专利名称：一种溶剂型纳米二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，具体为一种溶剂型纳米二氧化硅浓缩浆及其制备方法。
背景技术：
纳米二氧化硅是重要的超微细材料，其具有高的硬度、热力稳定性、高的比表面积，在众多领域具有许多常规材料不具备的特性，从而广泛用于多种领域。主要用于(1) 涂料领域，利用纳米二氧化硅的特殊的光学性能，提高涂料抗紫外老化和热老化的性能，同时增加了涂料的隔热性，也可以利用纳米二氧化硅的三维空间网络结构，提高涂料的耐腐蚀性能和硬度；( 粘结剂和密封胶领域，将纳米二氧化硅添加到密封胶中能很快形成一种网络结构，抑制胶体流动，同化速率加快，提高粘接效果，同时由于颗粒细小，更增加了胶的密封性；C3)纺织领域，纳米二氧化硅用于制备防紫外、远红外、抗菌消臭和抗老化人造纤维材料；(4)杀菌领域，二氧化硅可吸附抗菌离子，达到杀菌抗菌的目的；(5)橡胶改性， 通过控制氧化硅尺寸，制备抗紫外辐射的橡胶、红外反射橡胶、高绝缘橡胶等；(6)油墨领域，纳米二氧化硅可用于油墨中作为分散剂和流量控制剂；(7)其他领域，如提高人造牙齿硬度，提高纸张表面涂层耐磨性，增强化妆品的抗紫外能力等。总之，纳米二氧化硅由于其在磁性、催化性、光吸收、热阻和熔点等方面与常规材料相比显示出特异功能，因而得到人们的极大重视。纳米二氧化硅由于其粒径小，比表面积大，粒子间容易相互吸附而造成团聚。如果将团聚的纳米二氧化硅直接添加使用，则会使之失去纳米效应而不能发挥其作为功能纳米材料的作用。所以，纳米二氧化硅的分散稳定就显得尤为重要，实践中将其制备为纳米浓缩浆便于其运输和使用。另外，纳米二氧化硅在一些场合下使用，需要疏水的效果，如用在制备涂料、橡胶和油墨等。然而，无论是干法制备的纳米二氧化硅，还是湿法制备的纳米二氧化硅，其表面皆因带有一定数量的羟基倾向于亲水性。因而，若将二氧化硅表面进行表面预处理，是其由亲水型转变为疏水型，则易于在油性的基质中使用。针对纳米二氧化硅的表面疏水改性和纳米浆的制备。中国专利96104564. 7报道了利用表面接枝聚硅氧烷的方法制备疏水型纳米二氧化硅，但工艺比较复杂。另一个中国专利CN101205423A报道了用聚甲基含氢硅氧烷制备疏水型纳米二氧化硅，虽其工艺相对简单，但其硅氧烷原料消耗量较大。针对纳米浆的制备，中国专利CN100422079C报道了一种水性纳米氧化硅浓缩浆及其制备方法，但关于溶剂型纳米二氧化硅浓缩浆的报道，却很少见报道。因此，制备固含量高、工艺简单、稳定性好的高疏水性纳米二氧化硅和其相应的溶剂型浓缩浆具有重要的实际应用意义。
发明内容
本发明的目的在于提供一种溶剂型纳米二氧化硅浓缩浆及其制备方法，解决现有技术中存在的硅氧烷原料消耗较大、工艺复杂等问题，浓缩浆分散性好、贮存稳定、固含量高、粘度低。
