CN103333600B

CN103333600B - 一种单组份水性聚氨酯透明隔热涂料的制备方法

Info

Publication number: CN103333600B
Application number: CN201310208948.1A
Authority: CN
Inventors: 周海峰; 王化; 田兴友; 郑康; 吴钊峰
Original assignee: Hefei Institutes of Physical Science of CAS
Current assignee: Hefei Institutes of Physical Science of CAS
Priority date: 2013-05-30
Filing date: 2013-05-30
Publication date: 2016-12-28
Anticipated expiration: 2033-05-30
Also published as: CN103333600A

Abstract

本发明公开了一种单组份水性聚氨酯透明隔热涂料的制备方法，该方法具体步骤如下：按一定重量比将多异氰酸酯和大分子多元醇脱水加入四口烧瓶中，通氮气保护，先后加入催化剂、扩链剂和硅烷偶联剂，反应结束后在高速搅拌下滴加去离子三乙胺；然后将纳米粉体分散液在高速搅拌条件下加入三乙胺中和的聚氨酯预聚体中，分散均匀后加入酸碱中和剂调节PH值，即得水性聚氨酯纳米粉体复合乳液，复合乳液脱除溶剂后加入流平剂、润湿剂、消泡剂和增稠剂，便可制备出水性聚氨酯纳米复合涂料。本发明制备工艺简单、成本低廉，该涂料绿色环保，符合国家环保质量标准，且具有优良的隔热性能及透明性。

Description

一种单组份水性聚氨酯透明隔热涂料的制备方法

技术领域

本发明涉及水性涂料，具体地说属于一种单组份水性聚氨酯透明隔热涂料的制备方法。

背景技术

随着社会快速发展和生活水平的提高，居住环境和建筑水平也快速的进步，各种玻璃使用的比例呈现明显上升的趋势。而玻璃耗能在整个建筑能耗中占的比例越来越大。透明的玻璃在带来良好采光的同时，也成为建筑外保温的一个难题。如何让玻璃既透明又隔热，在倡导节能环保的今天解决玻璃耗能具有重要的意义。目前解决玻璃隔热主要有三条途径，一是使用隔热贴膜，但高昂的价格使普通人难以承受，目前只在高档轿车上使用；二是 LOW-E中空玻璃，也同样因为价格的原因使商家没办法全面采用；三是使用热反射膜，但其透明性较差影响正常采光，使其无法广泛应用。相比前三种隔热方法，透明隔热涂料其价格相对便宜、施工过程简单（可以在玻璃上直接涂覆）、透明性好、隔热效果佳等优点使其具有重要的应用前景。目前隔热涂料分为溶剂型和水性隔热涂料，其制备方法一般是将合成的树脂和分散好的纳米隔热浆料通过物理共混的方式制备，其中纳米隔热浆料的制备对隔热涂料的隔热效果的发挥至关重要，由于纳米粒子其表面能大，很容易团聚成较大的粒子影响涂料的透光性，同时其分散的稳定性也难以保证。制备稳定的分散浆料需要对纳米粒子改性，或者是利用各种分散剂、润湿剂等助剂经过长时间球磨、砂磨等工艺来制备出稳定的分散浆料。过程工艺复杂、耗时耗能。本发明在合成聚氨酯预聚体时利用硅烷偶联剂的活性官能团和异氰酸酯反应，直接将其引入分子链，在乳化时硅氧烷水解形成的羟基可以和纳米粒子的表面活性基团直接反应，一方面能够起到降低纳米粒子的表面能稳定纳米粒子的作用，另一方面由于树脂和纳米粒子间形成化学键可以提高树脂该性能。

发明内容

本发明的目的在于，提供一种简单制备单组分水性聚氨酯透明隔热涂料，可以广泛应用于汽车玻璃、建筑玻璃、有机玻璃的透明隔热保温与节能，具有优良的隔热性能及透明性，且安全环保、施工方便。

