水性纳米氧化硅浓缩浆及其制备方法

专利名称：水性纳米氧化硅浓缩浆及其制备方法
技术领域：
本发明涉及纳米技术，具体为一种水性体系纳米氧化硅浓缩浆及其制备方法。
背景技术：
纳米氧化硅作为国内最早实现规模化生产的纳米材料，具有诸多常规材料所不具备的奇异特性，因而受到了科技界与企业界的广泛关注。
纳米氧化硅具有很高的硬度、良好的化学惰性、热力稳定性，其熔、沸点也很高。主要用于(1)陶瓷领域可以提高陶瓷制品的韧性、光洁度；(2)人造莫来石具有高的导热特性和良好的力学性能，是电子工业封装材料的最佳原材料之一；(3)橡胶改性通过控制氧化硅的颗粒尺寸，以制备抗紫外辐射的橡胶、红外反射橡胶、高绝缘性橡胶等；(4)粘结剂纳米氧化硅小颗粒形成网络结构，抑制胶体流动，固化速率快，提高粘结效果，同时增加了胶的密封特性；(5)涂料利用纳米氧化硅透明性和对紫外光的吸收特性；(6)功能纤维添加剂制造红外屏蔽人造纤维、抗紫外线辐照人造纤维、高介电绝缘性能优越的纤维等；(7)塑料改性用作塑料的补强剂，使塑料变得很致密，提高了薄膜的透明度、强度和韧性，大大提高防水性能；(8)抗油漆老化添加剂提高各类油漆的抗老化性能和光洁度；(9)高级研磨介质制成抛光液用于硅片等电子材料表面研磨或抛光；(10)其它用作人造牙齿，纸张表面涂层(瓷土)等。
纳米氧化硅的粒径小，比表面积大，容易吸附而发生团聚。如果将这种易团聚的粉体直接应用，会由于其没有良好的分散而失去应有的纳米效应。因此在实际应用中通常是先把纳米粉制备成浓缩浆后再使用。纳米浓缩浆应含有较高的纳米粉含量；呈现良好的流变性，即可流动性，可用泵输送以方便配料计量；生产必须简单，经济且有重现性。此外，纳米浓缩浆必须贮存稳定，那就是无沉降，渗液和絮凝。它们还应呈现出无粘度增加或干燥倾向。纳米浓缩浆必须能方便地加到不同基料系统中而不起粒，即使采用相当低的剪切力也如此。所有这些要求可通过使用适宜的分散剂来达到。
现今国内外的专利主要提及的是如何制备纳米氧化硅粉，至于如何制备纳米氧化硅浓缩浆的专利比较少。中国专利03109915.7报导了一种纳米二氧化硅乳液及其制造方法和用途，该方法对二氧化硅进行了改性，制备工艺比较复杂。另一中国专利03114876.x提及的是室温长期稳定的水分散纳米二氧化硅及其杂化材料的制备，其二氧化硅的质量浓度仅为20％。另外，日本专利JP61141613和JP1224215介绍了超细粉二氧化硅浆的研制，所添加的助剂组分繁多，制造方法很繁琐。因此，固含量高、稳定性好、工艺简单、成本低廉的纳米氧化硅浓缩浆是我们今后研究的重点。

发明内容
本发明的目的在于制备出一种分散性好、贮存稳定、固体含量高，粘度低、相容性强、耐化学稳定性和耐热性好、对环境无污染的水性纳米氧化硅浓缩浆及其制备方法，其中纳米氧化硅的重量比可达60％，该纳米氧化硅浓缩浆能适用于涂料、陶瓷、橡胶、粘结剂等多种领域。
本发明的技术方案是按重量比计，该浓缩浆由一次粒子的平均粒径在100nm以下的纳米氧化硅10～60％、分散剂0.05～3％、消泡剂0.05～2％、余量的水组成。
上述纳米氧化硅浓缩浆中，较好的重量比为纳米氧化硅20～50％，水性分散剂0.1～1.5％、消泡剂0.1～1％、余量为水。