本发明的技术方案是—种溶剂型纳米二氧化硅浓缩浆，按质量百分比计，该浓缩浆由氟硅烷改性纳米 SiO2 10% 30%、分散剂20% 50%和余量的溶剂组成。所述的氟硅烷改性纳米SiA为纳米SiA表面接枝氟硅烷，纳米SiA平均粒径在 IOOnm以下，其中氟硅烷纳米SiO2质量比为0.05 0.3 1。所述的氟硅烷是指十七氟癸基三甲氧基硅烷、三氟丙基甲基二甲氧基硅烷、三氟丙基三甲氧基硅烷、(N-全氟辛基磺酰基)_氨丙基三乙氧基硅烷、十三氟辛基三乙氧基硅烷、三氟丙基甲基环三硅氧烷、三氟丙基三乙氧基硅烷之一。所述的分散剂取自聚烯烃系、聚烯烃盐系、聚羧酸系、聚羧酸盐系、聚丙烯酸系、聚丙烯酸盐系、聚酯系、聚酯盐系、聚酰胺系、聚酰胺盐系、聚氨酯系、聚氨酯盐系、聚醚系、聚醚盐系、聚酐系、聚硅氧烷系、聚氧乙烯系、聚氧丙烯系、马来酸系、马来酸酐系的一种或两种以上复配。上述分散剂是指德国迪高(Tego)公司的Dispers 610S、Dispers 655、 Dispers685、Dispers 700、Dispers 710 和 Dispers 670 等。德国毕克(BYK)分散剂 BYK-AT203、BYK-P104S、BYK-163、BYK-110，BYK-161、BYK-164，BYK-111、BYK-190、BYK-163、 Β (-154、Β (-199、Β (-180 等。荷兰埃夫卡助剂公司(EFKA)的 EFKA_44、EFKA-46、EFKA_47、 EFKA-48、EFKA-49、EFKA-54、EFKA-63、EFKA-64、EFKA-65、EFKA-66、EFKA-71、EFKA-701、 EFKA-745、EFKA-764、EFKA-766、EFKA-4008、EFKA-4009、EFKA-4540、EFKA-4550、EFKA-5065、 EFKA-5244 等。所述的溶剂取自脂肪烃类、脂环烃类、芳香烃类、醇类、酮类、酯类、萜类、醚类、醇醚及醚酯类、取代烃类之一种或两种以上复配。上述溶剂是指200号溶剂油、正己烷、异己烷、正庚烷、异庚烷、环己烷、四氢化萘、 十氢化萘、甲苯、二甲苯、三甲苯、SolvessolOO, Solvessol50、Solvesso200、溶剂石脑油、甲醇、乙醇、正丙醇、异丙醇、正丁醇、异丁醇、仲丁醇、叔丁醇、乙二醇、丙二醇、甲乙酮、甲基异丁酮、环己酮、异佛尔酮、醋酸乙酯、醋酸正丁酯、醋酸异丁酯、甲氧基乙酸丙酯、四氢呋喃、 乙二醇乙醚、乙二醇丁醚、乙二醇乙醚醋酸酯、乙二醇丁醚醋酸酯、二乙二醇乙醚、二乙二醇丁醚、二乙二醇乙醚醋酸酯、二乙二醇丁醚醋酸酯、丙二醇乙醚、丙二醇丁醚、丙二醇甲醚醋酸酯、丙二醇乙醚醋酸酯、丙二醇丁醚醋酸酯、二丙二醇甲醚、二丙二醇乙醚或三氯乙烷。所述的溶剂型纳米二氧化硅浓缩浆的制备方法，包括如下步骤首先，按质量比为氟硅烷偶联剂水异丙醇=1 10 20 0. 5 1配制混合溶液，混合溶液在微酸性条件下pH = 4. 5 6. 5水解，水解产物为氟硅醇；然后，加入占混合溶液质量5% 30%的纳米SiO2,搅拌条件下在60 100°C之间加热0. 5 浊后，在 30 50°C烘干，研磨成粒径为1 IOOnm的粉末，即为氟硅烷接枝改性纳米SW2粉；然后，氟硅烷改性纳米SiO2粉与分散剂按质量比1 0.2 2混合后，在 SOOrpm 2000rpm转速下分散，确认完全溶解后，按氟硅烷改性纳米SW2粉与溶剂质量比为1 1.5 5加入溶剂，球磨4 8小时，出料，即为氟硅烷改性纳米SiO2浓缩浆。本发明的优点如下1、功能性强。首先将纳米二氧化硅表面进行疏水化，实现了纳米二氧化硅表面由亲水基团向疏水基团的转变，有利于纳米二氧化硅在疏水的领域使用，且易于制备溶剂性纳米浆。2、分散性好，使用高效的分散剂，解决了纳米粉容易团聚的问题，体现纳米特性。