CN103113825A - 纳米复合防护涂料及制作方法 - Google Patents

Abstract

本发明提供了一种纳米复合防护涂料及制作方法，其配料包括有机-无机聚合物树脂、改性纳米浆、纳米氧化锌、纳米二氧化硅、紫外线吸收剂、颜料、分散剂、去离子水。制备方法包括向反应容器中，加入有机-无机聚合物树脂；将分散剂加入到去离子水中，搅拌均匀后投入到反应容器中；将改性纳米浆、纳米氧化锌、纳米二氧化硅加入到反应容器中，将反应容器设定2000～3000r/min转速，并分散反应1～2h，再将颜料、紫外线吸收剂加入到反应容器中，搅拌混合均匀即成品。本发明具有防污自洁，防紫外线辐照，抗老化、长寿命；能反射红外线，具有隔热功能；高硬度、抗磨、抗划伤功能。

Description

纳米复合防护涂料及制作方法

技术领域

本发明涉及苛刻腐蚀环境下金属的防护涂料，具体说是纳米复合防护涂料。

背景技术

目前，我国是世界上高速铁路系统技术最全、集成能力最强、运营里程最长、运行速度最高、在建规模最大的国家。已投入运营的高速铁路总里程达到7531公里，局世界第一位。而正在建设之中的高速铁路有1万多公里。 

高速铁路的发展带给人们便捷的同时，也带来了噪声的影响。目前主要靠声屏障来降低或消除高铁的噪声危害。

列车高速行驶对声屏障会产生巨大的冲击的震动；甚至能动摇其与基础的联接。声屏障在使用过程中，还要承受各种极端的环境因素的侵袭，包括：严寒、酷暑，狂风暴雨，沙尘冲蚀，紫外线辐照；氧气、水、电解质、酸雨、盐雾等多种引起金属腐蚀的因素的联合作用；微生物及其代谢产物对声屏障的腐蚀和污染；而且高速列车本身还是有可能接触各种腐蚀介质的储运设备，会处于十分严酷的腐蚀环境中，经常处于被侵蚀的状态。

因此，防护涂层对声屏障就十分必要。很明显声屏障对防腐涂料的性能要求比普通的防护涂层要高很多。要求防腐涂层必须具有：

1．良好的防护功能，包括耐水性、耐油性、耐化学介质性、耐盐雾性、耐湿热性、耐人工的大气老化性。 

2．装饰作用，涂料能充分改变腐材的外观，赋予声屏障绚丽灿烂的色彩，美丽的光泽，丰满的质感，给人们没的享受。 

3．良好的物理机械性能，包括：良好的强度，柔韧性、耐冲击性、高的硬度、耐磨性、耐划伤性、耐高低温循环性，这是涂层能发挥其保护作用的装饰作用的基础。

4．良好的施工工艺性，包括：涂层对基材的渗透性；涂层与基材及涂层之间的结合力，可重涂性，干燥时间；涂料的流变性；涂料对施工环境的适应性等。这些因素都对涂料的成膜有重要影响，而涂料必须通过涂装成膜才能发挥其应有的功能。

5．特种功能：要求声屏障防污自洁；防紫外线辐照；抗老化长寿命；反射太阳光中的红外辐照，具有隔热功能，高硬度、抗磨、抗划伤。

现用的防护涂料已经不能满足上述要求，主要存在问题：

1．耐污性质：涂装后不久就面目全非，甚至脏不忍睹；

2．保色性差：实际上包含两个问题，一是成膜物耐老化性差。二是颜色易变色，即光稳定性差，在阳光中紫外线作用下自身发生化学反应造成的；

3．流平性差：不能形成高平整度、高装饰性的膜；

4．不耐磨、易划伤；

5．大多是有机涂料，对环境有污染，还可能影响操作人员健康。

因此，尽快研制一种除具有常规的涂料性能外，还应具有防污自洁，防紫外线辐照，抗老化长寿命；能反射红外线，具有隔热功能，高硬度抗磨、抗划伤的声屏障防护涂料已成为当务之急。

