随着粉体技术的不断发展, 超细粉体的制备与应用技术已引起人们的高度重视, 其重要性也日益显露, 同时对粉体的多样化、功能化、精细化的要求也日益提高。
粉体的形状直接影响着粉体的实际应用性能。片状金属粉体由于其特殊的二维平面结构, 具有良好的附着力、显著的屏蔽效应、反射光线的能力以及优良的导电性能。因此片状金属粉在颜料、涂料以及导电浆料等领域, 显示出优于其它形状粉体的性能。
片状金属粉体主要有片状铝粉、铜金粉、银粉、锌粉和铅粉等, 其最明显特点是具有较大的径厚比。随着技术的进步, 片状粉体的厚度达到了纳米级, 而粒径为微米级, 从而兼顾了纳米与微米粉体的双重功效。其表面活性适中, 既能与其它活性基团有效结合, 又不易团聚而便于有效分散; 同时与纳米粉体相比, 片状粉体易于工业化生产, 已引起产业界的广泛兴趣。
一、片状铝粉
铝粉颜料的主色调为银灰色, 故在工业上俗称为“ 银粉” 。普通的片状铝粉的厚度为0.1-0。2微米, 粒径在1 一20 0微米之间。铝粉颜料从性能分类, 主要有漂浮型铝粉和非漂浮型铝粉两大类。其中, 漂浮型铝粉是同涂装面呈平行方向排列、并且只分布在涂层表面的铝粉颜料, 而非漂浮型铝粉则分布于整个涂层之中。
我国目前已有3 0 多家铝粉颜料生产厂, 年生产能力超过了2 万t , 而在高档产品方面, 与国外产品相比还有一段距离, 仍然需要进口。
片状铝粉颜料最广泛的制备方法是球磨法，即以铝锭或铝箔为原料, 先进行喷雾制粉, 再经过球磨、化学处理等工艺过程, 加工成细小的鳞片状粉末。初期所得铝粉粒度分布较宽, 铝片表面欠平整、形状规则度较差, 遮盖力较低, 明度值和白度值较低, 其装饰效果不理想。后来, 人们对传统工艺进行了改进, 特别是改善了分级技术和表面改性技术, 开发出了表面平整、形状规则且近似圆形的片状铝粉。
作颜料使用时, 片状铝粉主要有以下特性:
(l) 铝粉颜料是片状粉末, 当附合在适宜的薄膜中时, 会发生漂浮运动, 在表面自动而定向地形成多层与表面平行且彼此重迭的叶片, 各层铝片交互错开, 形似“恺甲” , 从而起到良好的屏蔽作用。
(2) 铝粉颜料在较大的光谱范围内对光线具有反射效应, 对紫外光和红外线也有较强的反射能力, 有利于保护易受光腐蚀的内层材料。粒径在2 一20微米间的片状铝颜料对光线的反射可达60 % -90 %, 而且随着表面积的增加其反射光的能力降低。
(3) 铝粉颜料具有“ 双色效应” 。
当观察含有这种金属颜料的涂层时, 随着观察者角度的变化, 涂层会呈现出不同的颜色与光泽。此外, 铝粉颜料还具有“ 金属闪光效应” , 即表面对光的镜面反射使人眼产生闪烁视感。铝粉颜料具有较好的还原性, 随着粒径的减小, 活性进一步增强。因此, 需要对其进行表面包覆的改性处理。包覆后的铝粉不仅有较好的化学稳定性, 其颜料特性也得到了增强。目前, 人们已成功制备出单覆层、双覆层、甚至多覆层体系的铝颜料, 这些新型的铝粉颜料大大提高了铝粉的光学效应和稳定性, 拓展了其品种与应用范围。
片状铝粉颜料在油漆、瓷漆和涂料中有着广泛的用途。铝油漆主要应用在结构金属和钢铁上, 如工厂、桥梁和架塔等; 这些油漆具有高反射性, 因此有较长的使用寿命。铝颜料对硫化氢等工业气体以及一般烟雾有抵抗力, 使它们在室内和室外油漆中有特别的用途。铝颜料也应用在特殊油漆中, 例如应用在锅炉、马达和烟囱等方面, 以抵抗中等高温。
金属闪光面漆作为一种装饰漆, 是闪光铝粉最广泛的应用。这种面漆在不同视角会产生金属感和明暗变化的闪光效应。如在铝粉颜料市场保持领先地位的美国Silberline公司的55系列、德国Eckart公司的StaPaMetallX 系列、日本东洋铝株式会社的MG系列等, 都是闪光铝粉产品。
