CN101440243A - 纳米二氧化钛氟碳涂料及其制备方法 - Google Patents

Abstract

本发明涉及一种纳米技术领域的纳米二氧化钛氟碳涂料及其制备方法，所述涂料重量百分比含量为2％－6％纳米二氧化钛，80％－90％氟碳基料，5－10％固化剂，2－10％涂料稀释剂。制备方法为：第一步，按照重量百分比，称取2－6％纳米二氧化钛粒子，加入到2－10％的涂料稀释剂中，超生分散混合均匀；第二步，加入80－90％氟碳基料，然后加入5－10％固化剂，搅拌均匀，制成涂料母液。纳米二氧化钛是经过硅烷偶联剂KH－570改性的金红石型纳米二氧化钛颗粒。本发明能有效改善纳米粒子在涂料中的分散性能，以及涂料的抗紫外光老化性能。

Description

纳米二氧化钛氟碳涂料及其制备方法

技术领域

本发明涉及一种纳米技术领域的涂料及其制备方法，具体的说，是涉及一种纳米二氧化钛氟碳涂料及其制备方法。

背景技术

大气中的紫外线是导致涂料涂膜老化最主要的因素。紫外线是一种波长比可见光短的电磁波，其波长在200～400nm之间。按波长长短可将紫外线分为短波UVC(200～280nm)、中波UVB(280—320nm)、长波UVA(320～400nm)。通常情况下，对材料造成老化的是中波紫外线，因为短波紫外线一般情况下达不到地球表面，但随着地球臭氧层的不断破坏，短波紫外线也可以辐射地球表面，紫外线指数不断增加而辐射到地球表面的紫外线其波长越短，能量越强，对人体和高分子材料危害性和破坏性越大。

纳米TiO₂具有很强的紫外线吸收能力，大大降低了紫外线对高分子材料链的侵袭，减少活性自由基的产生，保护了高分子链不被紫外线所降解。工业用金红石型TiO₂具有一定的吸收紫外线能力，而纳米TiO₂的粒径极小，活性更高，吸收紫外线能力更强。根据Rayleigh理论，纳米TiO₂可以透过可见光及散射波更短(200～400nm)的紫外线，因此，纳米TiO₂既能吸收又能散射紫外线，其屏蔽紫外线的能力更强。但是，纳米粒子的表面极性大，表面能高，粒径小，极易发生团聚而成为微米级粒子，因而使涂料性能达不到理想的要求。为了提高纳米粒子在涂料体系中的分散性，增大纳米粒子与其他组分的界面结合力，需要对纳米粒子进行表面改性，主要是降低粒子的表面能，提高粒子与有机相的亲和力，减弱粒子的表面极性等。

经对现有技术的文献检索发现，徐惠等在《涂料工业》2008年4月第38卷第4期上发表的《硅烷偶联剂对纳米TiO₂表面改性的研究》，该文中提出采用硅烷偶联剂KH570对金红石型纳米TiO₂进行表面修饰，当硅烷偶联剂用量为10％、pH值为6.5、处理时间为1.0-1.5h时，TiO₂的有机化表面改性效果最好，TiO₂在乙醇中达到纳米级的分散。但是这种改性方法是液相法，它使用的硅烷偶联剂量比较大，1g偶联剂只能处理10g TiO₂，对硅烷偶联剂的利用没有达到最大程度。

发明内容

本发明的目的在于针对现有技术的不足，提供一种纳米二氧化钛氟碳涂料及其制备方法，能有效改善纳米粒子在涂料中的分散性能，以及涂料的抗紫外光老化性能。本发明采用的改性方法是固相法，1g偶联剂可以处理50-100g TiO₂，大大提高了硅烷偶联剂的利用率，有利于工业生产中降低成本，实现大规模的应用。

本发明是通过以下技术方案实现的：

本发明所涉及的纳米二氧化钛氟碳涂料，包含的组分及其重量百分比为：

纳米二氧化钛      2％-6％

氟碳基料          80％-90％

固化剂            5-10％

涂料稀释剂        2-10％。

所述纳米二氧化钛是经过表面改性的金红石型纳米二氧化钛颗粒，纳米粒子的粒径范围在10-50nm之间。

所述氟碳基料是指以氟碳树脂为膜物的涂料。

所述固化剂是以甲苯二异氰酸酯为原料，经过部分单体聚合，再以已内酰胺/多元醇为封闭剂进行封闭反应制得的，主要成分为异氰酸酯。

所述涂料稀释剂含有甲苯，二甲苯，丙酮，乙酸乙酯等，它是用于溶解树脂和调节涂料粘度的挥发性液体。

本发明所涉及纳米二氧化钛氟碳涂料制备方法，包括如下步骤：

第一步，按照重量百分比，称取2-6％纳米二氧化钛，加入到2-10％的涂料稀释剂中，超生分散混合均匀；

第二步，加入80-90％氟碳基料，然后加入5-10％固化剂，搅拌均匀，制成涂料。

所述纳米二氧化钛采用硅烷偶联剂KH-570改性的纳米二氧化钛颗粒，其中改性的纳米二氧化钛颗粒重量百分比为：

硅烷偶联剂KH-570          1-2％

纳米二氧化钛              80-90％

异丙醇或甲醇              8-16％

水                        1-2％

改性方法为：将异丙醇或甲醇与水混合均匀，然后滴加与水同等量的KH-570硅烷偶联剂，搅拌1-4小时，混合均匀。加入80-90％的纳米二氧化钛，放入80-100℃烘箱中烘干，在未完全烘干时，放入120-140℃的烘箱中烘干完全，在研钵中研磨成小颗粒，得到经硅烷偶联剂表面改性的纳米二氧化钛。

