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一、術(shù)語和定義

硅的鹵化物（主要是一甲基三氯硅烷、四氯化硅或三氯氫硅）在氫氧火焰1000 ℃或更高的溫度下水解、燃燒形成二氧化硅原生粒子，再相互碰撞形成二次粒子并形成長鏈，生成帶有表面羥基和吸附水的超微細(xì)白色粉末，便是氣相二氧化硅（簡稱氣硅）。

具體生產(chǎn)工藝稱為化學(xué)氣相沉積（CAV）法，又稱熱解法、干法或燃燒法。其原料一般為四氯化硅、氧氣（或空氣）和氫氣，需在高溫下反應(yīng)而成，反應(yīng)式為：SiCl? + 2H? + O? → SiO? + 4HCl?？諝夂蜌錃夥謩e經(jīng)過加壓、分離、冷卻脫水、硅膠干燥、除塵過濾后送入合成水解爐。將四氯化硅原料送至精餾塔精餾后，在蒸發(fā)器中加熱蒸發(fā)，并以干燥、過濾后的空氣為載體，送至合成水解爐。四氯化硅在高溫下氣化（火焰溫度1000~1800 ℃）后，與一定量的氫和氧（或空氣）在1800 ℃左右的高溫下進行氣相水解；此時生成的氣硅顆粒極細(xì)，與氣體形成氣溶膠，不易捕集，故使其先在聚集器中聚集成較大顆粒，然后經(jīng)旋風(fēng)分離器收集，再送入脫酸爐，用含氮空氣吹洗氣硅至pH值為4~6即為成品。

氫氧火焰反應(yīng)示意圖

氣硅原生粒徑為7~14 nm，氮吸附比表面積（NSA）為70~400 m²/g，充分分散后粒徑較小，可達到納米狀態(tài)，具有較高的表面活性，具有良好的補強、增稠、觸變、消光、防沉降、抗流掛、抗紫外線和殺菌等多種作用，能有效改善涂料制品的應(yīng)用性能，例如：防止顏填料的沉降分層、提高涂料的耐候性、抗刮擦性以及涂層與基材之間的結(jié)合強度等。

二、相關(guān)標(biāo)準(zhǔn)

GB/T 20020-2013《氣相二氧化硅》（即將被GB/T 20020-2025替代）

Q/(GZ) GBS01-2002《氣相二氧化硅》

T/FSI 490-2020《氣相二氧化硅表面硅羥基含量測試方法》

ISO 3262-20:2000(E)《涂料和添加劑——說明及一般方法 第20部分：氣相二氧化硅》

其中，GB/T 20020-2013將氣硅分類為親水性的A類和疏水性的B類，A類氣硅表面沒有覆蓋有機物，B類氣硅由A類產(chǎn)品經(jīng)有機物表面改性制成。該標(biāo)準(zhǔn)還規(guī)定，氣硅的產(chǎn)品名稱以類型代號（A或B）加上典型的NSA數(shù)值構(gòu)成，例如“A300”即表示NSA典型值為300 m²/g的A類氣硅產(chǎn)品。除了NSA，該標(biāo)準(zhǔn)還對不同類別氣硅的灼燒減量、各種雜質(zhì)含量、懸浮液pH值、振實密度等技術(shù)指標(biāo)及相關(guān)測定方法做了規(guī)定。

GB/T 20020-2025于不久前（8月1日）發(fā)布，將于明年2月1日正式實施，替代現(xiàn)行的GB/T 20020-2013。

三、氣硅在涂料中的應(yīng)用

氣硅顆粒小，比表面積大，并且表面有大量硅羥基基團，這種大的表面積可以與涂料配方中的其他成分產(chǎn)生顯著的相互作用。在涂料中分散后，會形成三維網(wǎng)狀結(jié)構(gòu)，這種網(wǎng)絡(luò)結(jié)構(gòu)會阻礙液體的流動，從而增加黏度并產(chǎn)生觸變性，能夠防止涂料在儲存期間發(fā)生沉淀。在剪切力作用下，這種支化網(wǎng)狀結(jié)構(gòu)會被破壞，導(dǎo)致黏度降低（剪切變稀）。涂覆完成后，氣硅粒子重新形成網(wǎng)狀結(jié)構(gòu)，涂料黏度又再度變高（觸變性），從而確保流平，同時無流掛，并且確保在固化階段，涂料在靜止?fàn)顟B(tài)下能夠保持穩(wěn)定。

