專利名稱：一種高固含量貯存穩定的納米氧化鋅濃縮漿及其制備工藝的制作方法
技術領域：
本發明屬于納米材料領域，具體涉及的是一種高固含量貯存穩定的納米氧化鋅濃縮漿及其制備工藝，采用特殊的工藝方法和操作規程，把納米氧化鋅和一定量的分散劑、消泡劑及水混合，從而獲得各個方面性能優異的水性納米氧化鋅濃縮漿。
背景技術：
納米氧化鋅是用途十分廣泛的功能材料，它具有常規塊體材料所不具備的光、磁、熱、敏感等性能，產品活性高，具有抗紅外、紫外和防毒殺菌的功能，主要應用于以下領域(1)橡膠工業橡膠工業是氧化鋅的最大用戶，納米氧化鋅用于制造高速耐磨的橡膠制品，如飛機輪胎、高級轎車的子午線胎等，具有防止老化、抗摩擦著火、使用壽命長等功能，不僅改變了橡膠制品的表觀質量，而且其用量僅為等級氧化鋅的30％～50％。(2)涂料在涂料油漆中加入納米氧化鋅，不僅能屏蔽紫外線，殺滅各種微生物，還具有神秘的“顏色效應”，故用在遠行艦船上，能提高航行速度，延長檢修期限。此外，用氧化鋅制造的一種汽車顏料，添加在金屬閃光的面漆中，隨著角度的變化，能使涂層產生神秘的顏色變化，使車身表面產生較好的成像效果，增輝閃光。(3)陶瓷陶瓷行業是納米氧化鋅的又一大用戶，在陶瓷制品的燒制過程中，納米氧化鋅的加入能使其燒結溫度降低400～600℃，燒結的成品光亮如鏡，有很好的“成像效應”，具有減少工序，降低能耗，提高產品質量等優點。(4)日用化工由于納米氧化鋅具有奇特的表面效應，使得其陽光，尤其是在紫外線的照射下，能夠自行分解出自由移動的帶負電的電子，同時留下帶正電的空穴，這種空穴可以激活空氣中的氧變成活性氧，該活性氧可以把大多數的病菌和病毒殺死，在纖維紡織品及其服飾里應用這種活性氧化鋅，可以使其除具有屏蔽紫外線的作用外，還有抗菌、防霉、除臭的功效。另外，應用在化妝品中，對皮膚有著非常好的保護作用。(5)磁性材料、電子材料在制作磁性材料中，加入納米氧化鋅，不僅可以簡化制造工藝，還可以提高產品的均一性和磁導率，減少產品在燒制過程中碎裂的損失，降低燒結溫度，提高產品質量。此外，納米氧化鋅還可用作熒光屏的涂料，在熒光燈管里加入少量納米氧化鋅可以延長燈管的使用壽命，具有節能等顯著特點。
在多數情況下，納米氧化鋅粒子的成功使用強烈地依賴于納米粒子分散于液相中的能力。一些特殊應用領域，如化妝品、涂料、紡織、拋光和催化等，都需要粒子很好的分散并且穩定地存在，不能出現團聚等現象，才能很好地展示納米粒子的活性。為了滿足這樣的需要，現在就有人專門研究如何把納米粉制備成高度分散的濃縮漿后再應用。中國專利02121246.5報導了多功能納米氧化鋅懸乳液及其制備方法，該方法將納米氧化鋅進行了改性，制備方法比較復雜，納米氧化鋅的含量也較低。中國專利02159055.9提及的是表面改性的納米氧化鋅分散體及其制備方法和用途，是將SiO2、Al2O3、Fe2O3沉積到納米氧化鋅表面，而后與硅烷偶聯劑、水溶性聚合物及水混合制得，該分散體專門用于制備抗紫外線的紡織品，應用范圍較窄。另外，美國專利5,914,101研制出的納米氧化鋅固含量為40～75％，但是氧化鋅在分散之前要經過復雜的改性過程，工藝比較煩瑣。根據納米氧化鋅分散體的研究現狀，我們成功開發出了一種高固含量的納米氧化鋅分散體，納米氧化鋅在水相中能穩定均勻地分散存在，形成高度分散化、均勻化和穩定化的分散體系，所用的添加劑組成簡單，對人體和環境沒有任何污染，而且該濃縮漿的制備工藝十分簡單，極大的發揮了納米材料功能改性的作用，并且該分散體能實現工業化生產。