所述的分散剂是指聚氨酯系、聚丙烯酸酯系、聚丙烯酸盐系、聚羧酸系、聚羧酸盐系、聚醚系、聚酯系、聚酰胺系、多聚磷酸盐系、脂肪酸系分散剂的一种或二种以上的分散剂复配。如荷兰埃夫卡助剂公司(EFKA)的EFKA-4520、EFKA-4500、EFKA-4510、EFKA-4530、EFKA-4540、EFKA-4550、EFKA-4560、EFKA-4570、EFKA-4580、EFKA-5071、EFKA-6220、EFKA-6225、EFKA-6230等；德国迪高(Tego)公司的Dispers650、Dispers651、Dispers652、Dispers660C、Dispers661C、Dispers662C、Dispers715W、Dispers735W、Dispers740W、Dispers745W、Dispers750W、Dispers752W、Dispers760W、Colorol E、Lipotin A等；汉高(Henkel)公司的Hydropalat875、Hydropalat1080、Hydropalat3204、Hydropalat3275等；德国毕克(BYK)化学公司的Disperbyk-116、Disperbyk-180、Disperbyk-182、Disperbyk-184、Disperbyk-185、Disperbyk-190、Disperbyk-191、Disperbyk-192等。
较好的分散剂是德国迪高(Tego)公司的Dispers651、Dispers652、Dispers715W、Dispers735W、Dispers740W、Dispers745W、Dispers750W、Dispers752W、Dispers760W；荷兰埃夫卡助剂公司(EFKA)的EFKA-4520、EFKA-4530、EFKA-4540、EFKA-4550、EFKA-4560、EFKA-4570、EFKA-5071、EFKA-6220、EFKA-6225、EFKA-6230等；汉高(Henkel)公司的Hydropalat1080、Hydropalat3204、Hydropalat3275等。
所述的消泡剂是指聚硅氧烷系、聚醚系、聚丙烯酸酯系、聚丙烯酸盐系一种或二种以上的消泡剂复配。如荷兰埃夫卡助剂公司(EFKA)的EFKA-2526、EFKA-2527、EFKA-2550；德国迪高(Tego)公司的Foamex 800、Foamex 805、Foamex810、Foamex 822、Foamex 825、Foamex 830、Foamex 8020、Foamex 8030、Foamex8050、Foamex K3、Foamex K5、Foamex KS6；德国毕克(BYK)化学公司的BYK-019、BYK-021、BYK-022、BYK-023、BYK-024、BYK-025、BYK-028、BYK-034、BYK-080。
较好的消泡剂是德国迪高(Tego)公司的Foamex 810、Foamex 830、Foamex K3、Foamex K5、Foamex 8030；德国毕克(BYK)化学公司的BYK-019、BYK-024、BYK-034、BYK-080；荷兰埃夫卡助剂公司(EFKA)的EFKA-2526、EFKA-2527、EFKA-2550。
本发明所述的水性纳米氧化硅浓缩浆的配方包括(1)纳米氧化硅(2)分散剂(3)消泡剂(4)水该水性纳米氧化硅浓缩浆是按如下方法制备的按所述组分含量，将分散剂和消泡剂加入到一定量水中，用高速分散机200～2000rpm分散2～5分钟使分散剂和消泡剂均匀分散在水中，在高速分散机不停转动过程中逐渐加入纳米氧化硅粉，然后再用高速分散机500～3000rpm分散5～30分钟，所得的纳米氧化硅浆料在球磨机、砂磨机中研磨30分钟～10小时，最后制成水性纳米氧化硅浓缩浆成品。
