工艺突破使气相二氧化硅易于分散

客户越来越关注提高工艺效率，这推动了原材料在降低分散过程复杂性方面的创新。

使用珠磨机制造完美的分散体是制造油漆和涂料最具技术挑战和最耗时的加工步骤。为了克服这一问题，原材料制造商提供了分散体、预制剂和糊料，其中的不溶性固体（如二氧化硅、颜料、填料等）的分散已得到了优化。然而，这些分散体也可能含有不确定量的溶剂、水、粘合剂或添加剂。虽然配方设计师无法控制这一点，但这些成分会对成品涂层体系产生重大影响。

如果制造商可以使用典型的高速分散来处理用于涂层的固体原料，则会简单的多。不幸的是，在典型溶解型分散条件下进行分散的材料获得的颗粒尺寸通常显著高于涂料和涂料产品中可接受的最大颗粒尺寸。

得益于赢创资源效率有限公司（Evonik Resource Efficiency GmbH）对气相二氧化硅生产工艺的创新，涂料行业通常使用的标准气相二氧化硅技术现在可以在一个高速分散步骤中进行润湿和分散过程，而以前必须在两个单独的步骤（溶解器、珠磨机）中进行（图1）。

不要小看个中的挑战。聚集体和团聚物的形成是用于生产气相二氧化硅的火焰水解工艺的一个重要组成部分——如果没有它们，气相二氧化硅将不会具有其特征结构，因此也不会产生所需的效果。一般来说，产生的颗粒尺寸超过200µm。然而，为了获得良好的光学和应用特性，制造商的目标是具有挑战性的小于10µm。

两年前，当一个实验室规模的装置生产出第一批产品样品时，这个想法的可行性已经得到了证实，这些样品被命名为“易于分散（easy-to-disperse）”（简称“E2D”），这一术语描述了这些产品的独特性质（即在溶解器中易于分散）。2022年在哈瑙工厂建造并试运行的一个试验工厂现在已经产生了第一个试验规模的产品样本。

试验工艺最早应用于VP DDS，一种E2D的二甲基二氯硅烷（DDS）处理过的二氧化硅。粒度分布的测量揭示了二者的差异（图2）。标准DDS处理过的二氧化硅颗粒分布呈现出双峰曲线，而经过新工艺处理的则是较小尺寸范围的单峰分布。消除粗颗粒将使油漆和涂料制造商避免涉及高剪切力的研磨过程（例如珠粒研磨）。

为了测试其加工特性、流变效应和在涂层体系内的光学性能，标准产品使用传统的研磨工艺进行加工，而试验产品仅在溶解器中进行加工。在测量精度范围内，粘度、光泽度、雾度和黑度（颜色深度）的结果都是相似的。

即使分散度提高，也能观察到加工时间的显著缩短。表1和图3突出显示了标准产品和E2D产品的比较结果。

图3b. DDS处理的二氧化硅的流变学性质

图3a.DDS处理的二氧化硅的流变学性质

图3中突出显示的部分表明，流变学有效性符合标准技术。结果表明，E2D加工步骤没有降低粘稠度或回收效率。跳跃曲线还表明，两种测试系统（双组分透明溶剂型聚氨酯和环氧改性醇酸底漆）的回收率与用珠磨机加工的标准产品一致。这些跳跃曲线同时还预示了喷涂后的垂直稳定性性能。

图4. VP SM DDS在高固含量2K聚氨酯透明涂层中的耐湿划伤性能测试结果

图5. VP SM DDS在高固含量2K聚氨酯透明涂层中的耐干划伤性能测试结果

图4和图5突出显示了由Crock仪表通过湿法和干法划痕法测定的测试系统光泽保持率。 这些图表将结构改性的疏水标准气相二氧化硅的E2D变体与的原始颗粒进行了比较，该种颗粒是为提高耐刮擦性而开发的。结果表明，E2D的耐刮擦性也有类似的改善，没有表现出性能降低。

一旦VP DDS处理过的二氧化硅成功生产，该试验工厂就被用于开发其它等级的气相二氧化硅易于分散的版本。迄今为止，已经成功生产了其它三个等级：VP HMDS——这是标准六甲基二硅氮烷（HDMS）处理二氧化硅的E2D变体，VP TMOS——这是标准四甲氧基硅烷（TMOS）处理技术的E2D变体，以及最近的VP结构改性（SM）DDS——它是疏水性的E2D变体，用于提高耐刮擦性的结构改性技术。而其它牌号则针对流变性能改善，比如粘稠度、触变性以及垂直下垂稳定性。

使用易于分散的二氧化硅可减少加工时间、清洁时间、生产损失等，同时省略研磨步骤可降低投资并维护成本，尤其是在透明涂层的生产中。颜料制造商也能提供可通过高速分散技术分散的产品，从而可以在不使用介质或珠磨机的情况下配制着色涂料。

总之，油漆和涂料制造商一直在寻找降低分散工艺复杂性的方法。关于气相二氧化硅技术，这项创新以两种方式满足了这一需求。首先，通过减少加工所需的生产步骤，其次，减少了所需的批次周期时间，并达到最佳的分散程度。 这些综合效率最终降低了生产成本，同时保持了性能。

摘要

在过去70年中，涂料技术领域使用了多种形式的气相二氧化硅。由于具有高度适应性的表面和结构，几十年来已经开发了许多等级的气相二氧化硅，以提供许多涂层问题的功能解决方案。气相二氧化硅的成功使用取决于其是否得到充分的分散，这通常需要某种类型的研磨技术。现在，一项创新的工艺突破已经在实验规模上创造了一种易于分散的气相二氧化硅设计，使配方设计师能够在不需要高强度研磨的情况下使用气相二氧化硅。

过去由于气相二氧化硅的高度适应性，带来了很多量身定制的设计。这些设计使用标准高速分散代替更剧烈的珠粒研磨以实现高效率，创造了诸如流变流动控制、悬浮、增强和更耐刮擦的性能属性。

本文比较了使用两种分散形式—标准高速分散和珠磨分散的产品性能—以此来证明易于分散的创新所在。

作者：C. Jim Reader、Maria Nargiello、Maximillian Cornelius、

Sascha Herrwerth and Juergen Meyer，赢创

来源：荣格-《涂料与油墨-中国版》

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