CN102604508B

CN102604508B - 一种水性无取向硅钢涂料及其制备方法

Info

Publication number: CN102604508B
Application number: CN201210059793.5A
Authority: CN
Inventors: 李一兵; 刘世斌; 段东红; 李永超; 张忠林; 郝晓刚
Original assignee: Taiyuan University of Technology
Current assignee: Taiyuan University of Technology
Priority date: 2012-03-09
Filing date: 2012-03-09
Publication date: 2014-06-04
Anticipated expiration: 2032-03-09
Also published as: CN102604508A

Abstract

一种水性无取向硅钢涂料及其制备方法是在反应釜中将改性硅溶胶、乳化剂、碳酸氢钠、核层单体和去离子水进行预乳化制得种子预乳液，后将其加入反应釜，氮气保护下升温后，再加入过硫酸氨聚合反应制得种子乳液；然后将乳化剂、壳层单体、过硫酸氨和去离子水预乳化制成预乳液，再然后将之滴加于种子乳液中，升温并补加过硫酸铵保温一段时间，降温并过滤，调PH值制得热交联型无机硅改性丙烯酸酯乳液；然后以上述乳液为主体胶，加入氨基树脂、无机填料、成膜助剂和去离子水配成具有优异的绝缘性、耐水耐油性、耐高温、附着力和抗紫外线老化能力的硅钢涂料，其涂层表面光亮平整，机械加工性能良好。

Description

一种水性无取向硅钢涂料及其制备方法

技术领域

本发明涉及了一种水性无取向硅钢涂料及其制备方法，特别是一种用纳米二氧化硅经过原位乳液聚合工艺合成的水性可热交联的丙烯酸酯乳液为主体胶的硅钢涂料。

背景技术

现有公开号为US 3793073的 “Electrical Steel Sheets and Stripshaving Excellent Punching and Welding Charaeteristiees for the Use of ALaminated Iron Core”，涉及了一种半无机涂层，有机部分主要是丙烯酸酯、氨基树脂等，无机部分主要是铬酸盐或磷酸盐。这类绝缘涂层不仅有优良的层间电阻率、良好的焊接性、优良的耐水、绝缘性和防锈能力。但对于使用了铬酸盐的产品，对环境和人体有危害。随着对产品环保要求的提高，

公开号为CN 1151212的 “一种水性丙烯酸树脂防锈、绝缘涂料及其制法”，涉及了一种具有高层间电阻率、优良的附着性、焊接性等性能的水性无铬涂料。该涂料的有机部分为丙烯酸树脂共聚物，无机部分包括磷酸盐类和硅酸盐类等，通过对无机填料进行了超细粉碎处理和表面改性，使填料粒径小并且与树脂相容性好，涂覆时比较均匀，固化后不掉粉。公开号为CN 1887987的“水性热固化聚醋酸乙烯乳液冷轧无取向硅钢涂料及制备法”，涉及了一种水性热固化绝缘涂料，由40-45份水性聚醋酸乙烯乳液、45-50份的无机溶液和10-12份的交联剂组成。无机溶液中主要含有磷酸盐(镁、铝)、硼酸、硅溶胶等。该涂料成膜性好，固化后涂层综合性能良好，焊接性、耐冲击性也能满足要求，但是醋酸乙烯酯乳液的耐水性稍差。武钢公开号为CN101168642A的“冷轧无取向硅钢用环保型绝缘涂料及其涂层的制备方法”，涉及了一种涂料组分包括100份磷酸盐，3-20份钼酸盐，800-1500份的水，20-50份的有机树脂，0.5-5份硅烷偶联剂，8-15份的丙三醇。有机树脂为环氧树脂、丙烯酸树脂、苯丙树脂等的一种或几种。磷酸盐主要为磷酸铝、磷酸镁、磷酸锌的一种或几种。该涂层的绝缘性、耐腐蚀性、焊接性等各项性能优良。

发明内容

本发明要解决的技术问题是利用热交联型无机硅改性丙烯酸酯乳液的耐高温性、耐水性、耐油性、高硬度、抗紫外线和抗老化能力，并加入氨基树脂交联固化，在贮存稳定的基础上提高了涂料的以上性能，且无毒环保，根据涂装的要求调节粘度，从而控制涂层厚度，提供了一种水性无取向硅钢涂料及其制备方法。

