铝粉包覆

二氧化硅包覆制备环保水性型铝粉颜料(实验设计人：叶红齐)内容提要环保水性涂料是绿色化工的重要方向之一，而水性铝粉颜料是水性金属涂料的重要原料。

由于铝粉颜料与水接触会发生析氢反应，导致表面金属光泽降低等应用性能的下降。

本实验通过水解反应法，将SiO2在铝金属颜料表面形成纳米厚度的包覆膜层，隔断与外界水的直接接触。

对包覆膜层的均匀性和厚度的控制是本实验的关键，因为包覆后的铝粉颜料表面的银灰色金属光泽不能有明显的降低。

析氢测定和表面光泽度测定可对包覆效果进行评价。

包覆前后铝粉的表面性质，通过红外光谱和SEM等手段进行表征。

研究背景或项目意义铝粉颜料作为一种用途最广的金属颜料、在汽车、电器、塑料等许多领域广泛应用，产生银灰色的视觉效果和高效的屏蔽保护作用。

目前，市场上的铝金属颜料多为油性颜料，是通过湿式球磨法，在矿物油、200＃溶剂油等有机溶剂中，并加入润滑剂和其他助剂，将球形铝粉转化为片状铝粉，并经过粒度控制、表面捏合等工序加工而成。

有机溶剂的作用主要能是能够提高片状化工程的效率，同时又能把铝粉存在的爆炸危险降到最低。

其润滑剂的主要作用是防止球形铝粉在球磨过程中，由于钢球等介质的机械作用所可能出现的冷焊接现象。

其他助剂有稳定剂、分散剂、表面防护剂及抗沉淀剂等，其目的是提高片状铝粉的表面金属光泽和满足后续涂料行业的要求。

由于油性铝粉颜料，在水介质中难以分散，同时，金属铝与水接触会发生析氢反应，引起金属光泽等性能下降，从而难以满足环保型水性涂料的要求。

由于环保水性型涂料是绿色化工的重要方向之一，从而对水性金属颜料的重要原料的水性铝粉颜料提出很高的要求。

本实验采用铝粉颜料表面包覆纳米SiO2的方法，隔绝铝粉与外界水的直接接触，使铝粉颜料能够达到水性涂料的要求，因此本实验具有重要的意义。

本实验涉及到粉体表面处理技术。

人们已不满足对于单一粉体的亚微米、纳米级的追求，而是期望粉体具有以前所不具备的新性能。

而要获得新性能所采取的所有措施，都可以归结为表面改性处理。

因此，本实验对于学生掌握粉体技术的发展前沿，具有一定的帮助。

目的要求通过水解反应法，在铝粉颜料表面，均匀沉淀包覆一层纳米厚度的SiO2包覆层，其包覆层要求透明，不明显影响内部铝粉颜料的金属光泽，同时又能有效隔绝铝粉颜料与外界水的作用。

实验关键本实验的关键是寻求合适的实验条件，有效控制SiO2包覆膜层的均匀性和厚度。

因为均匀性和厚度都会对铝粉颜料的金属光泽和与水的隔绝性能产生影响。

预备知识或预习要求要求预习和掌握参考文献中《无机精细化工工艺学》，《颜料工艺学》有关章节的知识。

通过校园网，查找国内外相关资料（外文不少于两篇）。

参看本研究所的内部资料。

实验原理硅酸钠和硅的有机化合物，在合适的条件下，会析出硅的氧化物和氢氧化物等胶体，根据胶体的表面电性，以及铝粉表面的电性，控制适宜的反应条件，使析出的硅胶体能够在铝粉表面产生沉淀反应。

表面沉淀反应完成，通过加热处理，使表面硅胶体沉淀物转型，使其与铝粉表面的结合更为牢固。

仪器试剂和药品主要仪器：搅拌器、水浴控温仪，pH控制滴定仪、析氢检测仪、光泽度仪主要试剂：铝粉颜料、硅酸钠、盐酸、乙醇、丙酮实验步骤1. 铝粉颜料的预处理：要求处理后的铝粉颜料能在水中能高效分散；2. 铝粉颜料的SiO2包覆：要求金属光泽降低不超过10％，析氢量为原料的2％以下。