發明內容
本發明的目的在于制備出一種分散性好、貯存穩定、固體含量高，粘度低，相容性強，適用廣泛的水性納米氧化鋅濃縮漿及其制備工藝，其中納米氧化鋅的重量比可達80％，該納米氧化鋅濃縮漿適用于涂料、陶瓷、橡膠、日用化工、磁性材料、電子材料等多種領域。
本發明的技術方案是按重量比計，該濃縮漿由一次粒子的平均粒徑在50nm以下的納米氧化鋅40～80％、分散劑1.0～15％、消泡劑0.1～2％、余量的水組成。
上述納米氧化鋅濃縮漿中，較好的重量比為納米氧化鋅50～70％，分散劑5～12％，消泡劑0.5～1.5％，余量為水。
所述的分散劑是指改性聚丙烯酸、多聚磷酸鹽、聚有機羧酸鹽、改性合成脂肪酸胺，聚氨酯聚合物、改性聚醚等分散劑的一種或二種以上的分散劑復配。如德國迪高(Tego)公司的Dispers650、Dispers651、Dispers652、Dispers715W、Dispers735W、Dispers740W、Dispers745W、Dispers750W、Dispers752W、Dispers760W等；荷蘭埃夫卡助劑公司(EFKA)的EFKA-4530、EFKA-4540、EFKA-4550、EFKA-4560、EFKA-4570、EFKA-6220、EFKA-6225、EFKA-6230等；漢高(Henkel)公司的Hydropalat1080、Hydropalat3204、Hydropalat3275、Hydropalat140等；德國畢克(BYK)化學公司的Disperbyk-182、Disperbyk-184、Disperbyk-185、Disperbyk-190、Disperbyk-191、Disperbyk-192等。
較好的分散劑是德國迪高(Tego)公司的Dispers715W、Dispers735W、Dispers750W、Dispers752W、Dispers760W；荷蘭埃夫卡助劑公司(EFKA)的、EFKA-4530、EFKA-4560、EFKA-6220、EFKA-6225、EFKA-6230等；漢高(Henkel)公司的Hydropalat1080、Hydropalat3204、Hydropalat3275、Hydropalat140；德國畢克(BYK)化學公司的Disperbyk-190、Disperbyk-191、Disperbyk-192等。
所述的消泡劑選自于聚硅氧烷、聚醚改性有機硅共聚物、礦物油等其中的一種或二種以上的復配。如德國迪高(Tego)公司的Foamex 800、Foamex 805、Foamex810、Foamex 830、Foamex 8020、Foamex 8030、Foamex 8050、Foamex K3、FoamexK5、Foamex KS6；德國畢克(BYK)化學公司的BYK-019、BYK-021、BYK-022、BYK-023、BYK-024、BYK-025、BYK-028、BYK-034、BYK-080；荷蘭埃夫卡助劑公司(EFKA)的EFKA-2526、EFKA-2527、EFKA-2550等。
較好的消泡劑是德國迪高(Tego)公司的Foamex 810、Foamex 830、Foamex K3、Foamex K5、Foamex 8030；德國畢克(BYK)化學公司的BYK-019、BYK-024；荷蘭埃夫卡助劑公司(EFKA)的EFKA-2527、EFKA-2550。