3、固含量高。本发明可以制备出固含量为30%的纳米二氧化硅浓缩浆，是一种高浓度的分散体系，提高纳米二氧化硅的使用效率4、稳定性好。本发明的纳米浓缩浆粘度低，粘度在60mPa·s以下，易于使用，且可以稳定保持12个月以上不沉淀、不分层，满足贮存稳定性的要求。5、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，安全环保。6、本发明改性后的纳米S^2经过分散剂处理后形成的纳米浓缩浆，能够均勻分散到涂料中，使涂料表面具有均一的微米-纳米结构，从而比直接添加纳米S^2形成的涂料具有更利于防污的表面结构，使水生物在涂料表面难于附着，或即使附着，也容易被水流等外力冲刷脱落。且本涂料完全不使用有毒的防污剂，不对环境造成破坏。7、本发明纳米二氧化硅的质量百分比可达30%，该纳米二氧化硅浓缩浆适用于涂料、油墨、陶瓷、橡胶和粘结剂等多种领域。
图1为SW2氟硅烷处理前后FIlR (红外)吸收光谱。图2为未分散的和纳米浆分散的氟硅烷处理后纳米Si02。其中，(a)图为分散前； (b)图为分散后。
具体实施例方式本发明中除非特别指明外，所涉及的比例均为质量百分比，纳米SW2的平均粒度为1 lOOnm，纳米SW2的比表面积180 M0m2/g，纳米SW2浓缩浆的粘度使用BR00KFIELD DV-III ULTRA测试，采用60转/分的粘度值。实施例1 本实施例中，氟硅烷(本实施例为十七氟癸基三甲氧基硅烷)改性纳米SiO2浓缩浆的具体过程如下首先制备混合溶液，其成分质量比为氟硅烷偶联剂水异丙醇=1 15 1，混合溶液在PH = 6的盐酸溶液中水解，水解产物为氟硅醇；加入占混合溶液质量30%的纳米 SiO2 (本实施例中，纳米SW2平均粒径为20nm)，搅拌条件下在60°C加热2h，40°C烘干，研磨成氟硅烷接枝改性纳米SiO2粉，其中氟硅烷纳米SiO2质量比为0.15 1，此粉按质量比为氟硅烷改性纳米SiO2粉分散剂=1 1加入分散剂BIllO，在1200rpm转速下分散， 确认完全溶解后，按质量比氟硅烷改性纳米SiO2粉有机溶剂=1 3加入有机溶剂(甲氧基乙酸丙酯)，球磨5小时，得到氟硅烷改性纳米S^2的浓缩浆。实施例2:本实施例中，氟硅烷(本实施例为三氟丙基甲基二甲氧基硅烷)改性纳米SiO2* 缩浆的具体过程如下首先制备混合溶液，其成分质量比为氟硅烷偶联剂水异丙醇=1 12 1，混合溶液在PH = 5的盐酸溶液中水解，水解产物为氟硅醇；加入占混合溶液质量15%的纳米SiO2 (本实施例中，纳米SW2平均粒径为20nm)，搅拌条件下在80°C加热lh，40°C烘干，研磨成氟硅烷接枝改性纳米SiO2粉，其中氟硅烷纳米SiO2质量比为0.15 1，此粉按质量比为氟硅烷改性纳米SiO2粉分散剂=1 1.2加入分散剂肌K-P104S，在900rpm转速下分散，确认完全溶解后，按质量比氟硅烷改性纳米SiO2粉有机溶剂=1 2加入有机溶剂 (丙二醇丁醚醋酸酯)，球磨6小时，得到氟硅烷改性纳米S^2的浓缩浆。实施例3 本实施例中，氟硅烷(本实施例为三氟丙基三甲氧基硅烷)改性纳米SiO2浓缩浆的具体过程如下首先制备混合溶液，其成分质量比为氟硅烷偶联剂水异丙醇=1 15 1， 混合溶液在pH = 4. 