CN101985250A - 耐候自洁涂层与其形成方法 - Google Patents

Abstract

本发明提供一种耐候自洁涂层与其形成方法，耐候自洁涂层包括：一基材；一高耐候底漆涂层，位于该基材之上，其中该高耐候底漆涂层至少包括高耐候树脂或无机成份添加剂；以及一高接触角涂层，位于该高耐候底漆涂层之上，其中该高接触角涂层的水接触角大于约130度。

Description

耐候自洁涂层与其形成方法

技术领域

本发明是涉及涂层，且特别是涉及一种耐候自洁涂层。

背景技术

自洁(self-cleaning)涂层由于具有超低表面能，能避免污垢的附着，使表面常保清洁，因此能应用作为户外防污或拨水涂料。然而由于超低表面能的关系，造成涂层与基材之间的接着性极差，使用寿命无法延长，再者，使用于户外的涂层疏水性会随着使用时间的增加而逐渐降低，在亚洲高污染、高温高热的气候下，建筑涂层通常约1个月就有污染产生。

德国专利DE 0772514为表面自洁的创始专利，其创造出微结构与疏水材料结合的自洁材料，但是缺点在于其附着性不佳且机械强度不足。

欧洲专利EP 1640419公开一种自洁涂层，此涂层是先将粘土(clay)与树脂相混，之后进行疏水改性而制得，其接着性佳，但是自洁效果与耐候性较差。

台湾专利TW444064利用溅镀方式形成防污薄膜，可得到低表面能结构，但其无法制作成涂层。

台湾专利TW 246531公开一种自组装的自洁涂层，通过自组装方式改性纳米粒子，再加上有机树脂形成自洁涂料，然而其添加有机树脂的接触角不超过145度，自洁效果较差。

日本专利JP 2005343924利用亲水性方式制作自洁涂层，虽然亲水性涂层较无接着性问题，但是其防污性效果较一般疏水性涂层差。

为了解决涂层与基材之间的接着性的问题，以及增加涂层的耐候性，业界急需提出一种接着性佳的耐候自洁的涂层。

发明内容

本发明的目的在于提供一种与基材之间的接着性较佳的耐候自洁涂层。

本发明提供一种耐候自洁涂层，包括：一基材；一高耐候底漆涂层，位于该基材之上，其中该高耐候底漆涂层至少包括高耐候树脂或无机成份添加剂；以及一高接触角涂层，位于该高耐候底漆涂层之上，其中该高接触角涂层的水接触角大于约130度。

本发明另提供一种耐候自洁涂层的形成方法，包括以下步骤：提供一基材；涂布一高耐候底漆涂层于该基材之上，其中该高耐候底漆涂层至少包括高耐候树脂或无机成份添加剂；干燥或固化该高耐候底漆涂层；涂布一高接触角涂层于该高耐候底漆涂层之上；以及干燥或固化该高接触角涂层，其中该高接触角涂层的水接触角大于约130度。

本发明的优点在于：本发明的耐候自洁涂层不但具有高度耐刷洗特性，且具有优异的耐候特性，因此特别适合应用于建筑涂料，其它可能的应用包括交通工具、无线通讯、卫浴、瓷砖、纺织、光学工业或表面处理等行业。

为让本发明的上述和其它目的、特征和优点能更明显易懂，下文特举出较佳实施例，并配合附图，作详细说明如下：

附图说明

图1为一剖面图，用以说明本发明实施例的耐候自洁涂层；

图2为一剖面图，用以说明本发明实施例的隔热耐候自洁涂层；

其中，主要组件符号说明：

10～基材             15～隔热涂层

20～高耐候底漆涂层   30～高接触角涂层

100～耐候自洁涂层    200～隔热耐候自洁涂层。

具体实施方式

本发明提供一种耐候自洁涂层100，请参见图1，其包括：一基材10，其可为水泥、石材、木材、玻璃、塑料、金属、陶瓷或高分子，然而基材10的选择并不以此为限，也可使用其它材质；一高耐候底漆涂层20，位于基材10之上；以及一高接触角涂层30，位于高耐候底漆涂层20之上。