該水性納米氧化鋅濃縮漿是按如下方法制備的按重量比計，根據需要量事先把各組分稱量好待用。然后將分散劑和所需總量一半的消泡劑與水混合均勻。高速分散機不停轉動過程中逐漸加入納米氧化鋅粉，全部所需納米氧化鋅粉加入以后，再繼續分散5～30分鐘，分散機轉速為1500-2500rpm，最后加入另一半的消泡劑，再慢速分散1～5分鐘，分散機轉速為200-800rpm。所得的納米氧化鋅漿料在球磨機或砂磨機中研磨1～10小時，使其平均粒徑小于100納米，最后制成水性納米氧化鋅濃縮漿成品。
本發明研磨分散設備是涂料制造過程中的常用設備，包括高速分散機、砂磨機和球磨機等。
本發明的優點如下1.固含量高。本發明制備出的納米氧化鋅濃縮漿固含量最高可達80％，并且該濃縮漿粘度低(小于500mPa·s)，易于使用，是一種高濃度高分散體系，提高了納米氧化鋅的使用效率。
2.穩定性好。本發明的納米氧化鋅濃縮漿具有高度穩定性，最少可保持六個月不沉淀、不分層，最好的可在一年半以上，可以滿足貯存穩定性的要求。
3.分散性好。利用本發明的技術制備出的納米氧化鋅濃縮漿分散性好，平均粒度在100nm以下，解決了納米粉十分容易團聚的問題，能夠使納米氧化鋅優異的納米特性充分體現出來。
4.對環境污染小。本發明使用的分散劑不含苯類和甲醛等有毒物質，并且通過了美國FDA認證，無論對人體還是環境絕對無害。
5.工藝簡單。本發明主要由分散劑、納米氧化鋅、消泡劑和水四種物料組成，成分簡單，制備容易。
6.適用性廣。適用于涂料、陶瓷、橡膠、日用產品、磁性材料等多種領域。
具體實施例方式
本發明中除特別指明外，涉及的比例均為重量比。實施例和比較例中納米氧化鋅濃縮漿的性能測試方法如下納米氧化鋅濃縮漿的粘度使用BROOKFIELD DV-III ULTRA流變儀測試。
實施例1制備300g水性納米氧化鋅濃縮漿。在500ml燒杯中稱取水68g，加入21g分散劑Dispers735W和0.5g消泡劑Foamex K3，高速分散機1000rpm分散5分鐘后，在高速分散機不停動的情況下，再加入40nm的納米氧化鋅210g，用高速分散機2000rpm分散15分鐘，最后加入另一半消泡劑0.5g，并慢速500rpm分散2分鐘，所得的納米氧化鋅漿料用球磨機研磨3小時，使其平均粒徑小于100納米，制成納米氧化鋅重量比為70％的納米氧化鋅濃縮漿。其中分散劑占漿料總量為7.0％，消泡劑占漿料總量為0.33％。
實施例2調整分散劑Dispers735W加入量。其中水為73.5g，納米氧化鋅粉210g，分散劑Dispers735W為15.0g，消泡劑Foamex 8030為1.5g，納米氧化鋅濃縮漿的制法同實施例1。制成納米氧化鋅重量比為70％的納米氧化鋅濃縮漿。其中分散劑占漿料總量為5.0％，消泡劑占漿料總量為0.5％。
實施例3調整分散劑Dispers735W加入量。其中水為45.5g，納米氧化鋅粉210g，分散劑Dispers735W為36g，消泡劑Foamex K5為4.5g，納米氧化鋅濃縮漿的制法同實施例1。制成納米氧化鋅重量比為70％的納米氧化鋅濃縮漿。其中分散劑占漿料總量為12％，消泡劑占漿料總量為1.5％。
