CN104725640A

CN104725640A - 亲水改性硅溶胶及其在制备亲水防雾耐磨涂料中的应用

Info

Publication number: CN104725640A
Application number: CN201510140908.7A
Authority: CN
Inventors: 崔占臣; 李尧; 史作森
Original assignee: Jilin University
Current assignee: Jilin University
Priority date: 2015-03-27
Filing date: 2015-03-27
Publication date: 2015-06-24

Abstract

亲水改性硅溶胶及其在制备亲水耐磨防雾涂料中的应用，属于亲水性防雾耐磨涂料技术领域。其为PEG修饰的硅烷偶联剂和正硅酸乙酯或正硅酸甲脂的无规水解液，是在室温下将PEG修饰的硅烷偶联剂和正硅酸乙酯或正硅酸甲脂以1～10：1的质量比例加入到有机溶剂中，体系固含量为5～30％；再加入单体总质量0.1％～3％的水、0.1％～3％的醋酸，搅拌10～24小时，然后陈化10～72小时，得到亲水改性硅溶胶。本发明所述的亲水改性硅溶胶可以在制备亲水防雾耐磨涂料中得到的应用。具体是将亲水改性硅溶胶加入到有机防雾涂料中，搅拌后得到粘度为100～700cps混合涂料。

Description

亲水改性硅溶胶及其在制备亲水防雾耐磨涂料中的应用

技术领域

本发明属于亲水性防雾耐磨涂料技术领域，具体涉及一种可增加涂料膜层耐磨强度并有效增加表面亲水性的亲水改性硅溶胶及其在制备亲水耐磨防雾涂料中的应用。

背景技术

近年来，随着有机透明光学材料研究和应用的飞速发展，其在国民生产生活中发挥着越来越重要的作用。然而，有机透明光学材料在高湿度环境下的上雾现象和不耐磨损等缺点对实际应用造成了诸多不便，乃至于危及人民生命财产。从上世纪三四十年代开始，人们对有机透明光学材料及其制品的防雾性能有所关注。随着研究的深入，人们找出了多种办法解决材料的上雾问题。其中亲水性高分子，由于其优良的防雾效果、低成本、加工工艺简单等优点成为了简单高效解决有机透明光学材料表面上雾的办法。

具有吸水亲水性质的高分子防雾材料分子中通常都含有大量的亲水基团，比如氨基、羧基、羟基等。纤维素酯、豆粉(聚糖)、聚丙烯酸(酯)、聚脲烷等都得到了应用。其中聚丙烯酸以及丙烯酸酯类亲水性高分子，因其在基材表面良好的润湿性和结构内大量的亲水基团受到了尤为广泛的关注。尽管亲水性高分子防雾材料具有防雾效果理想、防雾效果持久等显著优点。但较差的耐磨性质，严重的影响了其在实际生产生活中的应用。

为解决亲水高分子防雾材料的耐磨问题，现今普遍使用的方法是向材料内加入正硅酸乙酯水解液。无机溶胶的加入确实可以提高材料的耐磨性，但材料的表面亲水性和防雾性也随之降低。

发明内容

本发明的目的是提供一系列合成方法简单、制作工艺简便的能用于制作亲水防雾耐磨涂料的亲水改性硅溶胶。并可以通过调节亲水性基团修饰的硅烷偶联剂的种类和含量，改善防雾涂层表面的亲水性。随着硅溶胶的加入，膜层的耐磨性显著提高。

本发明所述的一种亲水改性硅溶胶，其为结构式如下所示的A结构单体(PEG修饰的硅烷偶联剂)和B结构单体(正硅酸乙酯、正硅酸甲脂)的无规水解液，且由如下方法制备得到：

室温下，将A结构单体和B结构单体以1～10：1的质量比例加入到有机溶剂中，体系固含量为5～30％；再加入A结构单体和B结构单体总质量0.1％～3％的水、0.1％～3％的醋酸，搅拌10～24小时，然后陈化10～72小时，得到亲水改性硅溶胶；