5的盐酸溶液中水解，水解产物为氟硅醇；加入占混合溶液质量20%的纳米SiO2 (本实施例中，纳米SW2平均粒径为20nm)，搅拌条件下在100°C加热0. 5h，30°C 烘干，研磨成氟硅烷接枝改性纳米SiO2粉，其中氟硅烷纳米SiO2质量比为0.15 1，此粉按质量比为氟硅烷改性纳米SiO2粉分散剂=1 2加入分散剂EFKA5065，在1500rpm 转速下分散，确认完全溶解后，按质量比氟硅烷改性纳米SiO2粉有机溶剂=1 5加入有机溶剂(醋酸正丁酯)，球磨4小时，得到氟硅烷改性纳米S^2的浓缩浆。实施例4 本实施例中，氟硅烷(本实施例为三氟丙基三乙氧基硅烷)改性纳米SiO2浓缩浆的具体过程如下首先制备混合溶液，其成分质量比为氟硅烷偶联剂水异丙醇=1 15 0. 8， 混合溶液在pH = 6. 5的盐酸溶液中水解，水解产物为氟硅醇；加入占混合溶液质量5%的纳米SiO2 (本实施例中，纳米SW2平均粒径为20nm)，搅拌条件下在80°C加热1. 5h，50°C烘干，研磨成氟硅烷接枝改性纳米SiO2粉，其中氟硅烷纳米SiO2质量比为0.15 1，此粉按质量比为氟硅烷改性纳米SiO2粉分散剂=1 1加入分散剂Dispers 685，在IOOOrpm 转速下分散，确认完全溶解后，按质量比氟硅烷改性纳米SiO2粉有机溶剂=1 1.5加入有机溶剂(丙二醇丁醚醋酸酯)，球磨6小时，得到改性纳米S^2的浓缩浆。比较例1 本实施例中，氟硅烷(本比较例为十三氟辛基三乙氧基硅烷)改性纳米SiO2浓缩浆的具体过程如下首先制备混合溶液，其成分质量比为氟硅烷偶联剂水异丙醇=1 20 0. 5， 混合溶液在PH = 6的盐酸溶液中水解，水解产物为氟硅醇；加入占混合溶液质量10%的纳米SiO2 (本实施例中，纳米SiA平均粒径为20nm)，搅拌条件下在70°C加热lh，40°C烘干， 研磨成氟硅烷接枝改性纳米SiO2粉，其中氟硅烷纳米SiO2质量比为0.15 1，此粉按质量比为氟硅烷改性纳米SiO2粉分散剂=1 0. 5加入分散剂EFKA6220，在1500rpm转速下分散，确认完全溶解后，按质量比氟硅烷改性纳米SiO2粉有机溶剂=1 2加入有机溶剂(二甲苯)，球磨8小时，得到氟硅烷改性纳米S^2的浓缩浆。表1是实施例和比较例的对比粘度数据和浆的形态。由实施例1 4和比较例1 可以看出，分散剂和溶剂的种类对浆的粘度和状态影响最大。采用酯类溶剂，所得到的浓缩浆粘度较低，分散状态较好，比采用二甲苯溶剂好。纳米3102粉分散剂=1 1 2的范围得到的纳米浆粘度低。
6
表 权利要求
1.一种溶剂型纳米二氧化硅浓缩浆，其特征在于按质量百分比计，该浓缩浆由氟硅烷改性纳米SiO2IO^ 30%、分散剂20% 50%和余量的溶剂组成。
2.根据权利要求1所述的溶剂型纳米二氧化硅浓缩浆，其特征在于，所述氟硅烷改性纳米SiA为纳米SiA表面接枝氟硅烷，纳米SiA平均粒径在IOOnm以下，其中氟硅烷纳米SiO2质量比为0. 05 0. 3 1。
3.根据权利要求2所述的溶剂型纳米二氧化硅浓缩浆，其特征在于，所述氟硅烷是指十七氟癸基三甲氧基硅烷、三氟丙基甲基二甲氧基硅烷、三氟丙基三甲氧基硅烷、(N-全氟辛基磺酰基)_氨丙基三乙氧基硅烷、十三氟辛基三乙氧基硅烷、三氟丙基甲基环三硅氧烷、三氟丙基三乙氧基硅烷之一。
