返回顶部
返回首页
返回首页
今日    | 手机版 | 信息站 | 企业 | 原料 | 热点 | 商道 | 资讯 |
home 您现在的位置: 首页 >卫浴洁具>产品资讯 > 详细信息
有机-无机复合陶瓷涂料的制备及其结构和自散热性能的研究,采用溶胶- 凝胶法,以甲酸为催化剂
2020年03月11日    阅读量:76276     新闻来源:中国建材网 cnprofit.com    |  投稿

0 引言

陶瓷涂料是一种含硅的有机- 无机复合涂料,在各领域中的应用越来越广泛,很多欧美国家已大量使用陶瓷涂料代替传统的有机涂料。有机- 无机复合陶瓷涂料不同于传统意义上的复合材料。


它的有机相与无机相微区尺寸均在纳米范围内,材料兼具二者的特点,在光学透明性、力学性能、耐高温、耐磨损、柔韧性等方面表现出纯有机高分子材料或无机材料所不具备的优越性中国建材网cnprofit.com


陶瓷涂料是以无机成分的硅溶胶作为主要成膜物质,用有机硅氧烷对其进行改性,通过溶胶- 凝胶法制备而成。硅氧烷带有的有机基团能有效增强涂层的柔韧性及弹性,从而提高涂层的抗破裂能力,因此可以用硅氧烷改性硅溶胶,制备有机- 无机复合陶瓷涂料。


有机硅氧烷单体的种类直接影响着改性硅溶胶和涂层的性能。一般来说,有机硅氧烷单体中与硅原子直接相连的烷氧基的数目越多,其水解活性越高;


另外,有机硅氧烷单体中的有机链越长,空间位阻越大,其水解能力和水溶性越差。其中,甲基三甲氧基硅烷(MTMS)是甲基烷氧基硅烷中一种活性较高的硅氧烷单体,是制备有机- 无机复合陶瓷涂料常用的硅氧烷单体。


1 陶瓷涂料的制备过程

陶瓷涂料的制备过程主要分为2 个阶段:首先在酸性条件下,MTMS 水解生成硅醇;其次纳米硅溶胶表面的—OH与硅醇进行缩聚反应,形成有一定黏度的具交联结构的有机- 无机复合陶瓷涂料。反应过程如下:

(1) 甲基三甲氧基硅烷在酸性条件下水解:

有机-无机复合陶瓷涂料的制备及其结构和自散热性能的研究,采用溶胶- 凝胶法,以甲酸为催化剂 中国建材网,cnprofit.com

(2) 硅溶胶与硅醇进行缩聚反应生成交联结构的涂膜:

有机-无机复合陶瓷涂料的制备及其结构和自散热性能的研究,采用溶胶- 凝胶法,以甲酸为催化剂 中国建材网,cnprofit.com


从以上反应过程可以看出,反应得到的有机- 无机复合陶瓷涂料的主链是Si—O—Si 的无机结构,与典型的有机结构的C—C 键相比,无疑有着极高的硬度、耐磨性、极好的热稳定性和导热散热性(导热散热达85%~95%),因此产品的使用寿命更长,不受阳光和紫外线的影响,被广泛应用在电热器、散热器、LED 系列和散热片等产品上。


本研究采用溶胶- 凝胶法,以MTMS 为改性剂,通过MTMS 的水解产物与硅溶胶共缩聚制得有机-无机复合陶瓷涂料,将其喷涂在预处理过的铝基材上固化后制得陶瓷涂膜。采用FT-IR、粒径分布、TGA 等方法表征了有机- 无机复合陶瓷涂料的结构;研究了陶瓷涂层的自散热性能,并考察了不同颜色陶瓷涂层自散热效率的差异。


2 试验部分

2.1 原材料

碱性硅溶胶(9950),阿克苏诺贝尔;甲基三甲氧基硅氧烷(MTMS,纯度>99%),工业级,杭州硅宝化工有限公司;甲酸(HCOOH),分析纯,国药集团化学试剂有限公司;晶须硅,2 500 目,上海汇精亚纳米新材料有限公司;颜料,美国薛特颜料公司。