上述的高耐候底漆涂层20的厚度为约1～500μm，较佳为约5～50μm，其包括高耐候树脂或无机添加剂，其中高耐候树脂占高耐候底漆涂层20的比例为约5-70重量％，较佳为约10-40重量％，其为压克力树脂(acrylic resin)、硅树脂(silicone resin)、脂肪族环氧树脂(aliphatic epoxy resin)、脂肪族聚氨酯树脂(aliphatic polyurethane resin)、上述的衍生物、或上述的组合。而无机添加剂至少占高耐候底漆涂层20的比例30％重量以上，为约30-95重量％，较佳为约60-90重量％，其为二氧化硅(SiO₂)、二氧化钛(TiO₂)、碳酸钙(CaCO₃)、氧化锌(ZnO)、氧化铝(Al_xO_y)、粘土(clay)、二氧化锆(ZrO₂)、氧化铁(Fe_xO_y)或上述的组合。此外，高耐候底漆涂层20的高耐候树脂或无机添加剂具有下列至少一种能与该高接触角涂层30产生化学键结的官能基：OH、COOH、NH₂、CONH₂、NCO、SH、乙烯基、环氧基、或上述的组合。

此处需注意的是，由于高耐候底漆涂层20的成份中包括高强度键结，例如Si-O键结，此键能为约452KJ/mol，其相较于一般有机成份，例如C-N(73KJ/mol)、C-O(358KJ/mol)的键能高，因此，能提高底漆涂层的耐候性。

上述的高接触角涂层30包括一疏水剂，一微米或纳米粒子与一微结构形成助剂，其厚度为约0.2～500μm，较佳为约5～50μm。其中疏水剂包括硅系疏水剂、氟系疏水剂或长链碳氢化合物；而微米或纳米粒子具有SiR、TiR、ZnR或AlR官能基，其中R为OH、COOH、NH₂、CONH₂、NCO、SH、乙烯基或环氧基，例如商用的硅土微粒，且微米或纳米粒子的粒径为1nm-100μm；而微结构形成助剂包括官能化烷氧基硅烷(functional alkoxysilane)、胺基三烷氧基硅烷(amino trialkyoxysilane)或碱性化合物。高接触角涂层30的制作方法如下，首先提供一微米或纳米粒子，接着以疏水剂与微结构形成助剂处理上述微粒，或以粘着剂或交联剂处理微粒结构，关于高接触角涂层30的详细组成与制法请参考台湾专利公开号200621919与200621920。

由上述方法制得的高接触角涂层30，其具有高疏水、疏油特性，其水接触角大于约130度，较佳大于约150度，而其二碘甲烷接触角大于约130度，较佳大于约150度。

本发明的技术特征在于，通过底漆涂层20具有下列至少一种能与该高接触角涂层30产生化学键结的官能基：OH、COOH、NH₂、CONH₂、NCO、SH、乙烯基、环氧基、或上述的组合，让上述官能基与高接触角涂层30的官能基，例如OH、COOH、NH₂、CONH₂、NCO、SH、乙烯基、环氧基、或上述的组合，两者之间产生化学键结，因而提高高接触角涂层30与基材10的附着性，进而延长高接触角涂层30的使用寿命。

此处须注意的是，已知技术中，由于高接触角涂层30为低表面能材料，其与基材10之间的接着性不佳，因此，本发明通过高耐候底漆涂层20，用以增加基材10与高接触角涂层30之间的接着性。

本发明的耐候自洁涂层经过耐刷洗测试，经过ASTM D2486的1000次以上的刷洗次数，其水接触角仍大于130度。另外，本发明的耐候自洁涂层经过ASTM G154紫外线耐候测试，在照光600小时以上，其水接触角仍大于130度，且滑落角(sliding angle)仍小于5度。由此可知，本发明的耐候自洁涂层不但具有高度耐刷洗特性，且具有优异的耐候特性，因此特别适合应用于建筑涂料，其它可能的应用包括交通工具、无线通讯、卫浴、瓷砖、纺织、光学工业或表面处理等行业。