4.按照权利要求1所述的溶剂型纳米二氧化硅浓缩浆，其特征在于所述的分散剂取自聚烯烃系、聚烯烃盐系、聚羧酸系、聚羧酸盐系、聚丙烯酸系、聚丙烯酸盐系、聚酯系、聚酯盐系、聚酰胺系、聚酰胺盐系、聚氨酯系、聚氨酯盐系、聚醚系、聚醚盐系、聚酐系、聚硅氧烷系、聚氧乙烯系、聚氧丙烯系、马来酸系、马来酸酐系的一种或两种以上复配。
5.按照权利要求1所述的溶剂型纳米二氧化硅浓缩浆，其特征在于所述的溶剂取自脂肪烃类、脂环烃类、芳香烃类、醇类、酮类、酯类、萜类、醚类、醇醚及醚酯类、取代烃类之一种或两种以上复配。
6.按照权利要求5所述的溶剂型纳米二氧化硅浓缩浆，其特征在于所述溶剂是指 200号溶剂油、正己烷、异己烷、正庚烷、异庚烷、环己烷、四氢化萘、十氢化萘、甲苯、二甲苯、 三甲苯、SolvessolOO, Solvessol50、Solvesso200、溶剂石脑油、甲醇、乙醇、正丙醇、异丙醇、正丁醇、异丁醇、仲丁醇、叔丁醇、乙二醇、丙二醇、甲乙酮、甲基异丁酮、环己酮、异佛尔酮、醋酸乙酯、醋酸正丁酯、醋酸异丁酯、甲氧基乙酸丙酯、四氢呋喃、乙二醇乙醚、乙二醇丁醚、乙二醇乙醚醋酸酯、乙二醇丁醚醋酸酯、二乙二醇乙醚、二乙二醇丁醚、二乙二醇乙醚醋酸酯、二乙二醇丁醚醋酸酯、丙二醇乙醚、丙二醇丁醚、丙二醇甲醚醋酸酯、丙二醇乙醚醋酸酯、丙二醇丁醚醋酸酯、二丙二醇甲醚、二丙二醇乙醚或三氯乙烷。
7.根据权利要求1所述的溶剂型纳米二氧化硅浓缩浆的制备方法，其特征在于，包括如下步骤首先，按质量比为氟硅烷偶联剂水异丙醇=1 10 20 0.5 1配制混合溶液，混合溶液在微酸性条件下pH = 4. 5 6. 5水解，水解产物为氟硅醇；然后，加入占混合溶液质量5% 30%的纳米SiO2,搅拌条件下在60 100°C之间加热0. 5 池后，在30 50°C烘干，研磨成粒径为1 IOOnm的粉末，即为氟硅烷接枝改性纳米SW2粉；然后，氟硅烷改性纳米SiO2粉与分散剂按质量比1 0.2 2混合后，在SOOrpm 2000rpm转速下分散，确认完全溶解后，按氟硅烷改性纳米SiO2粉与溶剂质量比为 1 1.5 5加入溶剂，球磨4 8小时，出料，即为氟硅烷改性纳米SiO2*缩浆。
全文摘要
本发明涉及纳米技术，具体为一种溶剂型纳米二氧化硅浓缩浆及其制备方法。按质量百分比计，该浓缩浆由氟硅烷改性纳米SiO210％～30％、分散剂20％～50％和余量的溶剂组成。首先将溶解在氟硅烷偶联剂、水和异丙醇的混合溶液中，然后在微酸性条件下加热搅拌，烘干后研磨成氟硅烷改性纳米SiO2粉；氟硅烷改性纳米SiO2粉与分散剂按质量比1∶0.2～2混合后，在800rpm～2000rpm转速下分散，确认完全溶解后，按氟硅烷改性纳米SiO2粉与溶剂质量比为1∶1.5～5加入溶剂，球磨4～8小时，出料，即为氟硅烷改性纳米SiO2浓缩浆。本发明解决现有技术中存在的硅氧烷原料消耗较大、工艺复杂等问题，浓缩浆分散性好、贮存稳定、固含量高、粘度低，适用于涂料、油墨、陶瓷、橡胶和粘结剂等多种领域。
文档编号C09C3/12GK102408757SQ20111027298
公开日2012年4月11日 申请日期2011年9月15日 优先权日2011年9月15日
发明者于涛, 刘福春, 史洪微, 张善志, 武琳琳, 韩恩厚 申请人:中国科学院金属研究所, 大连裕祥科技集团有限公司