3. 包覆后铝粉颜料的检测。

析氢检测。

第一步和第二步的实验的详细步骤，学生通过资料查询后，与指导教师讨论确定。

第三步的检测按照相关规范和规定进行。

实验结果与讨论或思考题探讨实验条件与包覆效果的关系及其相关机理。

探讨进一步提高包覆效果可能的方法与途径。

参考文献（1）张昭等，无机精细化工工艺学，化学工艺出版社，2002.6（2）朱骥良等，颜料工艺学，化学工业出版社，2002.1（3） B. Muller, Corrosion inhibitor of different metal pigments in aqueous alkaline media, corrosion science, 2001, vol. 43, 1115-1164（4） A. Kiehl, Encapsulated aluminum pigments, Progress in organic coatings, 1999, vol. 37, 179-183实验的主要内容：主要仪器：搅拌器、水浴控温仪，pH控制滴定仪、析氢检测仪、光泽度仪主要试剂：铝粉颜料、硅酸钠、正硅酸乙脂、氢氧化钠、盐酸、乙醇、丙酮、丙烯酸树脂、超分散剂、其他仪器：SEM、红外光谱等实验步骤：铝粉的预处理：称取20克铝粉，加入丙酮50ml，搅拌过滤，在加入乙醇50ml，搅拌过滤，取出滤饼2克，烘干称重，测出滤饼固体含量；按滤饼国体含量，计算干铝粉5克的滤饼重量，准确称取该滤饼重量。

放入200ml少别中，加入5ml水，搅拌。

配制0.1mol/l NaSiO3水溶液500ml，按干铝粉5克的5%SiO2计算出NaSiO3水溶液的体积。

并取出同体积NaSiO3水溶液备用。

配制浓度为0.1mol/l的盐酸溶液200ml，备用。

将装有铝粉的烧杯置于水浴槽中，安装好搅拌器，边搅拌，边控制水浴温度在80度。

同时安装好pH自动控制仪的联接和配置好的NaSiO3水溶液和盐酸水溶液，设定pH自动控制仪的pH值为8.5，待水浴温度稳定达到80度时，启动自动pH控制仪及其滴定泵（注意：酸、碱泵不能搞错）。

此时，滴定泵将会自动将NaSiO3水溶液滴入烧杯中，当烧杯中pH值超过设定的8.5时，盐酸滴定泵会自动启动，能过维持烧杯中反应系统的pH值保持在设定的8.5。

NaSiO3水溶液滴定完成后，再继续反应30分钟，反应完成后，冷却、过滤，测定滤饼固体含量。

称取包覆前后0.5克干铝粉的滤饼，放入析氢实验瓶中，加入20mol 0.1mol/l的盐酸水溶液，开始析氢检测，每两小时记录析氢量。

比较包覆效果。

我做的就是这方面的，刚毕业了着色改性法是片状铝粉改性中的产生的一种特殊情况，即片状铝粉改性后在保持普通铝粉具有的性能的同时，还具有某种颜色，这类铝粉称为彩色铝粉或着色铝粉。

彩色铝粉应用于涂料行业具有特殊的“随角异色”效果。

目前片状铝粉着色改性的方法根据光学性质和颜色产生机理可分为三类。

第一类是颜料染色法，第二类是光干涉着色法，第三类是包覆彩色膜层着色。

下面分别介绍。

（1）颜料染色法片状铝粉可以通过有机颜料或无机颜料染色，具体方法两种：一种是将铝粉进行表面氧化处理形成一层多孔膜层，具有良好的吸附性，可在染色液中吸附染料分子而染上颜色。

同时，氧化膜中的氧化铝分子可与有机染料分子以共价键、配位键或氢键等配合而形成有色的配合物，从而促使了氧化铝膜对染料的吸附作用。

这种着色法工艺简单，成本低，但得到的彩色铝粉在溶剂中易脱色，稳定性较差。

另一种是用透光性好的惰性包覆膜层将颜料包裹在铝粉表面而达到着色的目的。

这种方法值得的彩色铝粉性质稳定，可制备不同颜色的彩色铝粉。

染色法着色铝粉的金属光泽由于光线在颜料间隙位置（颜料具有透光性或不具透光性）的原铝粉表面和透过颜料（颜料具有透光性）在原铝粉表面发生镜面反射而产生，而颜色由颜料吸收特定的波长的可见光产生。

