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稀土在功能涂料和涂層中的作用機理
點擊次數(shù)：271 發(fā)布時間：2013-5-13
摘要：稀土元素具有特殊的電子結構，在制備功能涂層領域有重要的應用。闡述了目前稀土在制備功能有機涂料、耐腐蝕涂層、耐高溫涂層及其他領域中的一些應用，初步探討了稀土在功能涂料和涂層中的作用機理。
關鍵詞：稀土元素；有機涂料；耐腐蝕；耐高溫
1.稀土在有機涂料中的催干作用
有機涂料在材料保護中被大量應用，有機涂料在使用中往往需要添加催干劑。傳統(tǒng)的催干劑主要是鈷、錳、鐵、鉛、鋅、鈣等金屬的有機酸皂，但它們卻存在明顯的缺點：鈷皂價昂，錳皂色深，鉛皂毒性大、污染大。稀土金屬皂催干劑作為一類新型催干劑，不僅具有毒性低、顏色淺、價格適宜等優(yōu)點，而且兼具活性催干劑和輔助催干劑的作用，可部分代替鈷催干劑，全部取代錳、鐵、鉛、鋅、鈣等催干劑，有利于降低成本，消除鉛毒及污染，并提高漆膜質(zhì)量。稀土元素由于具有特殊的外層電子結構，以它制成的皂類催干劑不僅能通過自身的價態(tài)變化將油中天然抗氧化物氧化或結合成絡合物沉淀析出，消除抗氧化劑的抗氧性，加速不飽和脂肪酸的吸氧速度，促進油中不飽和脂肪酸的表層氧化聚合干燥，而且還可通過其空軌道與醇酸、酚醛、氨基、環(huán)氧等樹脂中的羥基、羥甲基等極性基團形成配位鍵，增加分子結構的交聯(lián)度，生成更大相對分子質(zhì)量的配位絡合物，從而使中、底層涂層產(chǎn)生配位聚合干燥[1]。例如以稀土元素Ce和異辛酸為主要原料，采用有機酸皂化法可制備稀土油漆催干劑，該催干劑能通過所含鈰離子的價態(tài)變化促進自由基產(chǎn)生，加速有機涂層的氧化聚合干燥，同時還可與有機分子中的羥基、羥甲基等極性基團形成配位鍵，使有機涂層產(chǎn)生配位聚合干燥[2]。
2.稀土在功能有機涂料中的應用
該類涂料可用于木材、金屬、陶瓷、紙張等固體物質(zhì)的噴涂，起到增加光潔度及防腐等作用。在內(nèi)墻涂料的制備中加入稀土鹽，可以產(chǎn)生對人體有益的負離子[4]。這是因為稀土元素的原子zui外層電子結構相同，都是2個電子，次外層結構相似，而倒數(shù)第3層具有未充滿的4f電子層結構。4f軌道上有未成對電子，zui外層的2個電子發(fā)生電子躍遷，由此而產(chǎn)生多種多樣的電子能級，在稀土元素的原子表面產(chǎn)生空穴，使之與水、空氣組成的體系發(fā)生催化反應，產(chǎn)生O2和·OH活性氧自由基，將空氣中的分子電離，從而增加空氣中負離子的濃度。稀土元素具有特殊的電子結構以及*的光、電、磁等性質(zhì)，是構成光、電、磁等新型功能材料的重要元素。稀土激活堿土金屬鋁酸鹽發(fā)光材料是指以稀土特別是以Eu為激活元素，以堿土金屬鋁酸鹽為基體的一類發(fā)光材料。當前代表性且性能的鋁酸鹽基長余輝發(fā)光材料是稀土離子摻雜的MAl2O4：Eu2+，RE3+，其中M是堿土金屬元素，RE是稀土元素，Eu2+是發(fā)光中心，RE能導致缺陷能級的形成，從而形成長余輝。不同的M使得Eu2+所處的晶體場強度發(fā)生明顯的變化，從而產(chǎn)生不同的發(fā)光和余輝顏色[5-6]。浦鴻汀，等[7]研究了以鋁酸鍶銪為發(fā)光體，分別以過氯乙烯、環(huán)氧樹脂和丙烯酸樹脂為基料的發(fā)光涂料，研究表明，鋁酸鍶銪的含量以20%～30%為*，以丙烯酸樹脂為基料的發(fā)光涂料，其發(fā)光強度、附著力、耐水、耐候、化學穩(wěn)定性較好。美國[8]介紹了一種水性高速公路發(fā)光涂料，該涂料含有銪及其他稀土離子共激活的MAl2O3（M為Sr、Mg、Ca、Ba中的一種或多種）發(fā)光物質(zhì)，以水溶性聚氨酯樹脂為基料，是一種環(huán)境友好型道路漆，而且還可以用于室內(nèi)外的夜間指示。稀土保溫涂料是以硅酸鹽纖維為主料，以膨脹珍珠鹽為填料，摻雜適量的表面活性劑、稀土和高低溫粘合劑制備而成[9]。稀土元素加入保溫涂料以后，可以生成稀土氧化物、稀土硅酸鹽、稀土化合物以及稀土夾雜物并放出某些氣體物質(zhì)，提高保溫涂料的微孔結構。通過X射線熒光分析儀的檢測證實，稀土元素和它的氧化物、鹽類等是大量多元共存的。采用電子掃描顯微鏡對兩種保溫涂料進行觀察，加入稀土元素的保溫涂料，其纖維呈網(wǎng)狀排列；而不加稀土的保溫涂料，其纖維成混雜片狀排列。由于稀土元素的“晶體慣態(tài)”大部分是“密排六方”體，部分是“密排六方”和“面心立方”共存，其原子本身又存在著空價鍵軌道，因而它的化學性能活潑，并和其他原子接觸面大，在物理化學反應后形成以它為中心的網(wǎng)絡結構，因而增強了涂料纖維之間聚合力。此外，稀土添加劑具有微量的放射性，能放射出г、β射線，這些射線能使涂料中的粘結劑改性，也有助于提高其粘結力[10]。將二氧化硅、炭化硅、硼酸、雙氫水、氧化鉛按照一定的比例混合反應制備原料組分A；再將石墨粉、稀土氧化物按照一定的比例混合制成組分B；將A，B組分按比例混合，加入溶劑，可調(diào)制成黏稠的導電涂料[11]，可對冬季混凝土的施工進行、安全的加熱保溫，保證冬季混凝土系統(tǒng)的正常水合反應，滿足了混凝土的強度設計要求，從而有效防止混凝土的早期凍害。