本发明的第二实施方式，请参见图2，其为一种隔热耐候自洁涂层200，其中标号与图1相同者代表相同结构，在此不再赘述，其主要差别在于基材10与底漆涂层20之间还包括一隔热涂层15，此隔热涂层15可为市售的隔热涂料，通过此隔热涂层15的帮助，可使此耐候自洁涂层200具有不错的隔热效果，其热传导小于约0.2W/m。

本发明另外提供一种耐候自洁涂层的形成方法，请参见图1，包括以下步骤：提供一基材10，其中基材10的选择同前所述。涂布一高耐候底漆涂层20于基材10之上，其厚度为约1～500μm，较佳为约5～50μm，其为高耐候树脂，例如压克力树脂(acrylic resin)、硅树脂(silicone resin)、脂肪族环氧树脂(aliphatic epoxy resin)、脂肪族聚氨酯树脂(aliphatic polyurethane resin)、上述的衍生物、或上述的组合。此外，高耐候底漆涂层20还可添加无机添加剂，例如二氧化硅(SiO₂)、二氧化钛(TiO₂)、碳酸钙(CaCO₃)、氧化锌(ZnO)、氧化铝(Al_xO_y)、粘土(clay)、二氧化锆(ZrO₂)、氧化铁(Fe_xO_y)或上述的组合。通过高耐候底漆涂层20的成份，例如Si-O键结(键能为约452KJ/mol)，其相较于一般有机成份，例如C-N(73KJ/mol)、C-O(358KJ/mol)的键能高，因此，能提高底漆涂层20的耐候性。此外，高耐候底漆涂层20的高耐候树脂或无机添加剂的官能基包括OH、COOH、NH₂、CONH₂、NCO、SH、乙烯基、环氧基、或上述的组合。

而高耐候底漆涂层20所选择的溶剂包括醇类、水、酯类、醚类、苯衍生物，然而溶剂的选择并不以此为限，只要能将底漆成份均匀分散、溶解的溶剂都可使用。之后干燥或固化高耐候底漆涂层20，经过干燥或固化步骤之后，高耐候底漆涂层20的固含量为约10～95％。

接着涂布一高接触角涂层30于底漆涂层20之上，其中高接触角涂层30的厚度为约0.2～500μm，较佳为约5～50μm，其中高接触角涂层30的材料与其制备方式同前所述，在此不再赘述。以及干燥或固化高接触角涂层30，经过干燥或固化步骤之后，高接触角涂层30的固含量为约1～60％。

本发明的技术特征在于，通过底漆涂层20的官能基与高接触角涂层30之间产生化学键结，因而提高基材10与高接触角涂层30之间的接着性，进而延长高接触角涂层30的使用寿命。

此外，可于涂布高耐候底漆涂层20于基材10之前，另涂布一隔热涂层15于基材10之上，此隔热涂层可为市售的隔热材料，其可提高耐候自洁涂层的隔热效果。

上述提及的涂布方式为溶液涂布方法，其包括旋转涂布(spin coating)、棒状涂布(bar coating)、浸渍涂布(dip coating)、滚筒涂布(roll coating)、喷雾涂布(spray coating)、凹版式涂布(gravure coating)、喷墨印刷(inkjet printing)、狭缝涂布(slot coating)或刮刀涂布(blade coating)。上述提及的所有干燥或固化的步骤是于室温下至200℃的温度下进行，然而，熟知此技术的人士应知道，干燥或固化的温度会随着涂层的种类、化学品固化的条件与涂层的厚度而改变。

综上所述，本发明的耐候自洁涂层可以提供的优点在于通过高耐候底漆涂层与高接触角涂层产生化学键结，增加基材与高接触角涂层之间的接着性，进而延长高接触角涂层的使用寿命，使得耐候自洁涂层具有高度耐刷洗特性与耐候特性。此外，于基材与高耐候底漆涂层之间增加隔热涂层，能提供额外的隔热效果。

实施例1

混合15g二氧化钛(TiO₂)、65g含有OH官能基的SiO₂粒子(购自台湾，厂牌型号：台湾必丕志/Lobel27)、10g压克力树脂与10g硅树脂(无机成份共占80％)，在室温下搅拌一小时，以喷涂方式均匀喷涂于水泥板或聚氯乙烯(PVC)板表面，室温下干燥24小时，以制得一底漆涂层。

