硅烷偶联剂对铝粉颜料改进性研究

铝粉颜料改进性研究
 摘要：主要研究了采用偶联剂为改性剂处理铝粉颜料，以满足其在水性涂料中稳定性的要求。选用4种不同的偶联剂改性处理，通过比较改性后样品在水溶液中的分散性得出，r一APS硅烷偶联剂CG-550为较好的改性剂，且当偶联剂：水：乙醇质量比为1：2：30时，zeta电位值最大，处理过的铝粉颜料在水溶液中的分散性最好。通过EDS能谱研究了反应机理，可知硅烷偶联剂在铝粉颗粒表面发生缩聚反应，在铝粉颜料表面形成膜层，提高了铝粉颜料的耐腐蚀性。
    关键词：铝粉颜料；改性；硅烷偶联剂；水性涂料
    0引言
    铝粉颜料是一种重要的金属颜料，由于其具有金属闪光效果和随角异色性，在汽车涂料中被广泛使用。现在汽车涂料正向着绿色、环保方面发展，而采用水性涂料代替传统的有机涂料?是有效途径之一。
    水性涂料是以水作为溶剂或分散介质，且浆料大多呈弱碱性，所以，水性涂料使用的颜料与溶剂型涂料用的颜料有不同的要求。水性涂料用颜料，首先必须能有效地分散在水中，即颜料应该是表面亲水的，其次必须在水介质中保持较高的化学稳定性。
    在水性金属涂料中，最重要的问题是铝粉颜料在碱性水溶性介质中会反应生成氢气，其反应
    方程如下：
    2Al+6H20—+2Al(OH)3+3H2(1)
    氢气在反应中溢出会导致涂料容器中的压力增加造成危险，这种反应被称为“涨听效应”。因此，抑制反应的发生非常必要。这就需要对铝粉颜料进行表面改性处理，常用方法都是基于以下两种基本原理：一种是添加剂技术，即在铝颜料颗粒的表面上以物理方法混合添加剂，在铝片外层形成一个保护层，如在铝粉涂料中加入磷酸、钼酸等钝化铝粉表面，最终阻止铝和水发生反应；另一一种是在颜料粒子表面上沉积或包覆单分子或多分子层的物质，包括无机氧化物或高分子聚合物，以增加粒子表面极性，使之与水溶液相容性提高，从而减少粒子聚集，提高润湿性、分散性、均匀性等性能。
    本文采用三种偶联剂对铝粉颜料进行表面改性处理。偶联剂是一种重要的、应用领域日渐广泛的处理剂。偶联剂一般具有两性基团，其中一个是亲无机物的基团，易于与铝粉颗粒表面羟基起化学反应，形成强有力的化学键，能够改变铝粉颗粒的表面性能，提高其与水溶液的相容性，同时提高其耐腐蚀性。但不同种类的偶联剂带有不同的基团，与铝粉颗粒表面发生的化学反应也各有不同。
    1实验部分
    1．1试剂及仪器
    试剂：（1）r-氨丙基硅烷(r-APS)辰工有机硅CG-550、（2）r-氨丙基甲基二乙氧基硅烷(SG—Si902)辰工有机硅CG-902、钛酸酯偶联剂(NDZ一3l1)均生产的分析纯试剂．丙酮、无水乙醇为的分析纯试剂，铝锆偶联剂(M一1)和片状闪光铝粉颜料(平均粒径为40m)为自制。检测用仪器有：微米级激光粒度测试仪(MALVERNINSTRUMENTS2000)、扫描电子显微镜(OXFORDInstrumentJEM一2000CX型)。
    1．2实验过程
    样品制备过程：取定量铝粉颜料加入丙酮洗涤，脱除表面残留有机溶剂，过滤，常温烘干。偶联剂试剂、水和乙醇按一定质量比配置成溶液，静置水解5min，加入2g铝粉颜料，20~C下搅拌反应30min．然后用乙醇洗涤，过滤，100~C烘干即得改性处理的铝粉颜料。
    2结果与讨论
    2．1不同偶联剂对实验结果的影响
    选用不同的偶联剂改性处理铝粉颜料，实验结果见表1。

                                                 表一
    从表1可以看出，经铝锆偶联剂和r—APS硅烷偶联剂的改性后，样品都亲水、耐高温，色泽不变化。r—APS硅烷偶联剂为常见的偶联剂，易于购买且价格相对便宜，所以本实验采用—APS硅烷偶联剂作为铝粉颜料的亲水性改性剂。
2．2 r-APS硅烷偶联剂用量的影响
　　铝粉颜料是一种超微粉体，所有粉体颗粒在液体介质中都带有电荷。颗粒在液体介质中的表面带电情况，直接影响颗粒在液体介质中的分散行为．所以研究铝粉颜料在水分散体系中的分散稳定性可以通过zeta电位评判。
　　实验选用含不同量一APS硅烷偶联剂的醇水混合溶液对铝粉颜料进行改性处理。从硅烷溶液的含量与zeta电位的关系及样品溶于水中实验现象来研究最佳改性处理的硅烷偶联剂用量。结果如表2所示。其他条件为：常温，pH=8，样品过滤烘干。

                                          表二
　　硅烷偶联剂的处理对铝粉颜料的影响可从表2可以看出，未经处理的铝粉颜料表面吸附硬脂酸，所以不溶于水，全部漂浮在水面，这是因为铝粉表面吸附硬脂酸，表面亲油，所以都漂浮在水面，无法测定zeta电位；当硅烷偶联剂含量较少时，不能全部改性处理片状闪光铝粉颜料表面的亲油性，所以铝粉颜料部分漂浮于水面，当偶联剂用量过多时，样品表面容易形成多层偶联剂缩聚，使得多个铝粉颗粒在高温处理后发生交联而团聚在一起，发生结块现象。由此可见，当吸附量适中即硅烷偶联剂：水：乙醇质量比为1：2：30时制备的铝粉颜料，zeta电位值增加到最大，估计这是由于铝粉颜料表面包覆完全，使得吸附氢离子量达到最大，颗粒间的静电排斥作用达到最大；同时由于硅烷偶联剂发生缩聚反应形成低聚物，会形成定的立体屏障，有利于降低颗粒问相互作用，使得铝粉颜料在水溶液中分散稳定，铝粉颜料表面有一层其他物质，大部分铝粉颜料表面规整、光滑，且边缘有一定厚度。
　　2．3 机理分析
　　2．3．1 反应机理分析
　　关于硅烷偶联剂在无机物表面行为的理论主要有化学结合理论、物理吸附理论、氢键形成理论、可逆平衡理论等[71。Arkiesl81提出的理论模式被认为是最接近实际的一种理论，硅烷偶联剂按这机理在无机物表面上的反应过程为：硅烷偶联剂首先接触空气中的水分而发生水解反应，进而发生脱水反应形成低聚物，这种低聚物与无机物表面的羟基形成氢键，通过加热干燥，发生脱水反应形成部分共价键，最终结果是无机物表面被硅烷偶联剂覆盖。
　　从上述作用机理还可以看出，硅烷偶联剂可以和表面有羟基的铝粉颜料结合，在铝粉颗粒表面发生缩聚反应，通过烘干加热处理，最终铝粉颗粒表面被硅烷偶联剂覆盖。其反应方程式如下：