所提供的一种水性无取向硅钢涂料，其所述涂料的组成及其含量按份数比为：热交联型无机硅改性丙烯酸酯乳液：氨基树脂：无机填料：涂料成膜助剂：去离子为100：5～15：0～20：0.5～5：5～125；

其粘度是在14s～50s调节，于300℃～600℃烘烤，15s～45s成膜。

在所述水性无取向硅钢涂料的技术方案中，进一步的技术特征在于所述氨基树脂是氨基树脂717、HM 2608、R 747、R 745中的一种或任意两种混合；所述无机填料是聚磷酸铝、高岭土和钛白粉中的一种或几种的混合，其平均粒径是500目以上；所述涂料成膜助剂是：乙二醇单丁醚、丙二醇苯醚、丙二醇丁醚中和成膜助剂AH-12中的一种或几种的混合；所述制备方法是将0～20份无机填料和5～125份去离子水在搅拌釜中高速分散40分钟，后加入100份合成的无机硅改性的热交联型丙烯酸酯乳液搅拌20分钟，再加入5～15份氨基树脂搅拌20分钟，最后加入0.5～5涂料助剂搅拌20分钟，过滤，制得所述产品。

所提供的一种水性无取向硅钢涂料的制备方法的合成工艺如下：

（1）种子乳液聚合阶段

在反应釜，将80份改性硅溶胶、2.79份乳化剂、0.8份碳酸氢钠、16份核层单体和35份去离子水在30℃下预乳化1小时制成种子预乳液，后将其加入反应釜，氮气保护下升温至75℃，再加入0.13份过硫酸氨引发聚合，反应半小时后升高温度到83℃并保温半小时制得种子乳液；

（2）乳液聚合阶段

将1.38份乳化剂、66.5份壳层单体、0.55份过硫酸氨和50份去离子水预乳化1小时制成预乳液，于83℃下在3小时内加入种子乳液中，升温至85℃并补加0.0063份过硫酸铵，保温1小时，降到常温并过滤出料，最后调PH到8～9，制得热交联型无机硅改性丙烯酸酯乳液，其微观结构为石榴型或草莓型。

在所述水性无取向硅钢涂料制备方法的技术方案中，进一步的技术特征在于所述核层单体是按甲基丙烯酸甲酯：丙烯酸丁酯的份数比为3：1；所述壳层单体按甲基丙烯酸甲酯：丙烯酸丁酯：丙烯酸羟乙酯：甲基丙烯酸的份数比为35：23：7.7：3.8；所述乳化剂在种子乳液聚合和乳液聚合阶段均按CO-436：CO-897的份数比为1：2；其中：所述改性硅溶胶的改性方法如下：

⑴酸性硅溶胶：在50℃下，取100份酸性硅溶胶，其粒径是8～25nm，固含量是20%～35%，用80份去离子水稀释后，加入20份无水乙醇，最后加入1.5份有机硅氧烷KH-560搅拌3小时得到改性硅溶胶；

⑵碱性硅溶胶：在50℃下，取100份碱性硅溶胶，其粒径是8～25nm，固含量是20%～35%，用60份去离子水稀释后，加入20份无水乙醇，最后加入1.5份有机硅氧烷KH-560搅拌3小时得到改性硅溶胶；

在50℃下，取碱性硅溶胶，其粒径是8～25nm，固含量是20%～35%，用100份去离子水稀释后，加入20份无水乙醇后，加入1.5份有机硅氧烷KH-560，再加入0.03份酸化剂，如磷酸、盐酸或硫酸，调PH值至3～5，搅拌3小时，制得改性硅溶胶。

本发明一种水性无取向硅钢涂料及其制备方法，与现有技术相比，所具有的优点与积极效果在于通过热交联型无机硅改性丙烯酸酯乳液的活性基团和氨基树脂在高温作用下发生交联固化作用，形成致密的涂层，该涂料无毒，使用安全环保，涂层表面光亮平整，机械加工性能良好，还有优异的绝缘性、耐水耐油性、耐高温、附着力、抗紫外线和抗老化能力，各项性能均达到了硅钢涂料的使用要求。在涂4^＃杯中，涂料粘度可在14s～50s间调节，适合辊涂、刷涂、喷涂和流涂，在300℃～600℃下烘烤15s～45s成膜。