本发明涂料在常温干燥的环境下喷涂于钢材表面，在涂膜前将钢材表面处理干净，预涂上底漆和中涂漆，采用空气喷涂或高压无气喷涂，涂膜厚度为40-50微米。

本发明采用纳米二氧化钛粒子作为添加剂加入到氟碳涂料中，由于纳米TiO₂由晶体和界面组元构成。晶体组元由所有晶粒中的Ti和O原子组成，原子都严格位于晶格位置上，界面组元由处于各晶粒之间的界面原子组成。无论锐钛型还是金红石型，其Ti-O键的距离都很小且不等长。锐钛型为1.937埃和1.946埃，金红石型为1.944埃和1.988埃。Ti-O电子云的不平衡使其极性很强，表面吸附的水因极化而发生解离，易形成轻基。TiO₂颗粒的比表面积越大，表面经基数量越多。而随处理温度的升高，TiO₂的比表面积和表面经基数量迅速下降。羟基的存在可提高TiO₂作为吸附剂及各种载体的极性，为其表面改性提供方便。

本发明具有如下优点：1.本发明纳米涂料制备过程是在常温常压下进行的，不需要添加新的设备，工艺简单，生产成本低。2.本发明需要添加的纳米粒子添加量很低，而且更重要的是硅烷偶联剂的用量很少，大大节约了工业应用的成本，有利于大规模生产。3.用改性的纳米二氧化钛在涂料中分散性能很好，在添加量为2％-6％时，仍保持单分散状态，未见有团聚现象。

具体实施方式

下面对本发明的实施例作详细说明：本实施例在以本发明技术方案为前提下进行实施，给出了详细的实施方式和具体的操作过程，但本发明的保护范围不限于下述的实施例。

以下实施例中的氟碳基料、涂料稀释剂、固化剂均购自上海衡峰氟碳涂料公司，为直接市购成熟产品。

其中：

所述氟碳基料，是指以氟碳树脂为主成膜物，辅以各种改性树脂、颜料、填料，经分散、研磨、调色等加工而成的涂料。氟碳树脂是指以含氟烯烃，如四氟乙烯(TFE)、三氟氯乙烯(CTFE)、偏二氟乙烯(VDF)氟乙烯(VF)等为基本单体进行均聚或共聚，或以此为基础与其他单体进行共聚以及侧链含有氟碳化学键的单体自聚或共聚而得到的分子结构中含有较多C-F化学键的一类树脂。

所述固化剂，它含有脂肪族聚脂NCO(异氰酸酯)含量4～6％，固体成份45～50％。

所述涂料稀释剂，它含有甲苯，二甲苯，丙酮或乙酸乙酯等，它是用于溶解树脂和调节涂料粘度的挥发性液体。

实施例1

采用溶胶-凝胶法合成金红石型纳米二氧化钛颗粒，采用硅烷偶联剂KH-570改性。其中，改性纳米二氧化钛方法：

成分(按重量百分比计)

硅烷偶联剂KH-570          1％

纳米二氧化钛              80％

水                        1％

异丙醇或甲醇              余量

具体操作方法：将异丙醇与水混合均匀，然后滴加与水同等量的KH-570硅烷偶联剂，搅拌2小时，混合均匀。加入80％金红石型纳米二氧化钛粒子，放入80℃-烘箱中烘干，在未完全烘干时，放入120℃的烘箱中烘干完全，在研钵中研磨成细小颗粒，得到经硅烷偶联剂表面改性的金红石型纳米二氧化钛。

涂料配方：

KH-570改性后的纳米二氧化钛颗粒     2％(粒径在30nm)

氟碳基料(成膜物质)                 余量

涂料稀释剂                         2％

固化剂                             5％

涂料制备方法：

称取2％纳米二氧化钛，加入到2％的涂料稀释剂中，超生分散混合均匀，然后加入氟碳基料，最后加入5％固化剂，搅拌均匀。

将本实施例得到的涂料在常温干燥的环境下喷涂于钢材表面，涂膜厚度为40-50微米，能有效改善纳米粒子在涂料中的分散性能，以及涂料的抗紫外光老化性能，对中短波紫外光的吸收率达到80％-90％。

实施例2

与实施例1不同之处在于改性纳米二氧化钛以及涂料配比。

其中，采用硅烷偶联剂KH-570改性纳米二氧化钛方法：

成分(按重量百分比计)