本发明的另一目的在于，针对现有技术中的不足，减少制备隔热浆料的环节，直接制备单组分水性聚氨酯透明隔热涂料。

为了达到上述目的，本发明采用以下技术方案,其制备工艺步骤如下：

（1）水性聚氨酯纳米粉体复合乳液的制备

A 将多异氰酸酯和大分子多元醇脱水加入四口烧瓶中，通氮气保护，加入催化剂，80-100℃下反应1-2小时，反应过程中采用二正丁胺滴定法来判断反应终点；

B 40-70℃下滴加扩链剂，然后在 70-85℃下反应 2-4小时；

C加入溶剂降低体系粘度,降温至30℃，高速搅拌下滴加去离子三乙胺，其占树脂质量分数2.0-2.7%，反应10-30分钟；

D降温至50-60℃，滴加硅烷偶联剂，60-70℃反应1-2小时；

E 提前将纳米粉体分散于水中，制成质量分数为8-30%的分散液，并超声1-2小时；

F 将上述分散液在高速搅拌条件下加入三乙胺中和的聚氨酯预聚体中，高速分散0.5-1小时，加入酸碱中和剂将复合乳液的PH调至8-10；

（2）水性聚氨酯纳米复合涂料的制备

将步骤（1）中制备的水性聚氨酯纳米粉体复合乳液，在真空条件下于40-60℃脱除溶剂，并在高速搅拌条件下，加入流平剂、润湿剂、消泡剂和增稠剂，便可制备出水性聚氨酯纳米复合涂料。

步骤（1）所述的多异氰酸酯选自甲苯二异氰酸酯、二苯基甲烷二异氰酸酯、1,6-己二异氰酸酯、异佛尔酮二异氰酸酯、4,4'-二环己基甲烷二异氰酸酯和液化MDI-50中一种或多种；所述的大分子多元醇选自分子量为800-2000的聚氧化丙烯二元醇、分子量为400-4000的三羟甲基丙烷聚醚和端羟基的聚四氢呋喃以及分子量1000-2000的聚碳酸酯多元醇中的一种及多种；其中大分子多元醇和多异氰酸酯的重量比为 1∶3-5。

步骤（1）所述的催化剂选自二月桂酸二丁基锡、辛酸亚锡、N，N- 二甲基环已胺、三亚乙基二胺中的一种或多种，其占树脂质量分数0.1-0.5%。

步骤（1）所述的扩链剂选自二羟甲基丙酸、二羟甲基丁酸、乙二醇、丙二醇、二甘醇、丁二醇中的一种或多种，其占树脂质量分数1-10%。

步骤（1）所述的溶剂为丙酮、丁酮或甲苯，其占树脂质量分数30-80%。

步骤（1）所述的纳米粉体包括纳米氧化锡锑、纳米氧化铟锡和纳米氧化铝锌，其占树脂质量分数5-20%。

步骤（1）所述的硅烷偶联剂选自γ-（2，3-环氧丙烷）丙基三甲氧基硅烷、γ-（β-氨乙基）氨丙基三甲氧基硅烷、γ―氨丙基三乙氧基硅烷、γ―氨丙基三甲氧基硅烷、苯胺基三甲氧基硅烷、苯胺基三乙氧基硅烷中的一种，其占树脂质量分数1-5%。

步骤（1）所述的酸碱中和剂为氨水、氢氧化钠溶液中的一种。

本发明与现有技术相比具有以下优点:

（1）本发明提供的水性纳米透明玻璃隔热涂料，水溶性、单组分使用,其不含苯、酮、酯类等成分，不含游离 TDI 等有害物质，绿色环保，符合国家环保质量标准;且该涂料具有优良的隔热性能及透明性,安全环保、施工方便；