實施例4制備300g納米氧化鋅重量比為50％濃縮漿。其中水為130.5g，納米氧化鋅粉150g，分散劑Dispers735W為18g，消泡劑Foamex 810為1.5g，納米氧化鋅濃縮漿的制法同實施例1。其中分散劑占漿料總量為6％，消泡劑占漿料總量為0.5％。
實施例5制備300g納米氧化鋅重量比為60％濃縮漿。其中水為93.6g，納米氧化鋅粉180g，分散劑Dispers735W為24g，消泡劑Foamex 810為2.4g，納米氧化鋅濃縮漿的制法同實施例1。其中分散劑占漿料總量為8.0％，消泡劑占漿料總量為0.8％。
實施例6制備300g納米氧化鋅重量比為65％濃縮漿。其中水為86.7g，納米氧化鋅粉195g，分散劑Dispers752W為18g，消泡劑Foamex K5為0.3g，納米氧化鋅濃縮漿的制法同實施例1。其中分散劑占漿料總量為6.0％，消泡劑占漿料總量為0.1％。
實施例7制備300g納米氧化鋅重量比為50％濃縮漿。其中水為117g，納米氧化鋅粉150g，分散劑EFKA-6220為30g，消泡劑EFKA-2550為3g，納米氧化鋅濃縮漿的制法同實施例1。其中分散劑占漿料總量為10％，消泡劑占漿料總量為1％。
實施例8制備300g納米氧化鋅重量比為55％濃縮漿。其中水為121.5g，納米氧化鋅粉165g，分散劑BYK-192為12g，消泡劑BYK-024為1.5g，納米氧化鋅濃縮漿的制法同實施例1。其中分散劑占漿料總量為4％，消泡劑占漿料總量為0.5％。
比較例1調整分散劑Dispers735W和消泡劑Foamex K3的加入量，使加入的分散劑量為漿料總重量的0.5％，消泡劑量為漿料總重量的0.05％。其中水為88.35g，納米氧化鋅粉210g，分散劑Dispers735W為1.5g，消泡劑Foamex K為0.15g。納米氧化鋅濃縮漿的制法同實施例1，制成重量比為70％的納米氧化鋅濃縮漿，此濃縮漿粘度較大，一周后已經膠凝成固態。
比較例2調整分散劑Dispers735W和消泡劑Foamex K3的加入量，使加入的分散劑量為漿料總重量的18％，消泡劑量為漿料總重量的3.0％。其中水為27g，納米氧化鋅粉210g，分散劑Dispers735W為54g，消泡劑Foamex K3為9g。納米氧化鋅濃縮漿的制法同實施例1，制成重量比為70％的納米氧化鋅濃縮漿，此濃縮漿剛研磨好后就膠凝沒有流動性了。
比較例3制備300g納米氧化鋅重量比為82％濃縮漿，使加入的分散劑量為漿料總重量的8％，消泡劑為1％。其中水為27g，納米氧化鋅粉246g，分散劑Dispers735W為24g，Foamex 810為3g，納米氧化鋅濃縮漿的制法同實施例1。此納米氧化鋅濃縮漿研磨好后幾乎成固態。
比較例4制備300g納米氧化鋅重量比為30％濃縮漿，使加入的分散劑量為漿料總重量的3％，消泡劑為0.2％。其中水為200.4g，納米氧化鋅粉90g，分散劑Dispers735W為9g，Foamex 810為0.6g，納米氧化鋅濃縮漿的制法同實施例1。此納米氧化鋅濃縮漿放置一周后出現沉淀和水層。
比較例5調整分散劑EFKA-6220及消泡劑EFKA-2550的加入量，使加入的分散劑量為漿料總重量的16％，消泡劑量為漿料總重量的1.5％。其中水為97.5g，納米氧化鋅粉150g，分散劑EFKA-6220為48g，消泡劑EFKA-2550為4.5g。納米氧化鋅濃縮漿的制法同實施例1。制成重量比為50％的納米氧化鋅濃縮漿，此濃縮漿兩天后就膠凝沒有流動性了。