二、 片状铜金粉
铜金粉以德国的Eckart 公司、英国Wolsten-holme 公司等的产品最具代表性, 在国内有苏州钻石金属粉有限公司的钻石牌铜金粉等。目前, 国内市场对铜金粉的年需求量达8 0 0 t 以上, 年递增20 % 一25 % , 国际市场需求量年递增为10 % -15%。我国铜金粉工业生产数量、品种和生产厂家逐年增加, 基本满足了需求, 但优质高档产品仍部分地依赖进口。
和铝颜料的制造方法相似, 铜金粉的制造也大多采用机械加工的方法。首先将铜或铜锌合金制成薄片或箔状物, 或喷雾制成小粒, 在球磨机或密闭锤磨机中, 与适合的润滑剂在一起进行研磨, 当物料达到所需要的细度时, 转送到抛光桶中进行抛光后即得产品。
掺杂不同种类与数量的其它金属元素, 会使铜金粉呈现不同的色泽。例如铜锌合金具有红光或绿光的金色光泽, 铜锡合金具有古铜色至金古铜色光泽。因此, 铜金粉可以制成多种不同色调和颗粒大小的品种。此外, 利用合成染料, 还可以得到具有各种紫的、蓝的、青的、深红的和红色色调的着色铜金粉。
商业用铜金粉有多个品级, 主要区别在于它们的色相、平均厚度、粒度分布、平均遮盖力等的不同。不同粒径的铜金粉具有不同的用途。粗颗粒状产品适用于飞金、丝网印刷油漆等行业, 细颗粒铜金粉适用于凹印、胶印、凸印等行业, 而超细铜金粉是制造胶印金墨的理想材料。
三、 片状锌粉
锌粉颜料的粒子结构通常有粒状与鳞片状两种。鳞片状锌粉的生产通常采用机械法, 如捣碎制粉法、湿式球磨法和振动球磨法等。
其中, 湿式球磨法是将锌粒、研磨媒质(钢球)及助剂加人球磨机中; 将颗粒状金属粉碎, 挤压成鳞片状。像铝、铜、锌这样硬度较低的金属, 采用上述方法, 操作效果较好, 产品合格率较高。采用湿式球磨法在进行金属粉碎和使之扁平化时, 球磨机转速、不同研磨媒质(不同直径钢球配比) 和助剂的性质对产品的质量和性能有较大的影响。
片状锌粉主要应用于配制各种水溶性无机盐涂料、有机防腐涂料以及富锌底漆。片状锌粉在涂料中的成膜性好, 层状结构具有一定的立体感, 在涂膜的柔韧性、再涂性能方面具有优势, 且施工时不易起泡。用其配制的防腐涂料, 锌片粉末成片状排列, 耗锌量小, 涂层致密, 腐蚀路线延长, 根据其工艺特性, 可处理超大、超长和带有内螺纹等异形复杂管件、接插件等。而且可使涂件表面涂层均匀、美观, 并可涂漆上色、焊接。一定程度上可取代了传统电镀、热镀, 在处理工艺中不产生废气和废水污染。
富锌底漆具有优异的防腐性能,它是由大量的微细锌粉与少量的成膜基料组成。它的防腐机理是: 在腐蚀的前期, 通过锌粉的溶解牺牲对钢铁起阴极保护作用; 在后期, 随着锌粉的腐蚀在锌粉颗粒中间沉积了许多腐蚀产物氧化锌, 这些致密而微碱性腐蚀产物不导电, 添塞了颜料层, 阻挡腐蚀因子的透过, 即后阶段是由屏蔽作用而起防腐蚀效果的。因此片状锌粉对防腐性能的贡献高出球状锌粉数倍之多。目前常用的富锌底漆有3 种: 水玻璃无机富锌底漆、醇溶型无机富锌底漆和有机富锌底漆。锌粉化学稳定性差, 在潮湿或酸性、碱性的环境下能被氧化, 故产品要保持干燥、密封, 防止与酸、碱性物质接触。而且, 锌粉与酸性食物接触时, 能生成具有毒性的锌盐, 故不能用于食品设备的涂装。
片状粉体是无机粉体材料功能化、精细化的一个重要发展方向。随着科学技术和分析测试手段的不断进步, 在更高层次上开展对片状金属颜料粉体性质的深入研究, 并根据片状金属粉体的基本性质,开展相应的物理、化学、材料等方面的应用研究也就显得日益重要。开展片状金属粉体的研究, 对于传统产品提档升级以及新技术与新材料的开发, 都具有重要的意义。
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