混合4g四乙氧基硅烷(TEOS)、1.5g 2-胺基-2-甲基胺(AMP)、20g乙醇与1.1g水，再加入2g氨水(ammonia water)与0.6g的聚二甲基硅氧烷(polydimethylsiloxane，PDMS)后，于室温下反应24小时，再加入1.2g的3，4-环氧基环己基甲基-3，4-环氧基环己烷碳酸酯(3，4-epoxycyclohexylmethyl3，4-epoxycyclohexanecarboxylate)，室温下反应1小时。以喷涂方式均匀喷涂于底漆涂层之上，室温下干燥24小时，以制得一耐候自洁涂层。

实施例2

同实施例1，但底漆涂层更换成具有COOH的压克力树脂(购自台湾，厂牌型号：基立化学/AR5450)60g与TiO₂40g与水混合均匀(无机成分占40％)。

实施例3

同实施例1，但不添加3，4-环氧基环己基甲基-3，4-环氧基环己烷碳酸酯。

比较例1

同实施例1，但不添加底漆涂层。

比较例2

同实施例1，但底漆涂层更换成为氟素系统的德亚树脂的NEW GAMET2300。

比较例3

同实施例1但将3，4-环氧基环己基甲基-3，4-环氧基环己烷碳酸酯改为双酚A二环氧甘油醚(bisphenol A diglycidyl ether)。

比较例4

同实施例1，但更改高接触角涂层。高接触角涂层的制备方式如下：混合4g商用硅土微粒(1630S长春石化；固含量30％，粒径16nm)、1.5g 2-胺基-2-甲基-1-丙醇(AMP-95)、21g乙醇与1.1g水，在室温下反应30分钟，之后加入0.75g聚二甲基硅氧烷(PDMS)与0.75g 3-氨基丙基三乙氧基甲硅烷(3-aminopropyl)triethoxysilane，APS)，控制pH值在10-13间，在室温下反应4天，即可制得高接触角涂层。之后以喷涂方式均匀喷涂于底漆涂层之上，在室温下干燥24小时，以制得一耐候自洁涂层。

比较例5

市售耐候涂料德亚树脂的NEW GAMET 2300，以喷涂方式均匀喷涂于水泥板或聚氯乙烯(PVC)板表面，室温下干燥24小时，以制得一耐候涂层。

将实施例1～3与比较例1～5的涂层，以下述方式进行评估，所得结果列于表1、表2：

接触角：以接触角量侧仪(AST Product，Inc.型号OPTIMA XE)量测其接触角，水滴体积2.5μl。

耐刷洗测试：测试方式ASTM D2486，设备厂商Sheen Instrument LTD，型号Wet abrasion scrub tester 903。

紫外线耐候测试：测试方式ASTM G154，设备厂商Altas，型号UV 2000。

表1

表2

○：合格，滑落角＜5°，且接触角＞130°

×：不合格，滑落角＞5°，且接触角＜130°

表1为实施例1～3与比较例1～5经过刷洗测试的实验结果，结果显示，只有实施例1～3与比较例3可承受ASTM D24861000次以上的刷洗。

比较例1由于没有底漆，基材与高接触角涂层间的接着性差，耐刷洗性差。比较例2底漆为氟素树脂无法与面漆产生化学键结，所以耐刷洗性差。比较例3添加非耐候的双酚A二环氧甘油醚，虽然可以通过耐刷洗测试，但在表2的QUV测试中无法通过100hr以上的测试。比较例4是由市售silica由于SiOH含量少，再加上接触角低，所以接着性与自洁性较差。比较例5为一般耐候涂料，虽然可以通过2000小时以上的耐候效果，但是没有自洁能力，接触角仅有85度。

表2为实施例1～3与比较例1～4的QUV照射时间对水接触角的关系图，当水接触角约大，表示疏水效果越佳。其中实施例1～3经过QUV照射200小时以上的测试，尤其实施例1、3由于采用无机成份较高的添加剂与耐候树脂，所以耐候性最高。实施例2仅无机成份较低的添加剂与耐候树脂，所以QUV仅可以通过200hr，其水接触角仍大于130度；而比较例1～3无法经过QUV照射100小时，其水接触角已经降低至130度以下；而比较例4由于接着性与自洁性差，所以无法通过QUV照射200小时测试。

