无机硅化物在涂料中的应用

＊王敬伟 纪发达

（山东龙港硅业科技股份有限公司 山东 261300）

1.前言

传统的溶剂型涂料因含有大量有机溶剂，对自然环境、安全生产和人体健康有很大危害。欧美等众多国家相继制定了一系列环保法规来限制VOC向大气中排放。在此背景下，无机涂料等环境友好型涂料因其VOC含量极低，涂料行业市场规模庞大，发展前景良好。

从涂料行业发展历程来看，全球涂料行业已经进入了成熟期，发达国家市场已趋饱和；发展中国家和地区，尤其是我国，由于其巨大的市场潜力成为行业竞争的焦点。节省能源成为现代涂料工业发展的方向。

随着近年来我国门窗、地坪、家具、装饰材料、钢结构件等产品涂装逐步向工厂生产线方向转移，汽车、公路、桥梁等行业对涂装产品的市场需求大增，石油储备工程、大型钢结构工程的兴起，我国涂料产品结构发生了很大变化，工业涂料比重大增，我国工业涂料产品比重超过60%。随着建筑涂料和建筑装饰涂料的企业开始向工业涂料领域扩张，工业涂料的增长前景较好。

同时，为规范建筑内部装修设计，减少火灾危害，2018年GB 50222-2017《建筑内部装修设计防火规范》正式实施，适用于工业和民用建筑的内部装修防火设计，建筑内部装修设计应积极采用不燃性和难燃性，避免采用燃烧时产生大量浓烟或毒气体的材料。涂料的选择成为装修重中之重，在某些特定的场所如学校、医院、养老院、大型超市、体育馆等人流量大的特殊场所必须采用A级阻燃墙面涂料。传统的涂料、乳胶漆为有机化合物，阻燃等级仅达到B2级且容易发霉、抗碱性差、抗污性差、环保性无法控制，而涂料中能达到A级阻燃亦只有无机涂料。

2.无机硅化物涂料的应用

目前有机涂料存在较多不足：首先，涂料的寿命有限。有机涂料的主要成分为有机成分，其易受光、热、有害物质的长时间侵蚀导致分解而失去防火功能。其次，在防火过程中释放有毒烟气，危害人员安全；另外，防火时间有限。有机涂料主要成分为易燃物，防火过程中在氧气作用下会燃烧失去隔热防火功能。还有，有机涂层高温下易脱落。高温情况下，发泡的有机涂层与基材的粘结较弱，在热浪冲击下易脱落从而失去防火功能。最后，有机防火涂料成本较高。有机原料的成本一般情况下都高于无机材料。

无机涂料具有很多优点，但也存在如装饰效果不足、附着力不强以及某些无机涂料制作成本过高等问题。随着涂料市场的发展，以及国家政策以生态优先、绿色发展为导向，高性能、高环保、低能耗的高质量无机涂料越来越受欢迎。无机硅化物涂料具有良好的环保透气性能，耐潮湿，耐霉变，不易燃烧、绿色环保等综合性能，是符合环保要求的高科技换代产品。无机硅化物是最普遍的无机涂料粘合剂，具有较强的粘结力、成膜能力、耐高温、耐老化，原料来源丰富、无污染、成本低廉等优点。目前，在建筑工程中常用的无机硅化物涂料中常用的成膜物质主要是硅酸钠、硅酸钾、硅酸锂和硅溶胶。

（1）硅酸钠。硅酸钠即水玻璃，其水溶液价格低廉，成膜性好，产量大且价格比较低。由于它的碱金属成分高，作为涂料使用虽有适度的粘性和良好的成膜性、粘结性，但用它生产的建筑涂料不耐水，不耐擦洗，且产品质量不稳定。

水玻璃涂料是以水玻璃为主要成膜物质的无机涂料。水玻璃溶液加入固化剂、粉状填料通过一定工艺配制而成，无毒、无味，涂于物品表面凝结成光亮、平滑的薄膜，兼有防护和装饰作用。将硅酸钠与少量复合助剂混合，在常温、常压下制得涂料的基料，然后加入活性填料等；或与金属氧化物混合加热反应，制得的产物再加入硬化剂、填料等配制的涂料，具有不燃性、耐热性、耐候性，且成膜硬度高，其生产工艺简单、施工方便、价格低廉。

用水玻璃无机涂料制成的装饰材料，不仅有隔热性能，而且对水分有吸收和散发能力，适用于刷涂和喷涂，涂料的稳定性好，贮存方便，性能接近硅溶胶类型无机高分子建筑涂料。

（2）硅酸钾。硅酸钾稳定状态时为透明质粘稠状液体，由于硅酸钾可常温自固化，不需要外加固化剂，因此硅酸钾是无机涂料中使用最广泛的粘结剂，无机硅酸钾矿物涂料是以硅酸钾为主粘结料，配合一定量的高分子材料、助剂和颜填料制得的涂料。