发明内容

为了克服以上问题，本发明提供了一种纳米复合防护涂料及制作方法。

本发明的高铁声屏障纳米复合防护涂料及制备方法如下：

1、置以下组份备用：

有机-无机聚合物树脂 50%～55%

改性纳米浆 1%～5%

纳米氧化锌 0.4%～0.8%

纳米二氧化硅 0.3%～0.6%

紫外线吸收剂 3%～6%

颜料 5%～7%

分散剂 2%～5%

去离子水 30%～38%   以上组份总量为100% 。

以上述组份按如下方法制得纳米复合防护涂料：

a、向反应容器中，加入有机-无机聚合物树脂；

b、将分散剂加入到去离子水中，搅拌均匀后投入到反应容器中；

c、将改性纳米浆、纳米氧化锌、纳米二氧化硅加入到反应容器中，将反应容器设定2000～3000r/min转速，并分散反应1～2h ；

d、将颜料、紫外线吸收剂加入到反应容器中，搅拌混合均匀；

e、成品。

2、以上所述的有机-无机聚合物树脂由以下方法制得：

置以下组份备用，按质量百分数计：

异丙醇 20～40%

去离子水 10～30%

催化剂 0.1～4%

二甲苯 0.1～25%

正硅酸乙酯 0.1～25%

含环氧基团的硅烷偶联剂 10～40%

苯基三乙氧化硅烷 10～40%

甲基三乙氧化硅烷0.1～25%

含长氟碳链段的硅烷偶联剂 0.1～25%  以上组份总量为100% 。

所述的催化剂是氢氧化钠、氢氧化钾、碳酸钠、氨水和四甲基氢氧化铵等中的一种或几种混合；

所述的含环氧基团的硅烷偶联剂是γ-（2,3-环氧丙氧基）丙基三甲氧基硅烷，和β-（3,4-环氧环乙基）乙基三甲氧基硅烷中的一种或其中两种；

含长氟碳链段的硅烷偶联剂是十二氟庚基丙基三甲氧基硅烷，十三氟辛基三乙氧基硅烷和十七氟葵基三甲氧基硅烷等中的一种或几种；

3、将以上组份按如下方法制得有机-无机聚合物树脂：

向反应装置中投入上述计量的催化剂、异丙醇、二甲苯、去离子水、正硅酸乙酯、苯基三乙氧化硅烷、甲基三乙氧化硅烷、长氟碳链段的硅烷偶联剂，开动搅拌机并升温到55～65℃；开始滴入含环氧基团的硅烷偶联剂，保持较均匀的加料速度，在5～10h内滴入，并升温，维持反应温度在75～80℃反应4h。之后，改用分水装置脱水，并减压蒸馏浓缩，即得有机-无机复合聚合物；

4、所述的纳米浆液的制备：将2～5%的的分散剂溶解于去离子水中，加入1～5%的经过改性的纳米二氧化钛，反应容器设置转速2000～3000r/min，分散1～2h；制得改性纳米浆液；

5、改性过的纳米二氧化钛，其颗粒粒径为10-80nm ；其改性过程如下：

a、将纳米二氧化钛粉末加入乙醇溶液中，配置成质量浓度为4%的乙醇溶液，超声震荡使纳米二氧化钛粉末在乙醇溶液中混合均匀；

b、按二氧化钛质量的1%取硅烷偶联剂加入离子水中，配制成质量浓度在2%的水溶液，调节PH值至9，超声震荡使得硅烷偶联剂在去离子水中预水解；

c、将步骤b所得的水溶液加入步骤a所得的乙醇溶液中，搅拌均匀，在80℃下超声震荡4小时；

d、将步骤c中所得混合浆料按常规进行乙醇洗、水洗、抽滤、烘干、研磨后得到表面改性的纳米二氧化钛颗粒。

本发明的有益效果：

1、本专利以有机—无机复合的三维结构的互穿网络聚合物作基料。该聚合物的主体结构先以无机二氧化硅为核心，周围被甲基、苯基、环氧基、含氟碳的基因等有机基因包围的三维结构。无机结构提供耐侯，耐老化、耐温、耐腐蚀、耐磨损性能。有机结构提供空间位阻，保护聚合物的主体不被腐蚀介质损坏。环氧基因提供交联点，提高粘着力。所以本品既有无机材料的耐热性、耐侯性、耐介质性，同时兼有有机材料的柔韧性、装饰性及优良的涂料工艺性。

2、引入纳米二氧化硅、纳米二氧化钛，等纳米材料作为涂料的改性剂。纳米二氧化钛、纳米二氧化硅是三维结构、比表面积大、表面能高，具有较高活性，纳米尺度的超微粒子填充于涂层中，较大粒子的空隙中，形成吸附中心和物理交联点，可大大提高涂膜的致密性、拉伸强度和断裂韧性。同时纳米二氧化钛、纳米二氧化硅还具有极强的紫外线屏蔽作用。因此，添加纳米二氧化钛、纳米二氧化硅还可显著提高涂膜的抗紫外线老化性。

3、添加由多种金属氧化物混合烧结而成的具有反光晶石的纳米复合材料，作为红外线反射材料，可比同种颜色的普通颜料的红外反射能力大大提高，有明显的隔热作用，可明显改善高速铁路的热环境，还能延长涂层的使用寿命。

4、以水为分散介质，可完全避免涂料在制造的涂装过程中，对环境的污染及对操作人员健康的影响。

以上述材料为基础，添加颜料、助剂即可制成除具有常规涂料性能外，还具有防污自洁，防紫外线辐照，抗老化、长寿命；能反射红外线，具有隔热功能；高硬度、抗磨、抗划伤的功能。