由表1～2实验结果得知，本发明实施例1～3的耐候自洁涂层不但具有高度耐刷洗特性，且具有优异的耐候特性。

实施例4

同实施例1，差别在于底漆涂层之前，涂布商用隔热漆(永记水性耐热漆)，刷涂涂布约500μm，室温下干燥24小时，之后再依序涂布实施例1所述的各层。

表3列出一般高分子、实施例1与实施例4的热传导能力，实验结果显示，相较于一般高分子与实施例1(不含隔热涂层)，实施例4(具有隔热涂层)的隔热效果最佳，其热传导小于0.2W/m，且其全太阳热反射率(total solarreflection，TSR)大于80％。

表3

虽然本发明已以数个较佳实施例公开如上，然其并非用以限定本发明，任何所属技术领域中具有通常知识者，在不脱离本发明的精神和范围内，当可作任意的更动与润饰，因此本发明的保护范围当视后附的权利要求书所界定的范围为准。

Claims (12)

1.一种耐候自洁涂层，包括：

一基材；

一高耐候底漆涂层，位于该基材之上，其中该高耐候底漆涂层至少包括高耐候树脂或无机添加剂；以及

一高接触角涂层，位于该高耐候底漆涂层之上，其中该高接触角涂层的水接触角大于130度。

2.根据权利要求1所述的耐候自洁涂层，其中该高耐候底漆涂层的高耐候树脂为压克力树脂、硅树脂、脂肪族环氧树脂、脂肪族聚氨酯树脂、上述的衍生物、或上述的组合。

3.根据权利要求1所述的耐候自洁涂层，其中该高耐候底漆涂层的无机添加剂为二氧化硅、二氧化钛、碳酸钙、氧化锌、氧化铝、粘土、二氧化锆、氧化铁、或上述的组合。

4.根据权利要求1所述的耐候自洁涂层，其中该高耐候底漆涂层的高耐候树脂或无机添加剂具有下列至少一种能与该高接触角涂层产生化学键结的官能基：OH、COOH、NH₂、CONH₂、NCO、SH、乙烯基、环氧基、或上述的组合。

5.根据权利要求1所述的耐候自洁涂层，其中该高耐候底漆涂层的无机添加剂占高耐候底漆涂层的30％重量以上。

6.根据权利要求1所述的耐候自洁涂层，其中该基材为水泥、木材、石材、玻璃、塑料、金属、陶瓷或高分子。

7.根据权利要求1所述的耐候自洁涂层，其中该高接触角涂层具有下列至少一种能与该高耐候底漆涂层产生化学键结的官能基：OH、COOH、NH₂、CONH₂、NCO、SH、乙烯基、环氧基、或上述的组合。

8.根据权利要求1所述的耐候自洁涂层，其中于该基材与该高耐候底漆涂层之间还包括一隔热涂层。

9.一种耐候自洁涂层的形成方法，包括以下步骤：

提供一基材；

涂布一高耐候底漆涂层于该基材之上，其中该高耐候底漆涂层至少包括高耐候树脂或无机成份添加剂；

干燥或固化该高耐候底漆涂层；

涂布一高接触角涂层于该高耐候底漆涂层之上；以及

干燥或固化该高接触角涂层，其中该高接触角涂层的水接触角大于130度。

10.根据权利要求9所述的耐候自洁涂层的形成方法，其中涂布该高耐候底漆涂层于该基材之前，还包括涂布一隔热涂层于该基材之上。

11.根据权利要求9所述的耐候自洁涂层的形成方法，其中该涂布方式为旋转涂布、棒状涂布、浸渍涂布、滚筒涂布、喷雾涂布、凹版式涂布、喷墨印刷、狭缝涂布或刮刀涂布。

12.根据权利要求9所述的耐候自洁涂层之形成方法，其中所有该干燥或固化的步骤是于室温下至200℃的温度下进行。

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