具体实施方式

下面对本发明的具体实施方式做出说明：

本发明是利用一种用硅改性溶胶经原位乳液聚合合成的热交联型丙烯酸酯乳液制备了一种环保的涂料，通过添加适量氨基树脂作为交联剂，一方面使乳液和氨基树脂高温交联固化，提高漆膜的硬度、耐水性和耐油性，另一方面利用乳液本身所含的纳米二氧化硅的耐高温性和电绝缘性，提高了漆膜的硬度和耐高温性及涂层的电阻率，减少硅钢的涡流损耗，有效利用二氧化硅多羟基的特性，增强了乳液涂层与硅钢表面的结合力以及涂层的耐磨损性、耐污染性，还提高了抗紫外线老化能力。

本发明的丙烯酸酯乳液的活性基团，主要是乳胶粒壳层包含的羧基，羟基，活性基团与氨基树脂发生热交联，形成三维网状结构，进一步提高涂层的耐水耐油性和硬度。

本发明是将丙烯酸酯乳液与氨基树脂交联剂、无机填料、涂料成膜助剂、流平剂、分散剂混合均匀而制得硅钢涂料，该涂料具有优异的耐水耐油性、耐候性、耐高温、抗紫外线老化能力、耐污性和高硬度以及平整的表面和良好的光泽度，还具有优良的机械性能和附着力。

其中，所用硅溶胶可以是酸性或者是碱性，其粒径是8～25nm，固含量是20%～35%，其中的一小部分作为填料，稳定均匀的分散于乳胶粒之间，还有大部分包覆于胶粒之中，这就极大的改善了乳液的性能，同时提高了涂料的硬度、绝缘性、耐高温性、抗紫外线老化能力以及耐水耐油性。

其中，氨基树脂为水溶性或水可分散性交联剂，加入的氨基树脂可以与乳液中的活性基团发生热交联固化，提高了涂层的硬度和耐水耐油性，取氨基树脂717、HM 2608、R 747、R 745中的一种或几种按任意比例混合。

其中，无机填料是各组分的平均粒径在1200目以上，是聚磷酸铝、高岭土和钛白粉中一种或多种按任意比例混合，聚磷酸铝代替铬酸盐，避免了铬的污染，同时加入高岭土、钛白粉，使得涂层具有优异的绝缘性、耐腐性、耐热性和焊接性。

其中，所用的水是去离子水，成膜助剂有乙二醇单丁醚、丙二醇苯醚、丙二醇丁醚一种或几种按任意比例混合，通过添加成膜助剂可以提高涂膜的耐洗涮性、涂料的色彩稳定性、临界颜料体积浓度、耐候性以及有利于涂膜的形成。

其中，所用的其它助剂主要有用于水性涂料流平剂BYK-346、消泡剂AGN208、分散剂LOP895、防锈与缓蚀剂、防冻剂乙二醇、PH调节剂AMP-95。本发明的热交联型无机硅改性丙烯酸酯乳液的制备方法：

1、硅溶胶的改性方法有两种：

在50℃下，取100份碱性硅溶胶，其粒径是8～25nm，固含量是20%～35%，用100份去离子水稀释后，加入20份无水乙醇后，加入1.5份有机硅氧烷KH-560，再加入0.1份酸化剂，如磷酸、盐酸或硫酸，调PH值至3～5，搅拌3小时，制得改性硅溶胶。

2、热交联型无机硅改性丙烯酸酯乳液的合成工艺如下：

（1）种子乳液聚合阶段

在反应釜，将80份改性硅溶胶、2.79份乳化剂、0.8份碳酸氢钠、16份核层单体和35份去离子水在30℃水浴中预乳化1小时，然后将其加入反应釜，氮气保护下升温至75℃，再加入0.13份过硫酸氨引发聚合，反应半小时后升高温度到83℃并保温半小时制得种子乳液；

（2）乳液聚合阶段

乳液聚合阶段，核层单体是按甲基丙烯酸甲酯：丙烯酸丁酯的份数比为3：1，壳层单体按甲基丙烯酸甲酯：丙烯酸丁酯：丙烯酸羟乙酯：甲基丙烯酸的份数比为35：23：7.7：3.8，乳化剂在种子乳液聚合和乳液聚合阶段均按CO-436：CO-897的份数比为1：2。