A结构单体为如下结构式之一所示的化合物，

B结构单体为如下结构式之一所示的化合物，

有机溶剂为四氢呋喃、甲苯、丙二醇单烷基醚、丙二醇烷基醚乙酸酯、环戊酮、乙酸丁酯、甲基异丁基酮、正丁酮、4-甲基-2-戊酮、环己酮、2-庚酮、γ-丁内酯、乙二醇单乙醚乙酸酯、乙二醇单甲醚、乙二醇单乙醚、乙二醇单甲醚乙酸酯、丁内酯、二甲基甲酰胺或二甲基亚砜。

本发明所述的亲水改性硅溶胶可以在制备亲水防雾耐磨涂料中得到的应用。具体是将亲水改性硅溶胶加入到有机防雾涂料(例如：聚丙烯类防雾涂料等)中，搅拌后得到粘度为100～700cps混合涂料。亲水改性硅溶胶和有机防雾涂料的用量比例视实际应用需要，可以任意比例混合。

进一步，本发明所述的亲水改性硅溶胶在制备亲水防雾耐磨涂料中的应用，是用于制备防雾耐磨涂层。具体是将透明光学材料(例如：聚碳酸酯光学镜片等)于混合涂料中浸泡1～10分钟，然后将透明光学材料缓慢取出，静置，使混合涂料自然流平；再将得到的透明光学材料在80～300℃下烘0.5～5小时进行热固化，从而在透明光学材料表面上得到防雾耐磨涂层。制得的防雾耐磨涂层厚度由配置涂料的粘度决定，涂层膜厚一般为1～5μm。

附图说明

图1：实施例1制备的亲水改性硅溶胶的红外谱图；

图2：实施例2制备的亲水改性硅溶胶的红外谱图；

图3：实施例1～2制备的防雾耐磨涂层表面的水接触角(图3b和图3c)和未加入亲水改性硅溶胶(图3a)的防雾涂层表面的水接触角；

从图1、图2可以看出，亲水性基团以化学键连的形式连接于硅-氧-硅主链上，并不会随着水汽的冲刷而流失。

从图3看以看出，亲水改性硅溶胶的加入有效增加了涂层表面的亲水性，减小了涂层表面水接触角。实施例1～2两种防雾涂层表面的水接触角分别为55度和31度，随着亲水性链的增长，表面亲水性明显增加。

表1：加入亲水改性硅溶胶涂层薄膜的铅笔硬度和未加入亲水改性硅溶胶涂层薄膜的铅笔硬度数据

	1H	2H	3H	4H
					未加入溶胶涂层	O	\	×	×
实施例1涂层	O	O	O	\
					实施例2涂层	O	O	O	\

注：O为没有出现刮痕，\为涂层刮伤，×为涂层刮破。

从表1可以看出，亲水改性硅溶胶的加入有效的增加了膜层的铅笔硬度。

具体实施方式

以下的具体实施例将就本发明的亲水改性硅溶胶的制备和使用做出详细的解释。但是这些实施方式并无意于以任何方式限制或者限定本发明的范围，也不应认为是在提供唯一可以实践本发明的条件、参数或者数据。

实施例1：

将5g异氰酸丙基三乙氧基硅烷、5g聚乙二醇200、0.01g二月桂酸二丁基锡和100mL四氢呋喃加入150mL三颈瓶中，搅拌5小时。减压蒸馏出溶剂，得到聚乙二醇200修饰的硅烷偶联剂单体。

室温下，将3g聚乙二醇200修饰的硅烷偶联剂单体、1g正硅酸乙酯、0.01g醋酸和0.1g水溶于10mL乙二醇单乙醚中，搅拌24小时，然后静置陈化72小时，得到亲水改性硅溶胶溶液，质量为13.4g。制得的亲水改性硅溶胶A与B的质量比为3：1。

实施例1制备的亲水改性硅溶胶的红外谱图见图1，在1720cm^-1出现了酯基的特征峰，在2885cm^-1处出现了亚甲基的特征峰，在3344cm^-1处出现了羟基的特征峰。红外谱图说明聚乙二醇200亲水性基团已经以化学键连的形式连接于硅-氧-硅主链上。

其中A的结构式为：

将1g甲基丙烯酸、1g甲基丙烯酸环氧丙脂、2gN-甲基丙烯酸吡咯烷酮、6g甲基丙烯酸羟乙酯、0.1g偶氮二异丁氰和90g乙二醇单乙醚加入装有回流、机械搅拌和氮气保护装置的三颈瓶中。70℃加热反应5小时，得到聚丙烯酸类防雾涂料。