氣硅還可通過與基材表面的相互作用來改變涂料的表面特性并增強附著力。氣硅的高比表面積和表面化學(xué)性質(zhì)可促進涂層與底材之間的附著力，從而提高粘結(jié)性和涂層的完整性。例如，氣硅作為流變助劑非常適用厚漿型涂料（如環(huán)氧富鋅底漆），既能保證涂料在一定的施工剪切力下有良好的流動性，又能保證涂膜的一次施工厚度。在施工過程中，由于涂層邊緣的溶劑揮發(fā)較快，導(dǎo)致表面張力不均勻，容易使涂料向邊緣移動，氣硅能夠有效地阻止涂料的移動而形成厚邊，同時還能防止涂料在固化過程中的流掛現(xiàn)場，使涂層均勻。

氣硅通常在在油漆和涂料中作為流變助劑、防沉降和助分散劑使用。

1. 流變控制助劑

氣硅表面帶有大量的羥基，這些羥基會在其聚集體之間形成氫鍵，當(dāng)充分分散于涂料中時，便形成二氧化硅的網(wǎng)狀結(jié)構(gòu)。

一方面，在施工過程中，由于涂層邊緣的溶劑揮發(fā)較快，導(dǎo)致表面張力不均勻，容易使涂料向邊緣移動。而二氧化硅網(wǎng)絡(luò)能夠有效地阻止涂料的移動而形成邊，同時還可防止涂料在固化過程中的流掛現(xiàn)象，使涂層均勻。

另一方面，氣硅由于能形成氫鍵使得體系的中低剪切粘度提高，起到增稠作用，并產(chǎn)生觸變現(xiàn)象。正因此，氣硅在油性體系中的應(yīng)用非常廣泛。

此外，氣硅比表面積大，表面能高，非常容易團聚，在應(yīng)用過程中必須適當(dāng)分散，才能取得最好的效果。假若分散不足，三維網(wǎng)狀結(jié)構(gòu)便不能充分形成，但過度分散又會造成二氧化硅粒子之間的網(wǎng)狀結(jié)構(gòu)遭到徹底破壞，即使長時間停止施加剪切力，其網(wǎng)狀結(jié)構(gòu)也很難恢復(fù)。

在涂料生產(chǎn)過程中，氣硅的表面處理、添加方式、分散設(shè)備的選擇等，都會影響氣硅在涂料中的分散狀態(tài)。一般情況下，最好先將氣硅分散成預(yù)漿，然后再投入粉料分散完全。

2. 防沉降劑

氣硅粒度小，比表面積大，表面上帶有硅烷醇基團。這些硅烷醇基可與鄰近的氣硅顆粒間相互作用而形成氫鍵。

氫鍵作用使其形成觸變形結(jié)構(gòu)。氣硅的懸浮作用正是由于它分散于溶液中時會形成網(wǎng)絡(luò)結(jié)構(gòu)而產(chǎn)生的。這種網(wǎng)絡(luò)結(jié)構(gòu)使體系中的顆粒不易聚結(jié)和發(fā)生相的分離。同時體系的黏度提高也有利于阻止體系中各組分的運動。

作為一種理想的防沉劑，一方面，氣硅對于防止涂料體系中顏料的沉淀非常有效。特別是對于色漿體系，適當(dāng)?shù)奶砑恿繉⒋蟠筇岣呱珴{的穩(wěn)定性，而且能夠減少潤濕分散劑的量，以提高色漿的適用性并減少色漿對涂料體系的影響。氫鍵作用使其形成觸變形結(jié)構(gòu)。

另一方面，氣硅的防沉作用對涂料存放非常有利，特別是某些顏料，如金屬粉和薄片，都極易沉淀且不能完全懸浮，使用氣硅可保證其分散不沉淀。以配方總量計，二氧化硅用量在0.4%~0.8%的范圍內(nèi)，但特殊情況下，比如富鋅漆，需增加到2%。在UV涂料中，需通過調(diào)整氣硅添加量（0.5%~2.5%），可優(yōu)化粘度觸變性、耐磨性和消光效果。

