有机颜料的表面纳米包覆改性及其在涂料中的应用研究

论文摘要

有机颜料具有着色力强、色泽鲜艳、色谱齐全等优点，已经广泛地应用于油墨、涂料、塑料和橡胶等的着色，而且是近期聚合物着色剂研究开发的热点。但多数有机颜料品种存在着水相分散性差和耐光牢度、耐候性不好等缺点。文献中曾采用聚合物包膜、有机颜料包核、表面活性剂处理等方法来改善有机颜料的性能，但到目前为止，仍不尽理想。本论文则采用层层自组装技术和溶胶-凝胶法对有机颜料颗粒表面进行了二氧化硅、二氧化钛等纳米无机氧化物的包覆改性，试图将无机纳米氧化物的紫外屏蔽特性、高耐候性、亲水性、化学惰性等优点赋予有机颜料，从而提高有机颜料在水相中的分散性、耐候性以及耐酸碱性等性能，同时又不牺牲有机颜料的高装饰特性（因为纳米无机氧化物具有可见光透过特性）。本论文选用有机颜料黄109和联苯胺黄G作为有机颜料体系，研究内容包括：纳米二氧化硅胶体粒子在有机颜料颗粒表面的层层自组装包覆、二氧化硅纳米薄膜在有机颜料颗粒表面的溶胶-凝胶包覆、二氧化钛纳米薄膜在有机颜料颗粒表面的溶胶-凝胶包覆以及包覆改性后有机颜料的性能研究等。关于纳米二氧化硅胶体粒子在有机颜料颗粒表面的层层自组装包覆研究方面，首先采用聚电解质聚二烯丙基二甲基氯化铵（PDADMAC）和聚4-苯乙烯磺酸钠（PSS）交替吸附处理有机颜料颗粒表面，使其带上正电荷，再通过静电作用将纳米胶体二氧化硅粒子吸附到有机颜料颗粒表面上。研究结果表明：纳米二氧化硅粒子通过层层自组装方法可以成功地包覆到有机颜料颗粒的表面，而且吸附到有机颜料颗粒表面上纳米二氧化硅的量随着预吸附聚电解质层数的增加而增加，但当吸附六层聚电解质以后，进一步增加聚电解质吸附层数对增加纳米二氧化硅吸附量没有太大意义。包覆到有机颜料黄109颗粒表面二氧化硅层的厚度可以通过吸附多层纳米二氧化硅来控制。表面元素分析结果表明，有机颜料颗粒表面的纳米二氧化硅粒子包覆率随着纳米二氧化硅包覆层厚度增加而增大。接触角的实验结果表明，包覆了纳米二氧化硅的有机颜料的润湿性发生了明显的改善，可以完全被水浸润，能够很方便地应用于水性体系中。紫外-可见光谱分析结果证明了包覆纳米二氧化硅的有机颜料紫外屏蔽性能大大加强。在二氧化硅纳米薄膜在有机颜料表面的溶胶-凝胶包覆方法方面，首先也是利用上述的两种聚电解质对有机颜料颗粒表面进行改性，使其表面带上一定量的正电荷，之后将带一定正电荷的有机颜料颗粒转移到乙醇溶液中，然后将前驱体正硅酸乙酯（TEOS）和氨水加入到该体系中进行反应。透射电镜照片结果表明，在表面活性剂聚乙烯吡咯烷酮（PVP）辅助作用下，通过控制氨水和水的用量可以控制包覆到有机颜料颗粒表面二氧化硅的形态，使水解和缩合的TEOS能够在有机颜料黄109颗粒表面形成一层致密的二氧化硅纳米级厚度的膜，二氧化硅层的厚度可以通过控制TEOS的用量来调控。XPS分析结果表明，随着二氧化硅层厚度的增加，硅含量同样增加，氯元素含量降低，表明二氧化硅包覆层愈来愈致密。紫外-可见漫反射光谱数据表明，用这种方法包覆的二氧化硅同样可以屏蔽紫外线，热分析结果表明包覆了二氧化硅的有机颜料的热稳定性有所提高。在二氧化钛纳米薄膜在有机颜料表面的溶胶-凝胶包覆方法方面，以钛酸正丁酯（TBOT）为前驱体，采用类似于溶胶-凝胶法二氧化硅包覆有机颜料工艺，成功实现了二氧化钛在有机颜料颗粒表面的包覆。研究结果表明，可通过调节TBOT的滴加速度、水和氨水的加入量等工艺参数得到致密的二氧化钛包覆层，二氧化钛包覆层的厚度可通过TBOT的加入量来控制。XPS测试结果表明，随着二氧化钛层厚度的增加，改性后颜料颗粒表面钛元素的含量也是逐渐增加的。紫外—可见漫反射光谱分析结果表明，包覆二氧化钛后的有机颜料的紫外屏蔽性能大大加强，与纳米二氧化硅粒子包覆有机颜料的紫外屏蔽性能相类似，优于二氧化硅溶胶-凝胶法包覆的有机颜料。有机颜料包覆二氧化钛后，耐热性也有一定程度的提高。在改性后有机颜料的性能方面研究结果表明：纳米无机物改性后的联苯胺黄G润湿性能都有所改善，但用层层自组装方法制备的二氧化硅包覆联苯胺黄G的润湿性能明显优于溶胶-凝胶法制备的二氧化硅、二氧化钛包覆的联苯胺黄G；不管用什么方法进行无机物包覆，改性后的颜料耐酸碱性都增强；将改性后的联苯胺黄G色浆加入乳胶漆配制成水性建筑涂料进行涂层性能测试发现：包覆到联苯胺黄G上的无机物的壳层越厚越致密，则改性后的联苯胺黄G配成的涂料涂层颜色就越鲜艳；纳米无机物包覆后颜料的耐候性都有提高。

