Диоксид кремния и диоксид титана

Когда слышишь про диоксид кремния и диоксид титана, первое, что приходит в голову — классические наполнители и пигменты. Но в реальности разница в поведении этих материалов в композициях часто оказывается сложнее, чем кажется на техкартах. Многие до сих пор считают, что SiO? — это просто загуститель, а TiO? — укрывистый белый пигмент, и всё. Но если копнуть глубже, особенно в системах с полярными смолами или при высоких нагрузках диспергирования, начинаются сюрпризы.

Различия в химической природе и влиянии на реологию

Возьмём, например, пирогенный диоксид кремния. Вроде бы стандартный загуститель для гелей и тиксотропных покрытий. Но я помню, как на одном из проектов для антикоррозионного грунта мы столкнулись с резким падением вязкости после двухнедельного хранения. Оказалось, что в системе с эпоксидной смолой и полиамидным отвердителем частицы SiO? постепенно теряли водородные связи из-за миграции низкомолекулярных компонентов. Пришлось подбирать не просто концентрацию, а ещё и модификацию поверхности — гидрофильную или гидрофобную. И это только один эпизод.

С диоксидом титана история не менее интересная. Многие технологи гонятся за высоким показателем преломления, забывая про фотохимическую активность. В УФ-отверждаемых лаках для мебели мы как-то использовали ?не тот? тип TiO? — рутильный, но без дополнительной инертной оболочки. Через полгода экспозиции в помещении с окнами покрытие начало мелить и желтеть. Перешли на анатазный с инкапсуляцией — проблема ушла, но пришлось жертвовать немного укрывистостью.

Ещё один момент — совместное использование. Казалось бы, смешивай и получай synergistic effect. Но в полиуретановых композициях для текстурных красок мы заметили, что при определённом соотношении SiO? и TiO? возникает конфликт за адсорбцию на поверхности частиц полимерных дисперсий. В итоге — седиментация и сложности с колеровкой. Решили через ступенчатое диспергирование: сначала вводили диоксид кремния, потом, после формирования структуры, пигмент.

Особенности диспергирования и стабильности систем

Диспергирование — это отдельная песня. С TiO? вроде всё ясно: высокие обороты, хорошие мелющие тела. Но если переборщить с энергией в системе с полярными растворителями, можно получить переизмельчение и рост водного числа. А это уже влияет на блеск и межслойную адгезию. Однажды пришлось переделывать целую партию белой эмали для металла — заказчик жаловался на ?сухое? нанесение. Оказалось, мы так усердно диспергировали, что частицы титана стали слишком мелкими и начали сорбировать слишком много связующего.

С диоксидом кремния сложнее. Его нельзя просто ?взбить? — важно добиться нужной степени деагломерации без разрушения первичных частиц. В силиконовых герметиках, например, недостаточное диспергирование ведёт к псевдопластичности, а избыточное — к тиксотропному срыву. Помню, как на производстве ООО Шаньдун Инжуй Новые Материалы тестировали партию пирогенного SiO? для силан-модифицированных полимеров — там пришлось подбирать не только скорость, но и температуру ввода, чтобы избежежать преждевременной поликонденсации.

Стабильность — это вообще головная боль. В водных системах диоксид титана без правильного дисперганта оседает камнем. А диоксид кремния, особенно гидрофобный, может вызывать вспенивание. Как-то раз в акриловой дисперсии для красок по дереву мы получили такой эффект псевокипения при перемешивании, что пришлось экстренно вводить антифомы. И всё из-за того, что не учли взаимодействие SiO? с ПАВами.

Влияние на функциональные свойства покрытий

Если говорить про укрывистость, то с TiO? всё более-менее предсказуемо: чем выше дисперсность и чистота, тем лучше. Но вот в комбинации с диоксидом кремния начинаются интересные эффекты. Например, в матовых покрытиях для пластика мы использовали мелкодисперсный SiO? как структурообразователь, а TiO? — как укрывающий пигмент. Но при определённом размере частиц кремнезема матовость росла, а механическая стойкость падала. Пришлось искать компромисс через гранулометрический состав.

