粒径对二氧化硅消光粉应用性能的影响

粒径对二氧化硅消光粉应用性能的影响

樊新华，张忆，裴亚利

（北京航天赛德科技发展有限公司，北京100074）

摘要：研究了粒径对二氧化硅消光粉在涂料中应用性能的影响。结果表明，平均粒径越大，消光性能越好；粒径越小，透明性和防沉性越好。因此在选用消光粉时需要根据实际的使用要求来选择合适的消光粉。

关键词：二氧化硅；消光粉；平均粒径；粒径分布

二氧化硅消光粉由于具有优异的特性，已经成为目前亚光涂料中应用最广的一种消光助剂。二氧化硅是一种固体粒子，无论经过怎样的制造过程，它都不可能是由一种粒径组成的，而是在一定粒径范围内波动，还会形成一定的规律。不同的粒径，显现的几率是不同的。粉体颗粒均匀度好，应用性能好。本文详细研究了二氧化硅粉体的平均粒径及其分布对二氧化硅应用性能的影响，对涂料生产中消光粉的选择有一定的实际指导意义。

1.试验部分

1.1试验原料和仪器

试验用主要原料：二氧化硅消光粉（平均粒径5~10μm，北京航天赛德）；醇酸树脂（天津长兴）；L-75固化剂；醋酸丁酯（北京）；二甲苯（北京）等。试验用主要仪器：激光粒径仪（成都精新）、高速分散机（上海）；湿膜制备器（上海现代）；60°镜向光泽仪（天津）；斯托默黏度计（上海现代）、黑白格纸、贴纸木板、刮板细度计。

1.2试验方法

主漆配制：在木器清漆中加入5%的消光粉，用高速分散机以2000r/min分散约20min，待用。

1.3性能研究

1.3.1消光性

称取一定量的主漆，加入配制好的固化剂，用配方稀料调整黏度为15～20s后喷涂到木板上，待漆膜自然干好后用60°光泽计进行测试。

1.3.2透明性

称取一定量的木器清漆，加入少量的消光粉，用高速分散机分散均匀后，倒入125mL的白色广口瓶中，肉眼观察透明性。

1.3.3防沉性

沉淀速率：在醋酸丁酯中加入5%的消光粉，用分散机分散均匀，倒入125mL的白色广口瓶中静置观察其沉降速率。贮存稳定性：配好的主漆在50℃的烘箱中放置15d，观察沉淀体积，用调墨刀测试沉淀物的软硬程度。

2.结果与讨论

2.1粒径与消光性能的关系

2.1.1平均粒径与消光性能的关系

选用不同粒径的消光粉配制涂料，在木板上喷涂相同的厚度，涂膜干好后用60°光泽计进行测试，试验结果见表1。

表1不同粒径消光粉的消光性比较

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从表1可以看出，随着粒径的增大，消光效果变好。平均粒径达到8μm后，涂膜表面明显比较粗糙。根据试验结果分析，由于消光效果的好坏主要取决于涂膜表面的粗糙度，所以平均粒径大的消光粉容易造成强的表面粗糙效果，消光效果也较好。但是粒径的大小要和涂膜的厚度相协调。若平均粒径太小，埋在涂膜内不能突出表面构成表面粗糙度，那么就没有消光效果。平均粒径太大，虽然可以构成比光波波长大得多的不平度，但易于造成表面弊病。消光效果最好的是能够构成与光波波长相近的较小的粗糙度，入射光的散射度强，消光效果也强，即消光粉的平均粒径与涂膜的厚度相近。对于二氧化硅消光粉，平均粒径为5～7μm 的适用于薄膜涂层、皮革涂料及油墨；平均粒径为7～8μm的适合木材和金属涂料；平均粒径为8～10μm的适合特种涂料、厚涂层消光涂料。

2.1.2粒径分布与消光性能的关系

选用平均粒径相近，粒径分布不同的消光粉（见表2）进行消光试验，试验结果见表3。

表2平均粒径相近的粒径分布%

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表3不同粒径消光粉的消光性比较

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从表2可以看出，1、2、3号样品的平均粒径相近，但是样品中的细粉和粗粉的比例有些区别，1号样品的粒径分布最窄，2号次之，3号最宽。从消光效果看出，在相同的测试条件下，1号的消光效果最好，2号次之，3号最差。这是由于粒径分布宽，加到涂料中，粒径大的变小才能达到有效的消光粒径，而过小的粒径就失掉了消光效果。所以消光粉的粒径分布越窄，消光效果就越好。

2.2粒径与透明性的关系

分别选用平均粒径为6μm、8μm、9μm、10μm的样品进行透明性测试。结果表明，平均粒径为6μm的样品的透明性最好，10μm的透明性最差，即随着平均粒径的增大，透明性变差。这是因为，透明性是指物体透过可见光并散射较少的性质。粉料的最佳粒径一般应为光线在空气中波长的1/2，即0.2~0.4μm。大于此值，粉料的总表面积减少，对光线的总散射能力降低，小于此值，粉料将失去对光线的散射能力。粉料通常是不同粒径的混合体，粒径在0.01~50μm之间。在体系中，消光粉的粒径越小，散射可见光越少，大量入射光线因发生绕射而透过消光粉，因此体系的透明性越好。但平均粒径太小，发挥消光作用的粒子就越少，起不到应有的消光作用。从2.1.1可知，当平均粒径与涂膜的厚度协调的情况下，平均粒径越大，消光粉的消光效果越好。因此在选择消光粉时要同时考虑消光、透明与涂膜厚度的因素，通过做对比试验选择最符合要求的消光粉。

2.3粒径与防沉性的关系

分别选用平均粒径为6μm、8μm、9μm、10μm的样品进行黏度测试。结果发现在相同的体系中，放置相同的时间，平均粒径大的体系，粉体下沉的速率快，且容易形成硬沉淀。这是因为超细粉体的沉降速率可以用斯托克斯定律来解释，其公式可表示为：

u0=（ρs-ρ0）d2g/18μ

式中：u0为沉降速率，m/s；μ为分散介质黏度，Pa·s；ρs为颗粒密度，kg/m3；ρ0为分散介质密度，kg/m3；d为颗粒当量粒径；g为重力加速度，m2/s。粒径的平方与沉降速率成正比，因此平均粒径越大沉降速率越快。选用表2的样品做防沉试验，放置相同的时间，3种样品都出现不同程度的沉降，分成两层。但是上层液体的浑浊程度不同，3号的最浑浊，2号的次之，1号的较清澈。这是因为粒径分布较窄的粉体，太细或太粗的颗粒较少，因此基本上所有颗粒的下沉速率一致，因此粉体沉淀后，上层液体较清澈。而粒径分布较宽的粉体，太细或太粗的粉体较多，导致粒径较大的先沉淀，粒径小的粉体后沉淀，所以上层液体较浑浊。

3.结语

⑴消光粉的平均粒径及粒径分布对涂料的消光性、透明性及防沉性等应用性能有较大的影响。⑵平均粒径越大，涂料消光效果越好；平均粒径越小，涂料透明性越好。在选用消光粉的过程中要通过一系列的对比试验，使消光、透明性能都较好地满足实际使用要求。⑶平均粒径分布越小，会增加体系的黏度，沉降速率也会降低，在选用消光粉时最好同时考虑消光和沉降性的因素。