3. 分散助劑

分散在涂料中的氣硅可增強涂料基體與無機填料的結(jié)合力，提高其機械性能，如硬度、抗劃傷性和耐久性。在立面涂料中添加氣硅，可以有效防止涂料流掛，提高施工面的平整度，也可以極大提升外墻涂料的耐洗刷性和老化時間，涂膜與墻體結(jié)合強度也大幅提高，涂膜硬度顯著增加，表面自潔能力也獲得改善。

4. 消光性能

氣硅由于微小的粒徑、高比表面積形成的三維網(wǎng)狀結(jié)構(gòu)，使其具有明顯的光散射能力。其折射指數(shù)與涂料工業(yè)中使用的大部分樹脂的折射指數(shù)相近，為1.46，因此氣硅用于清漆中具有良好的光學(xué)性能，已成為高檔涂料消光劑的首選。

影響氣硅消光劑的主要特征參數(shù)有孔體積（孔隙度）、平均粒徑和粒徑分布、表面處理等。對于給定的氣硅消光劑來說，其消光效率隨著孔體積的增大而提高。氣硅的平均粒徑及其粒徑分布對于涂料光澤度的降低起重要作用。對于給定涂料和涂膜厚度，在消光劑粒徑與涂料干膜厚度相對應(yīng)時，消光效果最好。粒徑分布的頻帶越窄其消光效率越高。氣硅通過有效降低涂料光澤度，同時保持透明度。其消光效率優(yōu)于碳酸鈣等傳統(tǒng)填料。

5. 其他應(yīng)用特性

(1) 氣硅采用甲基丙烯硅烷進行表面處理后，添加到聚氨酯涂料中，可以起到耐摩擦的作用。加入5%~15%的氣硅，堅固地嵌在涂膜中，聚集體的顆粒部分暴露于成膜后的涂料表面上，形成微觀粗糙度，這種微觀結(jié)構(gòu)使涂膜表面不滑和不粘連，磨擦系數(shù)大大提高，可提高10%~35%。同時涂料的流變性能和干膜的光學(xué)性能都不受負(fù)面影響。

(2) 氣硅還可以提高涂料的耐候性、抗劃傷性，提高涂層與基材之間的結(jié)合強度。

(3) 氣硅具有極強的紫外線吸收、紅外光反射特性，添加在涂料中能提高涂料的抗老化性能。

(4) 氣硅具有高表面活性，經(jīng)過改性處理后，可以調(diào)整其表面電荷。顏料或填料可能會因活性而自身聚集或結(jié)塊，氣硅可中和這些電荷，防止顏料或填料的團聚，提高它們的分散性和存儲性。在粉末涂料中，氣硅可以吸附在粉末涂料表面，形成可移動層，產(chǎn)生“滾珠”效應(yīng)，防止粉末涂料吸收水分和結(jié)塊，提高粉末涂料的流動性。

四、涂料用氣硅的展望與注意事項

不管是現(xiàn)在還是未來的制造都朝著功能化、綠色化方向發(fā)展，環(huán)保型涂料、功能型涂料也應(yīng)運而生。氣硅的制造也必須朝著功能化、個性化方向發(fā)展；為發(fā)揮氣硅的良好性能，生產(chǎn)企業(yè)應(yīng)與涂料用戶密切溝通，要充分考慮其在涂料中的分散、穩(wěn)定等關(guān)鍵因素，同時在配方設(shè)計過程中要注意涂料體系對其的影響。

另外需注意的是，發(fā)揮出氣硅的優(yōu)異性能，分散或研磨設(shè)備至關(guān)重要。只有當(dāng)氣硅充分分散于涂料中，才能實現(xiàn)其最佳的流變性能。良好的分散效果取決于所施加的剪切力強度（分散器的設(shè)計、尺寸、速度和功率）和分散時間。但剪切力不足，即使延長分散時間，也無法取得最佳的分散效果。