Газофазный диоксид кремния (также известный как газосилика) представляет собой ультрамелкый неорганический наноразмерный порошок, получаемый газофазным гидролизом кремнийсодержащих соединений (например, тетрахлорида кремния). Благодаря уникальной поверхностной структуре и физико-химическим свойствам он широко используется в краскостроительной промышленности в качестве многофункционального добавителя, играя ключевую роль в повышении качества краски. Ниже детально рассматриваются его применения в красках с точки зрения основных функций, механизмов действия, факторов влияния и типичных сценариев использования.
Применение газофазного диоксида кремния в красках сосредоточено на его реологической регулировке, предотвращении отстоя, улучшении дисперсии и усилении механических свойств — эти функции обусловлены его специфической микроструктурой и поверхностной химией:
Поверхность газофазного диоксида кремния богата гидроксильными группами (-OH), которые образуют межмолекулярные водородные связи между частицами порошка в составе краски, в результате чего возникает трехмерная сетчатая структура. Эта структура существенно влияет на реологические характеристики краски:
- Предотвращение стекания и контроль краев：При нанесении (например, кистью или распылением) краска с недостаточной вязкостью склонна к стеканию, особенно на вертикальных поверхностях или при толстостенных нанесениях. Сетчатая структура газофазного диоксида кремния повышает порог текучести краски, останавливая ее чрезмерное течение под действием гравитации и обеспечивая равномерность толщины покрытия. Кроме того, когда растворитель на краю покрытия быстро испаряется, вызывая неравномерность поверхностного натяжения, сетчатая структура抑制рует смещение краски к краям, предотвращая такие дефекты, как “сжатие краев” или “толстые края”.
- Образование туристического эффекта：Сетчатая структура газофазного диоксида кремния обратима: при приложении сдвиговой силы (например, при смешивании или под давлением распыления) водородные связи разрушаются, структура разрушается, вязкость краски снижается, что облегчает нанесение. После прекращения приложения силы водородные связи восстанавливаются, вязкость быстро возвращается к исходному уровню, что снижает риск стекания после нанесения. Эта характеристика “снижение вязкости при сдвиге и восстановление при его прекращении” обеспечивает баланс между свойствами хранения и нанесения краски.
Пигменты и наполнители в краске (например, титанил белый, барит, сажа и т.д.) часто имеют высокую плотность и при хранении склонны к отстою, что приводит к расслоению системы, образование комков и ухудшает равномерность краски. Добавление газофазного диоксида кремния решает эту проблему двумя способами:
- Эффект пространственной заграды：Ультрамелкие частицы газофазного диоксида кремния (размер обычно 5-50 нм) при равномерной дисперсии в краске адсорбируются на поверхности частиц пигментов и наполнителей, образуя физический барьер, который предотвращает их сближение и агрегацию.
- Опорная функция сетчатой структуры：Трехмерная сетчатая структура может “оборачивать” или “поддерживать” частицы пигментов в системе, снижая их скорость отстоя и сохраняя равномерность краски даже при длительном хранении, что уменьшает расходы на смешивание перед использованием.
Газофазный диоксид кремния не только сам требует хорошей дисперсии, но и помогает улучшить диспергирование других пигментов и наполнителей в краске:
- Его высокая удельная поверхность (обычно 100-400 м²/г) и поверхностная активность делают возможным адсорбцию на поверхности пигментов, разрушая их агрегаты за счет зарядового отторжения или пространственной заграды и способствуя равномерной дисперсии.
- Диспергированные частицы газофазного диоксида кремния снижают ван дер ваальсову силу между частицами пигментов, предотвращая их повторную агрегацию и продлевая стабильность дисперсной системы, что улучшает цветность, скрывающую способность и равномерность блеска краски.
После отверждения краски газофазный диоксид кремния улучшает механические свойства и защитные функции покрытия следующими способами:
Повышение твердости и износостойкости：Наноразмерные частицы диоксида кремния заполняют промежутки
между молекулами пленкообразующего вещества, образуя “жесткие опоры”, что повышает твердость покрытия,
стойкость к царапинам и износу. Это особенно важно для промышленных антикоррозионных красок и полевых покрытий.
Улучшение атмосферостойкости и химической стойкости：Его химическая инертность и термостойкость增强涂层
resistance to ultraviolet radiation, acids, alkalis, and solvents, reducing the risk of coating aging, yellowing, or corrosion and
extending the service life of the coating.
Эффективность газофазного диоксида кремния в краске сильно зависит от состояния дисперсии, способа поверхностной обработки, дозировки и технологии добавления; их необходимо тщательно регулировать, чтобы избежать негативных последствий:
Поверхностная энергия газофазного диоксида кремния очень высока, поэтому он склонен к агрегации. При недостаточной дисперсии не удается сформировать эффективную трехмерную сетчатую структуру, что снижает эффективность реологической регулировки и предотвращения отстоя. При чрезмерной дисперсии (например, при слишком сильном сдвиге или длительном смешивании) водородные связи в сетке разрушаются необратимо, и структура не восстанавливается, в результате чего теряются туристические свойства и загущающая способность. Поэтому важно оптимизировать диспергировочное оборудование (например, высокоскоростные диспергаторы, шаровые мельницы) и технологию (например, предварительная дисперсия в пасту перед добавлением в общую смесь) для обеспечения равномерности.
В зависимости от полярности краской системы (масляной или водной) выбирается газофазный диоксид кремния с разной поверхностной обработкой:
Гидрофильный газофазный диоксид кремния：
Поверхность сохраняет большое количество гидроксильных групп, подходит для водных красок или систем с высокой полярностью,
发挥作用 через hydrogen bonding.
Гидрофобный газофазный диоксид кремния：
Поверхностные гидроксильные группы заменяются с помощью силианов или других реагентов, подходит для масляных и
растворительных красок, предотвращая агрегацию в неполярных системах.
Дозировка определяется типом краски и требуемыми свойствами: обычно она составляет 0.1-3% от общей массы краски. Слишком низкая дозировка не дает заметного эффекта; слишком высокая может привести к резкому повышению вязкости, ухудшению текучести и даже к растрепу покрытия после высыхания из-за чрезмерного туристического эффекта.
Благодаря многофункциональности газофазный диоксид кремния широко используется в различных типах красок:
- Строительные краски：Внутренние и внешние латексные краски для стен, улучшение текучести при нанесении, предотвращение стекания и разбрызгивания, повышение стабильности при хранении.
- Промышленные антикоррозионные краски：Усиление твердости, износостойкости и химической стойкости покрытия, продление срока службы металлических конструкций.
- Древесные краски：Обеспечение хороших туристических свойств, предотвращение “пятен от слез” или “скоплений краски” при кистьевом нанесении, а также повышение стойкости покрытия к царапинам.
- Полевые покрытия：Предотвращение отстоя пигментов, обеспечение равномерности толщины покрытия, усиление износостойкости и сопротивления давлению пола.
- Краски с высоким содержанием твердого вещества и бесрастворительные краски：Обеспечение необходимой вязкости и туристического эффекта в низковязких системах для удовлетворения требований к нанесению.