下面通过具体实施例对本发明的具体实施方式进一步说明：

实施例一

第一步，硅溶胶改性。在体积50L的反应釜中加入去离子水16㎏，固含量25%的酸性硅溶胶20㎏，混合均匀，然后加入4㎏乙醇混匀后缓慢加入0.3㎏ KH-560到反应釜中，50℃下搅拌反应3小时，得到改性的硅溶胶。

第二步，种子乳液合成。在体积100L的反应釜中，将0.162㎏阴离子乳化剂CO-436和0.325㎏非离子乳化剂CO-897加入4.5㎏去离子水中，再加入14㎏改性硅溶胶在30℃下搅拌15min，然后加入2.4㎏甲基丙烯酸甲酯（MMA）、0.8㎏丙烯酸丁酯（BA）预乳化半小时，用氨水调节PH到7～8，加入0.16㎏ NaHCO₃ 和2㎏去离子水配成的缓冲液，继续乳化半小时，将预乳化液加入100 L反应釜中，氮气保护下升温到75℃，然后向反应釜中加入用0.023㎏过硫酸铵溶于1㎏去离子水配成的水溶液，反应半小时，升温至83℃并保温半小时，得到种子乳液。

第三步，乳液合成。将6.12㎏甲基丙烯酸甲酯（MMA）、4.1㎏丙烯酸丁酯（BA）、1.3㎏丙烯酸羟乙酯（HEA）、0.66㎏甲基丙烯酸（MAA），甲基丙烯酸先用1㎏去离子水稀释再用氨水或AMP-95调PH值到7～8，、0.082㎏ CO-436、0.164㎏CO-897、0.096㎏过硫酸铵加入8㎏去离子水中预乳化1小时得到预乳化液，将预乳化液在3小时内加入上述种子乳液中，种子乳液温度为83℃，升温至85℃后补加加0.035㎏引发剂，保温一小时，冷却至室温，调节PH值为8～9，过滤得到乳液。

第四步，无机填料分散。取70㎏高岭土、10㎏聚磷酸铝，加入80L水中，然后加入0.21㎏分散剂LOP895，用研磨机研磨1.5小时，得到无机分散液。

第五步，涂料配制。在体积200L的混合釜中加入乳液100㎏、无机分散液16㎏、氨基树脂717 13㎏，并加入25㎏去离子水搅拌均匀，再加入丙二醇苯醚1.5㎏、成膜助剂AH-12 0.5㎏、DMF 0.3㎏，流平剂 BYK-346 0.3㎏，最后加入零VOC消泡剂E81适量，低速搅拌40分钟，过滤得到涂料，粘度为20s，硬度为6H，吸水率为2.3%，成膜温度在281度。

实施例二

该实施例与实施例一相比，其不同之处在于使用了碱性硅溶胶，硅溶胶改性过程如下：在体积50L的反应釜中加入去离子水20㎏，固含量25%的碱性硅溶胶20㎏，混合均匀，然后加入4㎏乙醇混匀后用磷酸0.02㎏酸化，将 0.3㎏ KH-560于半小时内分三批加入到反应釜中，50℃下搅拌反应3小时，得到改性硅溶胶，其余同实施例一，所得的乳液凝胶率比酸性硅溶胶改性的丙烯酸酯乳液要大，涂料涂层吸水率增加1.2%。

实施例三

该实施例与实施例一相比，是在涂料配制阶段，用13㎏英力士氨基树脂HM 2608、R 747、R 745中任意一种替代氨基树脂717，先用乙醇：水按份数比为1：3的溶液13㎏将树脂溶解稀释后使用，其余同实施例一，涂料的粘度在25s，硬度6H以上（铅笔硬度），附着力为A级，涂膜平整光滑，机械性能达到了硅钢要求。

实施例四

该实施例与实施例一相比，是在无机填料的分散阶段用等量钛白粉代替高岭土，其余同实例一，400℃烘烤20s成膜，粘度为24s，涂膜半透明平整光滑，涂膜经耐水实验72小时后生锈，附着力A级，膜厚1.2μm。

