(薄膜1-4)具有非常差的耐水性。通过将硅溶胶加入已经制得的胶乳-硅烷混合中制得的薄膜5-6，也表现出非常差的耐水性。但薄膜7-11和13、特别是10-11表现出优良或极佳的耐水性。这些薄膜通过将胶乳与硅溶胶和硅烷的预混合物进行混合而制得。薄膜15由于硅烷与二氧化硅的重量比过高而变白(不稳定)。
对混凝土砌块上涂层的评价将2块尺寸为13cm×19cm的混凝土砌块(No.1和2)涂以10g的硅烷化硅溶胶(参见表6)。砌决3仅用硅溶胶进行处理，而砌块4则不作处理。在陈化16小时的陈化薄膜上加3滴水，5分钟后评价耐水性。对表面上水的延展(在所处理混凝土表面上长度和宽度方向上水滴直径的平均值)和吸收作出评价。
表6

从表6可以看出，由于用硅烷化硅溶胶进行表面处理，与砌块3和4(对比)相比较，延展和水吸收都减少了。这意味着硅烷化溶胶使砌块表面更疏水和更耐水。
冷冻稳定性将100ml溶胶试样放置于-20℃下冷冻机中达24小时。在评价之前将试样在室温下静置16小时(参见观测循环1)。重复该过程一次(参见观察循环2)。对试样进行目测评价。结果注意到，对于硅烷化溶胶16而言，观察到澄清低粘度的含水分散体，其仅有痕量的硅烷化硅溶胶沉淀，而溶胶A5则全部沉淀并丧失流动性。
表7

高胶态二氧化硅浓度下的粘度在20 1旋转式蒸发器中将硅溶胶在60℃下通过真空蒸发而浓缩。浓缩的时间为2小时。然后用去离子水将硅溶胶稀释到所需的二氧化硅含量(参见下面表8)。在初始以及室温下贮存4个月后通过Brookfield粘度计在20℃测定粘度。从下面表8中可以看出，硅烷化溶胶针对胶凝化和粘度增加给出了更佳的稳定性。对于硅烷化溶胶而言，粘度随时间减小，即使在非常高的二氧化硅浓度下也是如此。这意味着增加了对凝胶化和粘度增加的稳定性。因此，与非硅烷化胶态二氧化硅相比，硅烷化胶态二氧化硅产品可以在更高的二氧化硅浓度下进行生产和贮存，并仍然具有低的粘度，这使得处理更为容易。
表8

权利要求
1.一种生产基本稳定的含水硅烷化胶态二氧化硅分散体的方法，所述分散体的二氧化硅含量为至少约20wt％，该方法包括将至少一种硅烷化合物与胶态二氧化硅颗粒混合，其中硅烷与二氧化硅的重量比为约0.003-0.2。
2.权利要求1的方法，其中混合在低于约50℃的温度下进行。
3.前述权利要求任一项的方法，其中混合在pH为约6-12下进行。
4.前述权利要求任一项的方法，其中硅烷化合物是环氧硅烷。
5.前述权利要求任一项的方法，其中硅烷化合物是具有环氧丙氧基的环氧硅烷。
6.前述权利要求任一项的方法，包括往分散体中加入有机粘合剂。
7.权利要求6的方法，其中有机粘合剂是胶乳。
8.一种基本稳定的含水硅烷化胶态二氧化硅分散体，其可通过权利要求1-7任一项的方法获得。
9.一种基本稳定的含水硅烷化胶态二氧化硅分散体，所述分散体的二氧化硅含量为至少约20wt％，其中硅烷与二氧化硅的重量比为约0.003-0.2。
10.权利要求8或9的分散体，其含有有机粘合剂。
11.权利要求8-10任一项的分散体，其含有胶乳。
12.权利要求8-11任一项所述硅烷化胶态二氧化硅分散体用于涂料应用的用途。
13.权利要求8-11任一项所述硅烷化胶态二氧化硅用作粘结材料的添加剂的用途。
全文摘要
本发明涉及生产基本稳定的含水硅烷化胶态二氧化硅分散体的方法，所述分散体的二氧化硅含量为至少约20wt％，该方法包括将至少一种硅烷化合物与胶态二氧化硅颗粒混合，其中硅烷与二氧化硅的重量比为约0.003－0.2。本发明还涉及由该方法获得的分散体以及二氧化硅含量为至少约20wt％的基本稳定的含水硅烷化胶态二氧化硅分散体，其中硅烷与二氧化硅的重量比为约0.003－0.2。本发明还涉及所述分散体用于涂料和作为添加剂的用途。
文档编号C01B33/18GK1692073SQ03823470
公开日2005年11月2日 申请日期2003年9月29日 优先权日2002年10月14日
发明者P·格林伍德 申请人:阿克佐诺贝尔公司