2.2 仪器

篮式研磨机,上海现代环境工程技术股份有限公司;Nicolet380 型傅里叶变换红外光谱仪(FTIR),美国Thermo Nicolet 公司;TA Q500 HiRes 热重分析仪(TGA),美国TA 仪器公司;Malvern(马尔文)Nano-ZS90 DLS 粒度分析仪,英国马尔文仪器有限公司;涂料熟化滚架,自制;fluke 563 红外测温仪。


2.3 试验方法

2.3.1 有机- 无机复合陶瓷涂料的制备

(1) 色浆研磨:按照表1 配方量将物料混合均匀,在篮式研磨机上以1 200 r/min 的速度研磨约1 h,待细度<20 μm后,用300 目滤布过滤,出料,备用。

色浆研磨配方 Table 1 Colour paste grinding formula

有机-无机复合陶瓷涂料的制备及其结构和自散热性能的研究,采用溶胶- 凝胶法,以甲酸为催化剂 中国建材网,cnprofit.com

(2) 陶瓷涂料的制备:按照表2 配方称取一定量的色浆于塑料试剂瓶中,加入甲酸混合均匀后,加入MTMS,盖上盖子后充分混合,在熟化滚架上反应一段时间后待用。熟化反应条件见表3。

陶瓷涂料的配方 Table 2 Formula of ceramic coatings,陶瓷涂料熟化反应条件 Table 3 Reaction condition of ceramic coatings

有机-无机复合陶瓷涂料的制备及其结构和自散热性能的研究,采用溶胶- 凝胶法,以甲酸为催化剂 中国建材网,cnprofit.com

2.3.2 基材预处理

预处理工艺可有效增加涂层与基材之间的附着力,提高涂层的耐久性。本试验是以压缩空气为动力,通过形成高速喷射束将喷料(砂子)喷射到铝基材表面,使基材表面获得一定的清洁度和不同的粗糙度。喷砂参数如表4 所示。

2.3.3 样板制备

将预处理后的基材预热至45~60 ℃,陶瓷涂料过滤后采用压缩空气喷涂于基材表面,固化成膜,喷涂及固化参数如表5 所示。

基材喷砂参数 Table 4 Sandblasting parameters of base material,喷涂及固化参数 Table 5 Spraying and curing parameters

有机-无机复合陶瓷涂料的制备及其结构和自散热性能的研究,采用溶胶- 凝胶法,以甲酸为催化剂 中国建材网,cnprofit.com

2.3.4 性能测试与表征

红外光谱:取少量陶瓷涂层,采用KBr 压片法,将样品放入玛瑙坩埚中,加入KBr 研磨至一定细度,放入压片器压成微透光的薄片进行红外光谱测试。

波长范围400~4 000 cm-1。


粒径及粒径分布:将制得的有机- 无机复合陶瓷涂料用去离子水稀释到0.5%左右,超声分散均匀后进行测试。


热失重(TGA)分析:将样品放入真空烘箱中于90 ℃下干燥24 h 后进行TGA测试,测试气氛为氮气(N2),升温速率为10 ℃ /min,升温范围25~600 ℃。

自散热性能:(1)在铝制锅子外壁涂覆陶瓷涂料,锅内加入1 000 g 开水,盖上盖子插入温度计,用秒表记录锅内水温每下降5 ℃所需要的时间,表征涂层的散热能力;②将不同颜色的陶瓷涂料涂覆在LED 灯罩的外表面,在温度恒定的密闭环境中,打开LED灯,2 h 后用红外测温仪分别测试LED灯与灯罩的表面温度,用温差来表征陶瓷涂料的自散热效果。


3 结果与讨论

3.1 有机- 无机复合陶瓷涂料的粒径分布

不同反应时间下,有机- 无机复合陶瓷涂料的粒径分布如图1 所示。

不同反应时间下有机 - 无机复合陶瓷涂料的粒径分布 Figure 1 Particle diameter distribution of organic-inorganic   composite ceramic coatings at different reaction time