实施例五

该实施例是与实施例一相比，涂料的配制阶段不添加填料，在体积200L的混合釜中将乳液100㎏加入15㎏去离子水搅拌均匀，15㎏氨基树脂717先用2.5㎏DMF和1.5㎏正丁醇稀释溶解后加入混匀，加入成膜助剂AH-12 0.5㎏，流平剂BYK-346 0.3㎏，加入零VOC消泡剂E81适量，低速搅拌40分钟，过滤出料，得到所需的涂料。涂料粘度14-15秒，成膜光泽度和透明度较高，涂膜光滑，硬度达到5H。

实施例六

本实施例与实施例一相比，硅溶胶的改性方法不同，在50℃下，取碱性硅溶胶20㎏，用去离子水12㎏稀释后，加入无水乙醇4㎏，最后加入有机硅氧烷0.3㎏KH-560搅拌3小时得到改性硅溶胶，其余同实施例一，涂层的耐水性硬度均下降。

实施例七

本实施例与实施例一相比，氨基树脂使用量减少为5㎏，无机分散液增加为40㎏，去离子水增加为50㎏，其余同实施例一，涂层的电阻率增加，但涂层变脆，附着力下降。

实施例八

本实施例与实施例一相比，氨基树脂增加为15㎏，无机分散液增加为40㎏，去离子水增加为95㎏，其余同实施例一，涂料的粘度为29s，贮存期变短，涂膜平整度下降。

实施例九

本实施例与实施例一相比，涂料制备阶段加入的成膜助剂是丙二醇丁醚1.2㎏、乙二醇单丁醚 0.8㎏，其余同实施例一，成膜光滑平整。

Claims

1.一种水性无取向硅钢涂料，其所述涂料的组成及其含量按份数比为：热交联型无机硅改性丙烯酸酯乳液：氨基树脂：无机填料：涂料成膜助剂：去离子水

为100：5～15：0～20：0.5～5：5～125；

其粘度是在14s～50s调节，于300℃～600℃烘烤，15s～45s成膜；

所述热交联型无机硅改性丙烯酸酯乳液的合成工艺如下：

（1）种子乳液聚合阶段

（2）乳液聚合阶段

将1.38份乳化剂、66.5份壳层单体、0.55份过硫酸氨和50份去离子水预乳化1小时制成预乳液，于83℃下在3小时内加入种子乳液中，升温至85℃并补加0.0063份过硫酸铵，保温1小时，降到常温并过滤出料，最后调PH到8～9，制得热交联型无机硅改性丙烯酸酯乳液，其微观结构为石榴型或草莓型；

所述核层单体是按甲基丙烯酸甲酯：丙烯酸丁酯的份数比为3：1；

所述壳层单体按甲基丙烯酸甲酯：丙烯酸丁酯：丙烯酸羟乙酯：甲基丙烯酸的份数比为35：23：7.7：3.8；

所述乳化剂在种子乳液聚合和乳液聚合阶段均按CO-436：CO-897的份数比为1：2；

所述改性硅溶胶的改性方法如下：

在50℃下，取100份碱性硅溶胶，其粒径是8～25nm，固含量是20%～35%，用100份去离子水稀释后，加入20份无水乙醇后，加入1.5份有机硅氧烷KH-560，再加入0. 1份酸化剂，调PH值至3～5，搅拌3小时，制得改性硅溶胶。

2.如权利要求1所述的水性无取向硅钢涂料，其所述氨基树脂是氨基树脂717、HM 2608、R 747中的一种或任意两种混合。

3.如权利要求1所述的水性无取向硅钢涂料，其所述无机填料是聚磷酸铝、高岭土和钛白粉中的一种或几种的混合，其平均粒径是1200目以上。

4.如权利要求1所述的水性无取向硅钢涂料，其所述涂料成膜助剂是：乙二醇单丁醚、丙二醇苯醚、丙二醇丁醚中的一种或几种的混合。

5.如权利要求1所述的水性无取向硅钢涂料，其所述酸化剂是磷酸、盐酸或硫酸的一种。

6.一种用于权利要求1所述的水性无取向硅钢涂料的制备方法，其所述制备方法是将0～20份无机填料和5～125份去离子水在搅拌釜中高速分散40分钟，后加入100份合成的无机硅改性的热交联型丙烯酸酯乳液搅拌20分钟，再加入5～15份氨基树脂搅拌20分钟，最后加入0.5～5涂料助剂搅拌20分钟，过滤，制得所述产品。