具体实施方式

本发明用于的高铁声屏障纳米复合防护涂料及制备方法如下：

置以下组份备用：

有机-无机聚合物树脂 50%～55%

改性纳米浆 1%～5%

纳米氧化锌 0.4%～0.8%

纳米二氧化硅 0.3%～0.6%

紫外线吸收剂 3%～6%

颜料 5%～7%

分散剂 2%～5%

去离子水 30%～38%   以上组份总量为100% 。

以上述组份按如下方法制得纳米复合防护涂料：

1、向反应容器中，加入有机-无机聚合物树脂51%；

2、将分散剂加入到去离子水中，搅拌均匀后投入到反应容器中；

3、将改性纳米浆、纳米氧化锌0.6%、纳米二氧化硅0.4%加入到反应容器中，将反应容器设定2500r/min转速，并分散反应1.5h ；

4、将颜料6%、紫外线吸收剂4%加入到反应容器中，搅拌混合均匀；并经超声处理；

5、成品。

实施例还提供了几种制备配方如下：

物料名称	实施例2	实施例3	实施例4
				有机-无机聚合物树脂	53.8%	52.6%	51.4%
改性纳米二氧化钛	2%	3%	4%
				纳米氧化锌	0.6%	0.6%	0.6%
纳米二氧化硅	0.4%	0.4%	0.4%
				紫外线吸收剂	4%	4%	4%
颜料	6%	6%	6%
				分散剂	3%	4%	5%
溶剂	余量	余量	余量

以上为实施例。

Claims (2)

1.纳米复合防护涂料及制备方法，其特征在于，置以下组份备用：

有机-无机聚合物树脂 50%～55%

改性纳米浆 1%～5%

纳米氧化锌 0.4%～0.8%

纳米二氧化硅 0.3%～0.6%

紫外线吸收剂 3%～6%

颜料 5%～7%

分散剂 2%～5%

去离子水 30%～38%

以上组份总量为100% ；

1.1、以上述组份按如下方法制得纳米复合防护涂料：

a、向反应容器中，加入有机-无机聚合物树脂；

b、将分散剂加入到去离子水中，搅拌均匀后投入到反应容器中；

c、将改性纳米浆、纳米氧化锌、纳米二氧化硅加入到反应容器中，将反应容器设定2000～3000r/min转速，并分散反应1～2h ；

d、将颜料、紫外线吸收剂加入到反应容器中，搅拌混合均匀；

e、成品；

1.2、如上所述的有机-无机聚合物树脂由以下方法制得：

置以下组份备用，按质量百分数计：

异丙醇 20～40%

去离子水 10～30%

催化剂 0.1～4%

二甲苯 0.1～25%

正硅酸乙酯 0.1～25%

含环氧基团的硅烷偶联剂 10～40%

苯基三乙氧化硅烷 10～40%

甲基三乙氧化硅烷0.1～25%

含长氟碳链段的硅烷偶联剂 0.1～25%

以上组份总量为100% ；

所述的催化剂是氢氧化钠、氢氧化钾、碳酸钠、氨水和四甲基氢氧化铵等中的一种或几种混合；

所述的含环氧基团的硅烷偶联剂是γ-（2,3-环氧丙氧基）丙基三甲氧基硅烷，和β-（3,4-环氧环乙基）乙基三甲氧基硅烷中的一种或其中两种；

含长氟碳链段的硅烷偶联剂是十二氟庚基丙基三甲氧基硅烷，十三氟辛基三乙氧基硅烷和十七氟葵基三甲氧基硅烷等中的一种或几种；

1.3、将以上组份按如下方法制得有机-无机聚合物树脂：

向反应装置中投入上述计量的催化剂、异丙醇、二甲苯、去离子水、正硅酸乙酯、苯基三乙氧化硅烷、甲基三乙氧化硅烷、长氟碳链段的硅烷偶联剂，开动搅拌机并升温到55～65℃；开始滴入含环氧基团的硅烷偶联剂，保持较均匀的加料速度，在5～10h内滴入，并升温，维持反应温度在75～80℃反应4h，之后，改用分水装置脱水，并减压蒸馏浓缩，即得有机-无机复合聚合物。

2.如权利要求1所述的一种高铁声屏障纳米复合防护涂料及制备方法，其特征在于，所述的纳米浆液的制备：将2～5%的的分散剂溶解于去离子水中，加入1～5%的经过改性的纳米二氧化钛，反应容器设置转速2000～3000r/min，分散1～2h；制得改性纳米浆液；

改性过的纳米二氧化钛，其颗粒粒径为10-80nm ；其改性过程如下：

a、将纳米二氧化钛粉末加入乙醇溶液中，配置成质量浓度为4%的乙醇溶液，超声震荡使纳米二氧化钛粉末在乙醇溶液中混合均匀；

b、按二氧化钛质量的1%取硅烷偶联剂加入离子水中，配制成质量浓度在2%的水溶液，调节PH值至9，超声震荡使得硅烷偶联剂在去离子水中预水解；

c、将步骤b所得的水溶液加入步骤a所得的乙醇溶液中，搅拌均匀，在80℃下超声震荡4小时；

d、将步骤c中所得混合浆料按常规进行乙醇洗、水洗、抽滤、烘干、研磨后得到表面改性的纳米二氧化钛颗粒。