无机硅酸钾涂料在防霉方面具有特别好的优势：一方面由于无机硅酸钾涂料有机物含量低，pH值高，所以具有天然防霉性能，它不需要添加防霉剂，减少了防霉剂对环境的污染。另一方面由于无机涂料涂膜的透气性和抗水性好，使涂膜干燥，减少了霉菌的生长。在潮湿环境下，无机硅酸钾涂料反应生成的副产物碳酸钾，使漆膜呈现强碱性，所以在潮湿环境下也能起到持久防霉作用。

无机涂料中包括其原料的生产、涂料的加工以及涂膜老化，将对环境的影响尽可能的降到最低，且环境本身能较快地自我恢复；硅酸钾矿物涂料在固化过程中能吸收空气中的二氧化碳，减少了空气中二氧化碳温室气体的浓度。

无机硅酸钾矿物涂料因其具有持久防霉、天然环保的性能，更适合：地铁、隧道、地下室、南方高湿地域建筑等对防霉环保要求比较高的场所或区域。

无机硅酸钾涂料优点：①环境友好，低气味和可呼吸的涂料，低过敏源的涂料，低毒低害的，无标签的原料，低VOC甚至无VOC的原料及产品。②便于施工涂布，有优异的耐擦洗性、涂刷性和好的流平性等，持久耐用，透气性能良好。③多孔形式赋予涂料优异的透气性。

（3）硅酸锂。硅酸锂又称锂水玻璃，是金属锂与硅酸根结构结合形成的化合物，硅酸锂基涂料是水玻璃涂料（也称水玻璃系无机涂料）中的一种。由于锂离子半径比钠、钾离子半径小得多，相对于硅酸钠、硅酸钾溶液，它的粘稠度会低，耐水性、耐火性、耐侯性等会十分优异，且硅酸锂水溶液允许模数高达8，在超高模数下稳定性依然很好。

硅酸锂除了具有自干的性能之外，还具有耐热、不燃、耐辐射、无毒等性能，在房屋装修之中，使用这种材料，具有环保的作用，不会对人体造成任何的伤害。它不仅能够在房屋装修之中使用，还能够在大厦以及各种构件中使用，尤其适宜用于潮湿环境和耐水性装饰涂料。

硅酸锂涂料，具有以下优点：①绿色环保，用水做溶剂，避免了使用有机溶剂产生的污染和毒害。②耐腐蚀，具有较高的耐有机溶剂的腐蚀。③阻燃，耐高温，耐辐射。④硬度高、耐磨性好，耐生物降解。此外它还具有大多数无机涂料没有的自固化能力，优异的耐水性和耐干湿交替性。

（4）硅溶胶。在硅溶胶产品中，二氧化硅粒子的长度都是纳米级的，如今纳米微粒具有的特别性能现已广泛应用在机械、电子、化工、动力、生物、国防及日常生活等领域中，而硅溶胶产品则是将纳米粒子用在涂料之中。

硅溶胶颗粒细微，析胶时的氧化硅具有较高的活性，能与某些无机盐、金属氧化物生成新的硅酸盐无机高分子化合物，形成很硬的膜；粒子细小对基材的渗透力强，细小的颗粒能通过毛细管作用渗透到基材的内部，并能与基材中的碱性物质作用，使涂膜具有较强的附着力。

硅溶胶具有优于一般涂料的表面附着的黏结力。硅溶胶与有机高分子聚合物混溶，使有机高分子均匀地分布在Si-O-Si无机涂层的间隙中，屏蔽无机涂层中残存的亲水基团，涂膜经受冷热交替时使涂层的收缩得到缓冲，并使涂层具有一定的弹性，所形成的涂层兼具无机涂料和有机涂料的特性，弥补两者不足。

硅溶胶成膜后形成硅氧体为网状结构，不怕酸碱，提高了涂膜的性能。以硅溶胶为主要成膜物，添加辅助成膜物，外加颜料、填料配制的涂料，具有独特的耐水、耐火、耐洗刷、耐污染性能。

此外硅溶胶在制备金属型面层导热涂料、耐水仿瓷涂料、墙面珠钢涂料、节能防腐高温陶瓷涂料、金属型保温涂料、发泡型防火涂料等中广为应用。

3.结束语

我国工业涂料比重远低于国际水平，发展前景广阔。据全球各地区涂料产品产量统计资料显示，北美地区水性工业涂料约占43%，溶剂型工业涂料约占51%；西欧地区水性工业涂料约占34%，溶剂型工业涂料约占52%；而在我国水性工业涂料只占15%，溶剂型工业涂料占比高达80.5%，水性工业涂料应用比例与欧美发达国家相比差距相当大，具有广阔的市场发展空间。

步入21世纪以来，欧美以及日本等发达国家提出了“涂料无机化”的观点，与有机建筑涂料相比，无机建筑涂料在资源、环保和综合性能等方面有很大的优势，且具有优异的贮存稳定性、柔韧性、防水性、耐污性、阻燃性以及耐霉菌性等优点，已得到人们的广泛认可。近年来，随着国家各项环保法规的出台和人们环保意识的增强，无机涂料符合涂料工业的水性化、无公害化、节约能源、高性能等发展方向，具有广阔的市场前景。