本发明的优点如下1.分散性好。利用本发明的技术制备出的纳米氧化硅浓缩浆分散性好，平均粒度在100nm以下，解决了纳米粉十分容易团聚的问题，能够使纳米氧化硅优异的纳米特性充分体现出来。
2.固含量高。本发明可以制备出固含量为60％的纳米氧化硅浓缩浆，是一种高浓度高分散体系，提高了纳米氧化硅的使用效率。
3.稳定性好。本发明的纳米氧化硅浓缩浆粘度低，粘度在100mPa·s以下，易于使用，并且具有高度稳定性，通常可保持六个月不沉淀、不分层，最好的可在一年半以上，可以满足贮存稳定性的要求。
4.对环境污染小。本发明使用的分散剂不含苯类和甲醛等有毒的有机物，无论是对人体还是环境绝对无害。
5.工艺简单。本发明主要由分散剂、纳米氧化硅、消泡剂和水四种物料组成，成分简单，制备容易。
6.成本低廉。本发明中使用的分散剂用量少，大大节省了成本。
7.适用性广。适用于涂料、陶瓷、橡胶、粘结剂等多种领域。
具体实施例方式
本发明中除特别指明外，涉及的比例均为重量比。实施例和比较例中纳米氧化硅浓缩浆的性能测试方法如下纳米氧化硅浓缩浆的粘度使用BROOKFIELD DV-III ULTRA流变仪测试。
实施例1制备200g水性纳米氧化硅浓缩浆。在500ml烧杯中称取水99.4g，加入0.4g分散剂Dispers752W和0.2g消泡剂Foamex 810，高速分散机600rpm分散2分钟后，再加入20nm的纳米氧化硅100g，用高速分散机1300rpm分散10分钟后，用球磨机研磨5小时，制成纳米氧化硅重量比为50％的纳米氧化硅浓缩浆。其中分散剂占浆料总量为0.2％，消泡剂占浆料总量为0.1％。
实施例2调整分散剂Dispers752W和消泡剂Foamex 810加入量。其中水为97.4g，纳米氧化硅粉100g，分散剂Dispers752W为1.6g，消泡剂Foamex 810为1.0g，纳米氧化硅浓缩浆的制法同实施例1。制成纳米氧化硅重量比为50％的纳米氧化硅浓缩浆。其中分散剂占浆料总量为0.8％，消泡剂占浆料总量为0.5％。
实施例3调整分散剂Dispers752W和消泡剂Foamex 810加入量。其中水为94.8g，纳米氧化硅粉100g，分散剂Dispers752W为3.2g，消泡剂Foamex 810为2.0g，纳米氧化硅浓缩浆的制法同实施例1。制成纳米氧化硅重量比为50％的纳米氧化硅浓缩浆。其中分散剂占浆料总量为1.6％，消泡剂占浆料总量为1.0％。
实施例4制备200g纳米氧化硅重量比为40％浓缩浆。其中水为118.6g，纳米氧化硅粉80g，分散剂Dispers752W为0.8g，消泡剂Foamex 810为0.6g，纳米氧化硅浓缩浆的制法同实施例1。其中分散剂占浆料总量为0.4％，消泡剂占浆料总量为0.3％。
实施例5制备200g纳米氧化硅重量比为30％浓缩浆。其中水为139g，纳米氧化硅粉60g，分散剂Dispers752W为0.6g，消泡剂Foamex 810为0.4g，纳米氧化硅浓缩浆的制法同实施例1。其中分散剂占浆料总量为0.3％，消泡剂占浆料总量为0.2％。