L.Anicai等人采用纯度99.5%以上，粒径主要分布在40～100微米之间的片状铝粉，以15%H2SO4或10M HNO3溶液为阳极氧化液，采用两种方式进行阳极氧化处理：第一种方式，将铝粉放在钛阳极上，让钛阳极底面嵌入到树脂中，强制电流通过整个粉体，进行阳极氧化。

第二种方式，将铝粉与10～20%溶于水的配位体均匀混合，插入于阳极接触的铝棒压成圆盘，构成铝粉阳极，在氧化过程中，电解质保证了阳极氧化膜的形成，并逐渐渗透到铝粉内部，这样使被氧化粉体释放出来，并氧化新露出来的铝粉，直到整个圆盘都被氧化为止。

经阳极氧化后的铝粉表面形成一层多空的氧化膜层，将阳极氧化后的铝粉放入着色液中进行着色：以醋酸钴和高锰酸钾为基，随着着色时间的增长，着色色调从金黄色变到青铜色，再变到深褐色；以亚铁氰化物和氯化铁为基，随着着色时间的增长，着色色调由浅蓝色变到深蓝色；以硝酸钴为基，着色色调呈灰橄榄色，随着着色液浓度的增加着色色调变深。

第二种方式制得的氧化铝粉易着色，颜料覆盖率高。

周毅【】用类似L.Anicai的第一种方法，将片状铝粉阳极氧化后，置于茜素黄R饱和溶液中，用乙酸调节至pH值为5，控制温度为50～60℃，缓慢搅拌着色液，着色30分神，取出抽滤，用冷水洗涤两遍．然后用沸水进行封闭处理，经抽滤，干燥，即得到金黄色铝粉。

着色的色调与铝粉氧化膜厚度和着色液浓度有关，铝粉氧化膜厚度越厚和着色液浓度越浓，铝粉越易着色且颜色越深。

周毅等人在碱性溶液中，采用氧化剂对铝粉进行化学氧化处理，将处理后的铝粉置于直接耐晒翠蓝GL着色溶液中，控制pH值在8～10范围内，温度在60～70℃，着色40分钟得到浅蓝色的铝粉。

着色液浓度对着色色调影响较大，着色液浓度越大，着色的色调越深。

RUDOL等人利用酸或碱对铝粉进行预处理，使铝粉表面部分生成氧化膜，再使高锰酸钾还原，还原产物直接沉积在铝粉氧化膜表面。

其中还原剂可以是预处理过程中产生的氢气，也可以加入其它物质作为还原剂(如甲醇)。

还原剂的选择会影响最终产品的颜色。

日本昭和铝株式会社研制出一类粒度均匀的彩色铝粉。

具体方法是将片状铝粉进行特殊的表面处理，然后把原级粒子化的有机颜料吸附在铝粉表面上，用立体化的丙烯酸聚合物使每个粒子分散包覆从而达到稳定化。

用这种方法已得到红金色、蓝金色，银色、红色，橙色、绿色和蓝色等系列的彩色铝粉。

该公司研究出一种塑料用彩色铝粉，方法是先用羧酸酯聚合物包覆片状铝粉，再将彩色颜料吸附在聚合物膜上。

日本四国化成工业公司（Shlkoku Chemicals Corp.）研制出耐候性才是铝粉，方法是先将铝粉浆(粒径 1.0～100μm)用阳离子分散剂处理，再与表面用阴离子分散剂处理过的超细(0.01～0.1μm)金属氧化物（如氧化铁），按100:(1～10)混合，可得红色铝意料。

（2）光干涉着色法在片状铝粉的表面均匀包覆一层透光膜层，在有光照情况下，光线一部分在包覆膜层表面反射，另一部分透过包覆膜层在原铝粉表面反射，反射光线会形成干涉，某些波长的可见光强度会增强，而另一些波长的可见光强度会减弱，故而产生颜色。

这种方法制得的彩色铝粉性质稳定，没有残留颜料的影响。

但该法对膜层的厚度要求严格，成本较高。

在铝粉表面形成干涉膜层的方法可分为始发沉积和干法沉积。

早在1977年有人采用液相包膜法制备氧化铁包膜铝颜料，该法工艺：将适量的铁盐和络合剂加入水溶液中，并将铝粉放入其中，充分搅拌，通过控制pH值包膜，反应一段时间后取出过滤，在一定的温度下烘干即得样品。