有机-无机复合陶瓷涂料的制备及其结构和自散热性能的研究,采用溶胶- 凝胶法,以甲酸为催化剂 中国建材网,cnprofit.com

如图1 所示,随着反应时间的延长,陶瓷涂膜液中持续发生着水解、缩聚反应,分子慢慢聚集长大,SiO2 粒子的粒径缓慢增大。熟化初期,MTMS 的水解产物与硅溶胶中SiO2 表面的羟基发生缩聚反应,形成低聚物,由于溶胶体系中醇的存在减缓了水解反应的速度,使溶胶在反应初始的粒径分布比较集中。


随着反应时间的延长,溶胶中的低聚物和硅溶胶粒子不断聚集,粒径逐渐变大、粒径分布逐渐变宽。继续延长反应时间,溶胶颗粒粒径不断增大,粒径分布变得更宽;溶胶粒子不断聚集,当聚集达到一个临界值时,产生凝胶。


为保证陶瓷涂料的使用时间和最佳使用性能,陶瓷涂料制备过程中,熟化反应时间不易过长,以8 h 为宜。


3.2 有机- 无机复合陶瓷涂层的热重分析

图2 是硅溶胶和复合陶瓷涂层在N2 气氛下的TGA 曲线。由图2 可以看出,陶瓷涂层在150 ℃以下的质量损失主要是涂层中残留的水分和溶剂挥发造成的。与纯硅溶胶相比,此阶段的质量损失较少,这是因为MTMS 的水解反应消耗了一部分水,涂层中可挥发性物质含量减少所致。


随着温度的升高,在150~300 ℃之间,MTMS 的质量损失是由于固化温度低,聚合反应进行不完全,涂层分子链中残留的—OH之间脱水聚合所致。当温度>300 ℃时,复合陶瓷涂层的质量损失逐渐趋于稳定。这说明要得到热稳定性好的涂层,复合陶瓷涂层的固化温度要在250 ℃以上,甚至达到300 ℃。

有机-无机复合陶瓷涂料的制备及其结构和自散热性能的研究,采用溶胶- 凝胶法,以甲酸为催化剂 中国建材网,cnprofit.com

硅溶胶和陶瓷涂层干燥后的 TGA 曲线 Figure 2 TGA curves of silica and composite ceramic   coating after being dried respectively


3.3 有机- 无机复合陶瓷涂层的红外分析

图3 是硅溶胶和复合陶瓷涂层的红外光谱图。

有机-无机复合陶瓷涂料的制备及其结构和自散热性能的研究,采用溶胶- 凝胶法,以甲酸为催化剂 中国建材网,cnprofit.com

硅溶胶和复合陶瓷涂层干燥后的红外光谱 Figure 3 FT-IR absorption spectra of silica and composite   ceramic coating after being dried respectively

由图3 可知,3 500~3 300 cm-1 处的宽吸收峰为分子间氢键O—H的伸缩振动峰;1 632 cm-1 处为水的羟基弯曲振动特征峰,这主要是硅溶胶和陶瓷涂层中残存的水引起的;2 963 cm-1 处为C—H 的伸缩振动吸收峰;1 261 cm-1 处是Si—CH3 的对称变形振动吸收峰;790 cm-1 处的吸收峰是—CH3 的平面摇摆振动和Si—CH3 的伸展振动共同引起的,硅溶胶没有此峰,说明陶瓷涂层上成功接枝上了—CH3 ;

有机-无机复合陶瓷涂料的制备及其结构和自散热性能的研究,采用溶胶- 凝胶法,以甲酸为催化剂 中国建材网,cnprofit.com

902 cm-1处为Si—OH的伸缩振动特征峰,硅溶胶的干燥产物中没有此峰,说明陶瓷涂层中存在大量的硅羟基,一部分羟基未发生交联反应;1 000~1 250 cm-1 处的振动吸收峰强而宽,这是Si—O的振动吸收带,是由Si—O、Si—O—Si、Si—O—C 以及O—Si—O 等基团引起的,改性后峰强度减弱且变宽,说明MTMS 与硅溶胶表面的—OH发生了缩合反应。


包裹住了硅溶胶内部的Si—O—Si 键;受包覆改性的影响,硅溶胶在474 cm-1 处的O—Si—O面内弯曲振动吸收峰也明显减弱,并且发生偏移。这些都证实了水解缩合反应的进行,而且MTMS 与硅溶胶表面的—OH发生了缩合反应,包裹住了硅溶胶,生成了含有有机基团的Si—O—Si 的无机骨架结构。