实施例6制备200g纳米氧化硅重量比为20％浓缩浆。其中水为159.4g，纳米氧化硅粉40g，分散剂Dispers752W为0.4g，消泡剂Foamex 810为0.2g，纳米氧化硅浓缩浆的制法同实施例1。其中分散剂占浆料总量为0.2％，消泡剂占浆料总量为0.1％。
实施例7制备200g纳米氧化硅重量比为40％浓缩浆。其中水为117.7g，纳米氧化硅粉80g，分散剂EFKA-6220为2g，消泡剂EFKA-2550为0.3g，纳米氧化硅浓缩浆的制法同实施例1。其中分散剂占浆料总量为1.0％，消泡剂占浆料总量为0.15％。
实施例8制备200g纳米氧化硅重量比为40％浓缩浆。其中水为114g，纳米氧化硅粉80g，分散剂EFKA-6220为5g，消泡剂EFKA-2550为1g，纳米氧化硅浓缩浆的制法同实施例1。其中分散剂占浆料总量为2.5％，消泡剂占浆料总量为0.5％。
实施例9制备200g纳米氧化硅重量比为40％浓缩浆。其中水为116.8g，纳米氧化硅粉80g，分散剂BYK-191为3g，消泡剂BYK-019为0.2g，纳米氧化硅浓缩浆的制法同实施例1。其中分散剂占浆料总量为1.5％，消泡剂占浆料总量为0.1％。
实施例10制备200g纳米氧化硅重量比为40％浓缩浆。其中水为113.6g，纳米氧化硅粉80g，分散剂BYK-191为6g，消泡剂BYK-019为0.4g，纳米氧化硅浓缩浆的制法同实施例1。其中分散剂占浆料总量为3％，消泡剂占浆料总量为0.2％。
比较例1调整分散剂Dispers752W和消泡剂Foamex 810的加入量，使加入的分散剂量为浆料总重量的0.04％，消泡剂量为浆料总重量的0.02％。其中水为99.88g，纳米氧化硅粉100g，分散剂Dispers752W为0.08g，消泡剂Foamex 810为0.04g。纳米氧化硅浓缩浆的制法同实施例1，制成重量比为50％的纳米氧化硅浓缩浆，此浓缩浆粘度较大，一周后已经胶凝成固态。
比较例2调整分散剂Dispers752W和消泡剂Foamex 810的加入量，使加入的分散剂量为浆料总重量的5％，消泡剂量为浆料总重量的2.0％。其中水为86g，纳米氧化硅粉100g，分散剂Dispers752W为10g，消泡剂Foamex 810为4g。纳米氧化硅浓缩浆的制法同实施例1，制成重量比为50％的纳米氧化硅浓缩浆，此浓缩浆刚研磨好后就胶凝没有流动性了。
比较例3制备200g纳米氧化硅重量比为50％浓缩浆，使加入的分散剂量为浆料总重量的1.0％，不加消泡剂。其中水为98g，纳米氧化硅粉100g，分散剂Dispers752W为2g，纳米氧化硅浓缩浆的制法同实施例1。此纳米氧化硅浓缩浆研磨好后充满泡沫，流动性及差，放置几天后浆料几乎成固态。
比较例4调整分散剂EFKA-6220及消泡剂EFKA-2550的加入量，使加入的分散剂量为浆料总重量的8％，消泡剂量为浆料总重量的1％。其中水为102g，纳米粉80g，分散剂EFKA-6220为16g，消泡剂EFKA-2550为2g。纳米氧化硅浓缩浆的制法同实施例1。制成重量比为40％的纳米氧化硅浓缩浆，此浓缩浆一天后就胶凝没有流动性了。
比较例5调整分散剂BYK-191及消泡剂BYK-019的加入量，使加入的分散剂量为浆料总重量的6％，消泡剂量为浆料总重量的1％。其中水为106g，纳米粉80g，分散剂BYK-191为12g，消泡剂BYK-019为2g。纳米氧化硅浓缩浆的制法同实施例1。制成重量比为40％的纳米氧化硅浓缩浆，此浓缩浆两天后就胶凝没有流动性了。