硅烷偶联剂KH-570          2％

纳米二氧化钛              90％

水                        2％

异丙醇或甲醇              余量

具体操作方法：将异丙醇与水混合均匀，然后滴加与水同等量的KH-570硅烷偶联剂，搅拌2小时，混合均匀。加入90％金红石型纳米二氧化钛粒子，放入80℃-烘箱中烘干，在未完全烘干时，放入120℃的烘箱中烘干完全，在研钵中研磨成细小颗粒，得到经硅烷偶联剂表面改性的金红石型纳米二氧化钛颗粒。

涂料配方：

KH-570改性后的纳米二氧化钛颗粒    6％(粒径在30nm)

氟碳基料(成膜物质)                余量

涂料稀释剂                        10％

固化剂                            10％

涂料制备方法：

称取6％纳米二氧化钛，加入到10％的涂料稀释剂中，超生分散混合均匀，然后加入氟碳基料，最后加入10％固化剂，搅拌均匀。

将本实施例得到的涂料在常温干燥的环境下喷涂于钢材表面，涂膜厚度为40-50微米，能有效改善纳米粒子在涂料中的分散性能，以及涂料的抗紫外光老化性能，对中短波紫外光的吸收率达到80％-90％。

实施例3

与实施例1和2不同之处在于改性纳米二氧化钛颗粒以及涂料配比。

其中，采用硅烷偶联剂KH-570改性纳米二氧化钛方法：

成分(按重量百分比计)

硅烷偶联剂KH-570          1.5％

纳米二氧化钛              85％

水                        1.5％

异丙醇或甲醇              余量

具体操作方法：将异丙醇与水混合均匀，然后滴加与水同等量的KH-570硅烷偶联剂，搅拌2小时，混合均匀。加入85％金红石型纳米二氧化钛粒子，，放入80℃-烘箱中烘干，在未完全烘干时，放入120℃的烘箱中烘干完全，在研钵中研磨成细小颗粒，得到经硅烷偶联剂表面改性的金红石型纳米二氧化钛。

涂料配方：

KH-570改性后的纳米二氧化钛颗粒   4％(粒径在30nm)

氟碳基料(成膜物质)               余量

涂料稀释剂                       6％

固化剂                           7.5％

涂料制备方法：

称取4％纳米二氧化钛，加入到6％的涂料稀释剂中，超生分散混合均匀，然后加入氟碳基料，最后加入7.5％固化剂，搅拌均匀。

将本实施例得到的涂料在常温干燥的环境下喷涂于钢材表面，涂膜厚度为40-50微米，能有效改善纳米粒子在涂料中的分散性能，以及涂料的抗紫外光老化性能，对中短波紫外光的吸收率达到80％-90％。

Claims (8)

1、一种纳米二氧化钛氟碳涂料，其特征在于包含的组分及其重量百分比为：

纳米二氧化钛       2％-6％

氟碳基料           80％-90％

固化剂             5-10％

涂料稀释剂         2-10％。

2、根据权利要求1所述的纳米二氧化钛氟碳涂料，其特征是，所述纳米二氧化钛是经过表面改性的金红石型纳米二氧化钛颗粒，纳米粒子的粒径范围在10nm-50nm之间。

3、根据权利要求1所述的纳米二氧化钛氟碳涂料，其特征是，所述氟碳基料是指以氟碳树脂为膜物的涂料。

4、根据权利要求1所述的纳米二氧化钛氟碳涂料，其特征是，所述固化剂中脂肪族聚脂NCO的重量含量4～6％，固体成份45～50％。

5、根据权利要求1所述的纳米二氧化钛氟碳涂料，其特征是，所述涂料稀释剂是用于溶解树脂和调节涂料粘度的挥发性液体。

6、一种如权利要求1所述的纳米二氧化钛氟碳涂料的制备方法，其特征在于包括如下步骤：

第一步，按照重量百分比，称取2-6％纳米二氧化钛，加入到2-10％的涂料稀释剂中，超生分散混合均匀；

第二步，加入80-90％氟碳基料，然后加入5-10％固化剂，搅拌均匀，制成涂料；

其中，所述纳米二氧化钛采用硅烷偶联剂KH-570改性的金红石型纳米二氧化钛颗粒。

7、如权利要求6所述的纳米二氧化钛氟碳涂料的制备方法，其特征是，所述硅烷偶联剂KH-570改性的纳米二氧化钛颗粒，其中改性的纳米二氧化钛颗粒重量百分比为：

硅烷偶联剂KH-570          1-2％

纳米二氧化钛        80-90％

异丙醇或甲醇        8-16％

水                  1-2％

改性方法为：将异丙醇或甲醇与水混合均匀，然后滴加与水同等量的KH-570硅烷偶联剂，搅拌，混合均匀，加入80-90％的纳米二氧化钛，放入80-100℃烘箱中烘干，在未完全烘干时，放入120-140℃的烘箱中烘干完全，在研钵中研磨成小颗粒，得到经硅烷偶联剂表面改性的纳米二氧化钛。

8、如权利要求7所述的纳米二氧化钛氟碳涂料的制备方法，其特征是，所述搅拌，其时间为1小时-4小时。