3.4 陶瓷涂层自散热性能的研究

表6 是锅内水温每下降5 ℃所需要的时间,按式(1)计算热效率提高值。

水温每下降 5 ℃所需的时间 Table 6 The time required for water temperature   to drop by 5 degrees


式中,t1——外壁无涂层锅,水温从80 ℃下降至50 ℃所需时间;

t2——外壁喷涂陶瓷涂层锅,水温从80 ℃下降至50 ℃所需时间。

白色陶瓷涂层锅热效率提高=(142.52-118.85)/142.52×100%=16.61%

黑色陶瓷涂层锅热效率提高=(142.52-109.67)/142.52×100%=23.05%

由表6 可以看出,喷涂陶瓷涂层的锅与无涂层的锅子相比,水温每下降5 ℃所用的时间缩短,降温速度明显加快,散热效率提高,说明陶瓷涂层具有自散热性能,不同颜色的陶瓷涂层的散热效率有所不同,黑色涂层的散热速度大于白色涂层。为了验证不同颜色陶瓷涂层自散热效率的差别,用LED 灯罩做了测试,结果见表7。

 不同颜色 LED 灯罩的自散热效果 Table 7 Self-radiating effect of different color LED lampshades

注:测试条件,密闭;测试时间,2 h。

有机-无机复合陶瓷涂料的制备及其结构和自散热性能的研究,采用溶胶- 凝胶法,以甲酸为催化剂 中国建材网,cnprofit.com

通过表7 中的数据可以看出,一段时间后灯罩表面的温度明显低于LED灯的表面温度,说明LED灯罩涂覆陶瓷涂层后可以起到自散热的效果,不同颜色的灯罩其表面温度在2 h 内下降了10.2~14.3 ℃。不同颜色陶瓷涂层的自散热性能略有差异,自散热情况由好到差的排序依次为:黑色> 灰色> 米黄> 乳白> 银白,颜色深一些的陶瓷涂层的自散热效果更好一些。


4 结语

采用溶胶- 凝胶法,以甲酸为催化剂,用甲基三甲氧基硅烷(MTMS)对硅溶胶进行改性,制得有机- 无机复合陶瓷涂料。采用粒度分析仪、热重分析(TGA)和红外光谱(FT-IR)对制得的陶瓷涂层进行了结构分析,并研究了陶瓷涂层的自散热性能。


结果表明:随着反应时间的延长,改性硅溶胶的粒径逐渐变大、粒径分布逐渐变宽,说明硅溶胶和MTMS 发生了水解缩聚反应,生成了有机- 无机复合陶瓷涂料;要得到热稳定性好的陶瓷涂层,MTMS 改性硅溶胶涂层的固化温度要在250 ℃以上,甚至达到300 ℃。陶瓷涂层具有明显的自散热性能,不同颜色的陶瓷涂层的自散热效率略有差异,颜色深一些的陶瓷涂层的自散热效率更高。


标签:行业资讯原料动态建材百科产品资讯建材应用市场评论技术中心家居家电成品材料建筑基材建筑施工涂料油漆卫浴洁具瓷砖陶瓷建筑材料
免责声明: 本文仅代表作者本人观点,与本网无关。本网对文中陈述、观点判断保持中立,不对所包含内容的准确性、可靠性或完整性提供任何明示或暗示的保证。请读者仅作参考,并请自行承担全部责任。本网转载自其它媒体的信息,转载目的在于传递更多信息,并不代表本网赞同其观点和对其真实性负责。如因作品内容、版权和其它问题需要同本网联系的,请在一周内进行,以便我们及时处理。客服邮箱:service@cnso360.com | 客服QQ:23341571

全站地图 | 二级目录 | 上链请联系QQ:23341571

深圳网络警察报警平台 深圳网络警
察报警平台

公共信息安全网络监察 公共信息安
全网络监察

经营性网站备案信息 经营性网站
备案信息

中国互联网举报中心 中国互联网
举报中心

中国文明网传播文明 中国文明网
传播文明

深圳市市场监督管理局企业主体身份公示 工商网监
电子标识