比较例6制备200g纳米氧化硅重量比为40％浓缩浆。取蒸馏水为117.7g，加入分散剂Hydropalat3275为2g，消泡剂Foamex K3为0.3g，纳米氧化硅仅加入50g左右呈糨糊状无法再继续加入更多的纳米粉了。
实施例和比较例说明表1是纳米氧化硅浓缩浆的比较例和实施例的性能对比数据。由比较例1～3和实施例1～3的对照可知，随着分散剂加入量的逐渐增多，浓缩浆的粘度先减小，然后呈逐渐增加的趋势，分散剂添加量在0.05～3％范围内，特别是在0.1～1.5％范围内，消泡剂添加量在0.05～2.0％范围内，特别在0.1～1.0％范围内，浓缩浆的粘度低，存在状态好。通过实施例1～6可见，随着纳米氧化硅含量的增加，浓缩浆的粘度也逐渐增加，如果浓缩浆的固含量太低，相应的粘度也很低，这种浆料存放久了会容易出现沉淀的现象；如果固含量再继续提高，该浓缩浆的粘度会太大，没有流动性而失去使用价值。因此，该浓缩浆最佳的固含量为20～50％。其它的比较例和实施例也说明，分散剂添加量在0.1～2％，消泡剂添加量在0.1～1.0％范围内浓缩浆粘度低，稳定好，流动性好。
表1

权利要求
1.一种水性纳米氧化硅浓缩浆，其特征在于按重量比计，该浓缩浆由一次粒子的平均粒径在100nm以下的纳米氧化硅10～60％、分散剂0.05～3％、消泡剂0.05～2％、余量的水组成。
2.按照权利要求1所述水性纳米氧化硅浓缩浆，其特征在于按重量比计，纳米氧化硅20～50％，分散剂0.1～1.5％，消泡剂0.1～1％、余量为水。
3.按照权利要求1所述的水性纳米氧化硅浓缩浆，其特征在于所述的分散剂是取自于聚氨酯系、聚丙烯酸酯系、聚丙烯酸盐系、聚羧酸系、聚羧酸盐系、聚醚系、聚酯系、聚酰胺系、多聚磷酸盐系、脂肪酸系分散剂的一种或二种以上的分散剂复配。
4.按照权利要求1所述的水性纳米氧化硅浓缩浆，其特征在于所述的消泡剂选自于聚硅氧烷系、聚醚系、聚丙烯酸酯系、聚丙烯酸盐系一种或二种以上的消泡剂复配。
5.按照权利要求1～4中之一所述水性纳米氧化硅浓缩浆的制备方法，其特征在于按所述组分含量，将分散剂和消泡剂加入水中，用高速分散机200～2000rpm分散2～5分钟使分散剂和消泡剂均匀分散在水中，在高速分散机不停转动过程中逐渐加入纳米氧化硅粉，然后再用高速分散机500～3000rpm分散5～30分钟，所得的纳米氧化硅浆料在球磨机、砂磨机中研磨30分钟～10小时，最后制成水性纳米氧化硅浓缩浆成品。
全文摘要
本发明涉及一种水性纳米氧化硅浓缩浆及其制备方法，按重量比计，该浓缩浆由一次粒子的平均粒径在100nm以下的纳米氧化硅10～60％、分散剂0.05～3％、消泡剂0.05～2％、余量的水组成；其制备方法是将水性分散剂和消泡剂加入到水中，在高速分散机不停转动过程中逐渐加入纳米氧化硅粉，然后再用高速分散机500～3000rpm分散5～30分钟，所得的纳米氧化硅浆料研磨30分钟～10小时，最后制成水性纳米氧化硅浓缩浆成品。本发明的纳米氧化硅浓缩浆固含量高、粘度低，分散性好，稳定性好，对环境污染小，工艺简单，成本低廉，适用性广，可广泛用于陶瓷、涂料、纺织、化妆品和粘结剂等领域。
文档编号C01B33/00GK1923682SQ20051004760
公开日2007年3月7日 申请日期2005年11月2日 优先权日2005年11月2日
发明者宋影伟, 刘福春, 韩恩厚, 柯伟 申请人:中科纳米涂料技术(苏州)有限公司