将1g亲水改性硅溶胶溶液与9g聚丙烯酸类防雾涂料溶液进行混合，硅溶胶的质量浓度为10％。然后，将聚碳酸酯光学镜片浸没于混合涂料中，浸泡1分钟。然后将透明光学材料缓慢取出，静置，使涂料自然流平。将流平后的防雾膜层在110℃下烘3小时进行热固化，从而得到防雾耐磨涂层，厚度为2μm。

实施例2：

将5g异氰酸丙基三乙氧基硅烷、5g聚乙二醇800、0.01g二月桂酸二丁基锡和100mL四氢呋喃加入150mL三颈瓶中，搅拌5小时。减压蒸馏出溶剂，得到聚乙二醇800修饰的硅烷偶联剂单体。

室温下，将3g聚乙二醇800修饰的硅烷偶联剂单体、1g正硅酸乙酯、0.01g醋酸和0.1g水溶于10mL乙二醇单乙醚中，搅拌24小时。停止搅拌后，体系静置陈化72小时，得到亲水改性硅溶胶溶液，质量为13.4g。实施例2制得的亲水改性硅溶胶A与B的质量比为3：1。

实施例2制备的亲水改性硅溶胶的红外谱图见图2，在1720cm^-1出现了酯基的特征峰，在2885cm^-1处出现了亚甲基的特征峰，在3344cm^-1处出现了羟基的特征峰。红外谱图说明聚乙二醇200亲水性基团已经以化学键连的形式连接于硅-氧-硅主链上。

其中A的结构式为：

将1g上述亲水改性硅溶胶溶液与9g上述聚丙烯酸类防雾涂料溶液进行混合，硅溶胶的质量浓度为10％。然后，将聚碳酸酯光学镜片浸没于混合涂料中，浸泡1分钟。然后将透明光学材料缓慢取出，静置，使涂料自然流平。将流平后的防雾膜层在110℃下烘3小时进行热固化，从而得到防雾耐磨涂层，厚度为2μm。

Claims

1.一种亲水改性硅溶胶，其特征在于：该亲水改性硅溶胶为结构式如下所示的A结构单体和B结构单体的无规水解液，且由如下方法制备得到，

室温下，将A结构单体和B结构单体以1～10：1的质量比例加入到有机溶剂中，体系固含量为5～30％。再加入A结构单体和B结构单体总质量0.3％～3％的水、0.3％～3％的醋酸，搅拌10～24小时，然后陈化10～72小时，得到亲水改性硅溶胶；

A结构单体为如下结构式之一所示的化合物，

B结构单体为如下结构式之一所示的化合物，

2.如权利要求1所述的亲水改性硅溶胶，其特征在于：有机溶剂为四氢呋喃、甲苯、丙二醇单烷基醚、丙二醇烷基醚乙酸酯、环戊酮、乙酸丁酯、甲基异丁基酮、正丁酮、4-甲基-2-戊酮、环己酮、2-庚酮、γ-丁内酯、乙二醇单乙醚乙酸酯、乙二醇单甲醚、乙二醇单乙醚、乙二醇单甲醚乙酸酯、丁内酯、二甲基甲酰胺或二甲基亚砜。

3.权利要求1或2所述的亲水改性硅溶胶在制备亲水防雾耐磨涂料中的应用。

4.如权利要求3所述的亲水改性硅溶胶在制备亲水防雾耐磨涂料中的应用，其特征在于：是将亲水改性硅溶胶加入到有机防雾涂料中，搅拌后得到粘度为100～700cps混合涂料。

5.如权利要求4所述的亲水改性硅溶胶在制备亲水防雾耐磨涂料中的应用，其特征在于：用于制备防雾耐磨涂层。

6.如权利要求5所述的亲水改性硅溶胶在制备亲水防雾耐磨涂料中的应用，其特征在于：是将透明光学材料于混合涂料中浸泡1～10分钟，然后将透明光学材料缓慢取出，静置，使混合涂料自然流平；再将得到的透明光学材料在80～300℃下烘0.5～5小时进行热固化，从而在透明光学材料表面上得到防雾耐磨涂层。