（2）本发明制备水性聚氨酯预聚体过程中将硅烷偶联剂引入到聚氨酯高分子链末端，其在乳化分散时水解形成的二氧化硅溶胶表面羟基和纳米粉体的活性基团反应形成化学键，使粉体表面形成一层高分子链包覆层能够有效降低粉体表面能减少其团聚，同时能够提高树脂与粉体的相容性，并且由于形成交联网状结构增强了树脂基体的力学性能，经这种办法制备出的涂料在一年内稳定无分层、沉淀、絮凝现象，与现有制备水性隔热涂料工艺（分别制备水性树脂和隔热分散液后将二者共混配成水性隔热涂料）相比，制备工艺简单、成本低廉；

（3）本发明涂料涂膜具有优良的隔热效果及透明度，涂层表面硬度高，使用寿命长、附着力强，耐水性能优越。涂料可通过淋涂、刮涂、喷涂等施工工艺直接涂在建筑玻璃、汽车玻璃、聚碳酸酯、有机玻璃等透明基材上，涂层对这些材料表面具有很好的附着力，不但透光性好，而且能有效隔绝太阳热辐射，使其具有很好的红外阻隔和防紫外性能，直观感觉强烈明显。

具体实施方式

下面通过实施例进一步描述本发明，但所述实施例仅用于说明本发明而不是限制本发明。

实施例1

将甲苯二异氰酸酯（TDI）和分子量为2000的聚氧化丙烯二元醇按重量比1:4脱水加入四口烧瓶中，通氮气保护，加入二月桂酸二丁基锡（占树脂质量分数0.2%），80℃下反应2小时，50℃下加入扩链剂乙二醇和二羟甲基丁酸（占树脂质量分数4%），然后在 80℃下反应4小时；加入丁酮（占树脂质量分数50%）降低体系粘度降温至30℃，高速搅拌下滴加三乙胺（占树脂质量分数2.4%），反应20分钟，滴加硅烷偶联剂γ-（β-氨乙基）氨丙基三甲氧基硅烷（占树脂质量分数2.5%），将其控制在1小时内滴完，70℃反应2小时；提前将纳米粉体氧化锡锑（占树脂质量分数10%）分散于水中，并超声1小时,将上述分散液在高速搅拌条件下加入三乙胺中和的聚氨酯预聚体中，高速分散1小时，加入氢氧化钠溶液将复合乳液的PH调至9,将上述复合乳液在真空条件下60℃，脱除溶剂，并在高速搅拌条件下，加入流平剂、润湿剂、消泡剂和增稠剂，便可制备出水性聚氨酯ATO复合涂料。将其喷涂于透明4mm 厚的玻璃基材上，漆膜厚度10微米，铅笔硬度可达3H，可见光透过率70％以上；紫外阻隔率90％以上；近红外阻隔率达85％以上；具有理想的隔热性能；附着力高达到0级；耐水、耐溶剂性能优越，浸泡在水中120小时涂膜表面无脱落、气泡和粉化，在甲苯中24小时溶胀率为120%。

实施例2

将二苯基甲烷二异氰酸酯（MDI）和分子量为2000的聚碳酸酯多元醇按重量比1:5脱水加入四口烧瓶中，通氮气保护，加入三亚乙基二胺（占树脂质量分数0.3%），70℃ 下反应1小时，40℃下加入扩链剂乙二醇和二羟甲基丙酸（其占树脂质量分数5%），然后在 60℃下反应4小时；加入丁酮（占树脂质量分数45%）降低体系粘度降温至30℃，高速搅拌下滴加三乙胺（占树脂质量分数2.5%），反应10分钟，滴加硅烷偶联剂γ-（2，3-环氧丙烷）丙基三甲氧基硅烷（占树脂质量分数3%），将其控制在1小时内滴完，60℃反应2小时；提前将纳米粉体氧化铟锡（占树脂质量分数8%）分散于水中，并超声2小时,将上述分散液在高速搅拌条件下加入三乙胺中和的聚氨酯预聚体中，高速分散1小时，加入氢氧化钠溶液将复合乳液的PH调至10,将上述复合乳液在真空条件下60℃，脱除溶剂，并在高速搅拌条件下，加入流平剂、润湿剂、消泡剂和增稠剂，便可制备出水性聚氨酯ITO复合涂料。将其喷涂于透明4mm 厚的玻璃基材上，漆膜厚度10微米，铅笔硬度可达3H，可见光透过率80％以上；紫外阻隔率95％以上；近红外阻隔率达90％以上；具有理想的隔热性能；附着力高达到0级；耐水、耐溶剂性能优越，浸泡在水中120小时涂膜表面无脱落、气泡和粉化，在甲苯中24小时溶胀率为110%。