Адгезия — ещё один важный параметр. В системах с высокой наполненностью диоксидом кремния может наблюдаться снижение адгезии к подложке из-за миграции частиц к поверхности раздела. Особенно это критично в грунтовках. Один раз пришлось почти на 15% снизить содержание SiO? в эпоксидном грунте для алюминия, потому что при испытании на отслаивание плёнка отходила пластами. Зато позже, подобрав силан-модифицированную версию, удалось вернуть реологию без потери адгезии.

Что касается атмосферостойкости, то тут диоксид титана — палка о двух концах. С одной стороны, он защищает полимер от УФ, с другой — может катализировать фотоокисление, если не стабилизирован. В фасадных красках мы перепробовали кучу марок TiO?, пока не остановились на продукте с кремний-органическим покрытием — он давал меньше меления и дольше сохранял цвет. Кстати, у Инжуй в ассортименте есть как раз пигментные дисперсии на основе TiO?, которые хорошо зарекомендовали себя в щелочестойких композициях.

Практические кейсы и ошибки

Один из самых показательных случаев был с краской для дорожной разметки. Там нужна и высокая тиксотропность (чтобы не стекала с вертикальных поверхностей), и хорошая укрывистость, и стойкость к истиранию. Изначально использовали только диоксид титана и карбонат кальция. Потом добавили пирогенный диоксид кремния — тиксотропия улучшилась, но упала укрывистость. В итоге пришлось комбинировать гидрофобный SiO? и микронизированный TiO? с повышенным содержанием диоксида — так удалось сохранить и реологию, и белизну.

Ещё запомнился провал с термостойким покрытием для труб. Добавили много диоксида кремния для повышения вязкости при высоких температурах, но забыли про тепловое расширение. При циклическом нагреве до 300°C покрытие потрескалось — коэффициент расширения SiO? и металла подложки оказались несовместимы. Пришлось вводить микротальк как буферный наполнитель.

Из успешных примеров — разработка антискользящего покрытия для палуб судов. Использовали крупнодисперсный диоксид кремния и диоксид титана с шероховатой поверхностью. Важно было не только добиться шероховатости, но и сохранить стойкость к морской воде. После серии испытаний в солёных камерах остановились на композиции с эпокси-силоксановым связующим и наполнителем на основе SiO?/TiO? в соотношении 60/40. Покрытие прошло сертификацию и до сих пор используется в портовых сооружениях.

Перспективы и нюансы подбора материалов

Сейчас много говорят про наноразмерные формы диоксида кремния и титана. Но на практике их применение не всегда оправдано. Например, нано-TiO? в прозрачных анти-УФ покрытиях для пластика даёт отличную защиту, но резко снижает адгезию из-за высокой удельной поверхности. А нано-SiO? в лаках склонен к образованию жёстких агрегатов, если неправильно подобраны диспергаторы.

При выборе между анатазным и рутильным диоксидом титана я всегда советую смотреть не только на цену, но и на условия эксплуатации. Для интерьерных красок анатазный подходит лучше — меньше фотоактивность, для фасадных — только рутильный с инертными оболочками. Что касается диоксида кремния, то тут важно понимать, нужна ли вам гидрофильная или гидрофобная модификация. В водных системах гидрофобный SiO? может вести себя капризно, зато в органорастворимых даёт стабильную тиксотропию.

Если брать конкретно материалы от ООО Шаньдун Инжуй Новые Материалы, то у них есть интересные решения по силановым модификаторам для диоксида кремния — это позволяет улучшить совместимость с полярными полимерами. В своих тестах мы использовали их пирогенный SiO? в силиконовых герметиках — получили хорошую устойчивость к провисанию без потери эластичности. По диоксиду титана у них тоже есть варианты с разной степенью дисперсности, что удобно при подборе под конкретные задачи.

В целом, главный вывод такой: и диоксид кремния, и диоксид титана — это не просто ингредиенты, а инструменты с тонкими настройками. Их нельзя применять шаблонно, всегда нужно учитывать химию системы, условия нанесения и эксплуатации. И да, тестировать в реальных условиях, а не только в лаборатории. Потому что, как показывает практика, даже небольшие изменения в рецептуре или технологии могут привести к совершенно разным результатам.