比較例6調整分散劑BYK-192及消泡劑BYK-024的加入量，使加入的分散劑量為漿料總重量的0.8％，消泡劑量為漿料總重量的0.05％。其中水為132.45g，納米氧化鋅粉165g，分散劑BYK-192為2.4g，消泡劑BYK-019為0.15g。納米氧化鋅濃縮漿的制法同實施例1。希望制成重量比為55％的納米氧化鋅濃縮漿，但是分散納米粉時加入130g后就無法再繼續添加了。
比較例7制備300g納米氧化鋅重量比為60％濃縮漿。取蒸餾水為98.7g，加入分散劑Hydropalat1080為21g，消泡劑Foamex K3為0.3g，納米氧化鋅粉165g，納米氧化鋅濃縮漿的制法同實施例1，其中使加入的分散劑量為漿料總重量的7％，消泡劑量為漿料總重量的0.1％。此濃縮漿制備好后立刻出現明顯水層。
權利要求
1.一種水性納米氧化鋅濃縮漿，其特征在于按重量比計，該濃縮漿由一次粒子的平均粒徑在50nm以下的納米氧化鋅40～80％、分散劑1.0～15％、消泡劑0.1～2％和余量的水組成。
2.按照權利要求1所述水性納米氧化鋅濃縮漿，其特征在于最優的組成為納米氧化鋅50～70％，分散劑5～12％，消泡劑0.5～1.5％、余量為水。
3.按照權利要求1所述的水性納米氧化鋅濃縮漿，其特征在于所述的分散劑采用的是專門適用于水性體系的商用分散劑，該分散劑屬于改性聚丙烯酸、多聚磷酸鹽、聚有機羧酸鹽、改性合成脂肪酸胺，聚氨酯聚合物、改性聚醚分散劑的一種或二種以上的分散劑復配。
4.按照權利要求1所述的水性納米氧化鋅濃縮漿，其特征在于所述的消泡劑采用的是專門適用于水性體系的商用消泡劑，屬于聚硅氧烷、聚醚改性有機硅共聚物、礦物油其中的一種或二種以上的復配。
5.按照權利要求1～4中之一所述水性納米氧化鋅濃縮漿的制備工藝，其特征在于具體步驟如下(1)按重量比計，根據需要量事先把各組分稱量好待用；(2)將分散劑和所需總量一半的消泡劑與水混合均勻；(3)在高速分散機不停轉動過程中逐漸加入納米氧化鋅粉，全部所需納米氧化鋅粉加入以后，再繼續分散5～30分鐘，分散機轉速為1500-2500rpm；(4)加入另一半的消泡劑，再慢速分散1～5分鐘，分散機轉速為200-800rpm；(5)將所得的納米氧化鋅漿料在球磨機或砂磨機中研磨1～10小時，使其平均粒徑小于100納米，制成水性納米氧化鋅濃縮漿成品。
全文摘要
本發明屬于納米材料領域，具體涉及的是一種高固含量貯存穩定的納米氧化鋅濃縮漿及其制備工藝。按重量比計，該濃縮漿包含一次粒子的平均粒徑在50nm以下的納米氧化鋅40～80％、分散劑1～15％、消泡劑0.1～2％、余量的水，將各組分均勻混合后，經分散、研磨等工藝方法制備而成。所使用的分散劑是專門適用于水性體系的商用分散劑，不含苯類和甲醛等有毒物質，并且通過了美國FDA認證，無論對人體還是環境絕對無害。本發明的納米氧化鋅濃縮漿固含量高、粘度低，分散性好，穩定性好，對環境污染小，工藝簡單，適用性廣，可廣泛用于陶瓷、涂料、橡膠、日化產品、磁性材料、電子材料等領域。
文檔編號B82B1/00GK1880226SQ20051004668
公開日2006年12月20日 申請日期2005年6月15日 優先權日2005年6月15日
發明者宋影偉, 劉福春, 韓恩厚 申請人:中國科學院金屬研究所