Claims

1.一种单组份水性聚氨酯透明隔热涂料的制备方法，其特征在于包括以下步骤：

（1）水性聚氨酯纳米粉体复合乳液的制备

B 40-70℃下滴加扩链剂，然后在 70-85℃下反应 2-4小时；

C加入溶剂降低体系粘度，降温至30℃，高速搅拌下滴加去离子三乙胺，其占树脂质量分数2.0-2.7%，反应10-30分钟；

D降温至50-60℃，滴加硅烷偶联剂，60-70℃反应1-2小时；

F 将上述分散液在高速搅拌条件下加入步骤D得到的物质中，高速分散0.5-1小时，加入酸碱中和剂将复合乳液的pH调至8-10；

(2)水性聚氨酯纳米复合涂料的制备

将步骤（1）中制备的水性聚氨酯纳米粉体复合乳液，在真空条件下于40-60℃脱除溶剂，并在高速搅拌条件下，加入流平剂、润湿剂、消泡剂和增稠剂，便可制备出水性聚氨酯纳米复合涂料；

步骤（1）所述的多异氰酸酯选自甲苯二异氰酸酯、二苯基甲烷二异氰酸酯、1,6-己二异氰酸酯、异佛尔酮二异氰酸酯、4,4'-二环己基甲烷二异氰酸酯和液化MDI-50中一种或多种；所述的大分子多元醇选自分子量为800-2000的聚氧化丙烯二元醇、分子量为400-4000的三羟甲基丙烷聚醚和端羟基的聚四氢呋喃以及分子量1000-2000的聚碳酸酯多元醇中的一种及多种；其中大分子多元醇和多异氰酸酯的重量比为3-5 ∶1；

2. 根据权利要求1所述的单组份水性聚氨酯透明隔热涂料的制备方法，其特征在于，步骤（1）所述的催化剂选自二月桂酸二丁基锡、辛酸亚锡、N，N- 二甲基环已胺、三亚乙基二胺中的一种或多种，其占树脂质量分数0.1-0.5%。

3.根据权利要求1所述的单组份水性聚氨酯透明隔热涂料的制备方法，其特征在于，步骤（1）所述的扩链剂选自二羟甲基丙酸、二羟甲基丁酸、乙二醇、丙二醇、二甘醇、丁二醇中的一种或多种，其占树脂质量分数1-10%。

4.根据权利要求1所述的单组份水性聚氨酯玻璃透明隔热涂料的制备方法，其特征在于，步骤（1）所述的溶剂为丙酮、丁酮或甲苯，其占树脂质量分数30-80%。

5.根据权利要求1所述的单组份水性聚氨酯透明隔热涂料的制备方法，其特征在于，步骤（1）所述的硅烷偶联剂选自γ-（2，3-环氧丙烷）丙基三甲氧基硅烷、γ-（β-氨乙基）氨丙基三甲氧基硅烷、γ―氨丙基三乙氧基硅烷、γ―氨丙基三甲氧基硅烷、苯胺基三甲氧基硅烷、苯胺基三乙氧基硅烷中的一种，其占树脂质量分数1-5%。

6.根据权利要求1所述的单组份水性聚氨酯透明隔热涂料的制备方法，其特征在于，步骤（1）所述的酸碱中和剂为氨水、氢氧化钠溶液中的一种。