论文目录

• 摘要
• Abstract
• 第一章 绪论
• 1.1 有机颜料的发展概况
• 1.1.1 颜料的定义
• 1.1.2 颜料与染料的区别
• 1.1.3 有机颜料的发展历史
• 1.1.4 有机颜料的分类
• 1.1.5 有机颜料的特点和重要性
• 1.2 有机颜料的改性方法
• 1.2.1 有机颜料包核法
• 1.2.2 无机杂化改性有机颜料
• 1.2.3 隐颜料技术
• 1.2.4 表面处理有机颜料
• 1.3 本论文的研究背景
• 1.4 本论文的研究思路和内容
• 1.4.1 前人工作的启发
• 1.4.2 本论文的主要内容
• 1.5 本论文的主要创新点
• 第二章 实验部分
• 2.1 原材料
• 2.2 制备
• 2.2.1 有机颜料的分散
• 2.2.2 二氧化硅层层自组装方法包覆有机颜料的制备
• 2.2.3 二氧化硅溶胶-凝胶法包覆有机颜料的制备
• 2.2.4 二氧化钛溶胶-凝胶法包覆有机颜料的制备
• 2.2.5 高保色性外墙建筑涂料的制备
• 2.3 表征及性能测试
• 2.3.1 有机颜料颗粒表面特性测试
• 2.3.2 有机颜料颗粒表面形态测试
• 2.3.3 二氧化钛包覆有机颜料颗粒表面结构测试
• 2.3.4 无机物包覆有机颜料颗粒性能测试
• 第三章 层层自组装法制备纳米二氧化硅包覆有机颜料及其性能研究
• 3.1 前言
• 3.2 聚电解质层数对有机颜料表面吸附纳米二氧化硅量的影响
• 3.3 浓度、pH值和吸附时间对有机颜料表面吸附二氧化硅的影响
• 3.4 纳米二氧化硅包覆有机颜料粒子的形态和大小的变化
• 3.5 纳米二氧化硅包覆有机颜料表面元素分析
• 3.6 纳米二氧化硅包覆有机颜料的比表面积和孔径分析
• 3.7 纳米二氧化硅包覆有机颜料的润湿性能
• 3.8 纳米二氧化硅包覆有机颜料的紫外-可见光谱性能
• 3.9 本章结论
• 第四章 溶胶-凝胶法制备二氧化硅包覆有机颜料及其性能研究
• 4.1 前言
• 4.2 正硅酸乙酯水解动力学分析
• 4.3 聚乙烯吡咯烷酮（PVP）和表面电荷的影响
• 4.4 pH值和水浓度的影响
• 4.5 TEOS用量的影响
• 4.6 二氧化硅包覆有机颜料的表面元素分析
• 4.7 二氧化硅包覆有机颜料的比表面积和孔径分布
• 4.8 二氧化硅包覆有机颜料的热分析
• 4.9 二氧化硅包覆有机颜料的紫外-可见光谱性能
• 4.10 本章结论
• 第五章 溶胶-凝胶法制备二氧化钛包覆有机颜料及其性能研究
• 5.1 前言
• 5.2 钛酸正丁酯水解动力学分析
• 5.3 聚电解质层数的影响
• 5.4 水量的影响
• 5.5 TBOT用量的影响
• 5.6 二氧化钛包覆有机颜料的表面元素组成
• 5.7 二氧化钛包覆有机颜料的XRD分析结果
• 5.8 二氧化钛包覆有机颜料的比表面积和孔径分布
• 5.9 二氧化钛包覆有机颜料的热分析
• 5.10 二氧化钛包覆有机颜料的紫外-可见光谱性能
• 5.11 本章结论
• 第六章 纳米无机物包覆联苯胺黄G制备及其应用性能的研究
• 6.1 前言
• 6.2 纳米无机物包覆联苯胺黄G的形态变化
• 6.3 纳米无机物包覆联苯胺黄G比表面积和孔径分布
• 6.4 纳米无机物包覆联苯胺黄G的热稳定性
• 6.5 纳米无机物包覆联苯胺黄G的润湿性能
• 6.6 纳米无机物包覆联苯胺黄G的耐酸耐碱性
• 6.7 乳胶漆中纳米无机物包覆联苯胺黄G的颜色变化
• 6.8 纳米无机物包覆联苯胺黄G的耐候性
• 6.9 本章结论
• 第七章 结论
• 层层自组装法制备纳米二氧化硅包覆有机颜料
• 溶胶-凝胶法制备二氧化硅包覆有机颜料
• 溶胶-凝胶法制备二氧化钦包覆有机颜料
• 纳米无机物包覆联苯胺黄G的应用性能研究
• 参考文献
• 攻读博士期间发表的论文及获奖情况
• 致谢