CN105176374B - 应用于环氧碳纤维复合材料上的水性底漆及其制备方法 - Google Patents

Abstract

本发明涉及一种应用于环氧碳纤维复合材料上的水性底漆及其制备方法，按重量份将去离子水在搅拌下加入分散剂、消泡剂、杀菌剂、防沉剂、钛白粉、炭黑、防腐蚀填料、流变助剂、水性聚氨酯多元醇分散体A、水性聚氨酯多元醇分散体B，高速分散30min，研磨至细度15微米，得到组分一；按重量份将固化剂、偶联剂和PMA加入缸中搅拌均匀，制成组分二；使用时将组分一和组分二按重量比4‑6:1相互混合，即得到应用于环氧/碳纤维复合材料上的应用于环氧碳纤维复合材料上的水性底漆。与现有技术相比，本发明具有对环氧/碳纤维复合材料附着力好、耐腐蚀性好等优点。

Description

应用于环氧碳纤维复合材料上的水性底漆及其制备方法

技术领域

本发明涉及一种应用于环氧碳纤维复合材料上的水性底漆及其制备方法，尤其是涉及一种应用于环氧/碳纤维复合材料上的应用于环氧碳纤维复合材料上的水性底漆及其制备方法。

背景技术

以环氧树脂为基体的碳纤维增强复合材料具有质轻高强的突出优点，是火箭和人造卫星的机架、壳体的理想材料，被广泛的应用于体育器材、汽车、飞机、宇航飞行器等领域，随着风电的发展，环氧/碳纤维复合材料在风电叶片领域的应用得到了进一步的发展。

从以上应用领域可以看出，该复合材料一般都在高湿高热，强腐蚀的环境下工作，但是由于复合材料中环氧基团的存在，材料极易受到腐蚀而老化，进而失去本该具有的优异的物理及化学性能，因此在该材料表面涂覆保护涂层就显得尤为重要，但是碳纤维表面具有很大的惰性，一般的涂层很难进行附着，导致复合材料整体的力学性能难以得到充分发挥，而这正是本领域中亟待解决的技术问题之一。

发明内容

本发明的目的就是为了克服上述现有技术存在的缺陷而提供一种附着力优异、耐腐蚀、环保的的应用于环氧碳纤维复合材料上的水性底漆及其制备方法。

本发明的目的可以通过以下技术方案来实现：一种应用于环氧碳纤维复合材料上的水性底漆，用于环氧/碳纤维复合材料上，其特征在于，该底漆包括以下重量份的组分：

所述的水性聚氨酯多元醇分散体A的固含量为45％-48％，羟基含量为2.5-2.8％，粒径在80-140nm；对环氧/碳纤维复合材料的润湿性好，尤其在聚氨酯中引入碳酸酯基团后，增强与复合材料的附着力的同时，具有更好的耐磨性能、耐水解性能；

所述的水性聚氨酯多元醇分散体B固含量为35％-40％，分子量在8～12万，在壳体表面分散着羧基，羧基量为3％-6％，增强了树脂体系的反应活性，同时对于碳纤维有很好的润湿作用。

所述的水性聚氨酯多元醇分散体A包括二羟甲基丙酸、聚碳酸酯二醇或异氟尔酮二异氰酸酯中的两种或者多种；

所述的水性聚氨酯多元醇分散体B包括甲基丙烯酸甲酯、丙烯酸正丁酯、甲基丙烯酸乙酯、N-羟甲基丙烯酰胺中的两种或多种。

所述的钛白包括杜邦R706金红石型钛白粉。

所述的炭黑为高色素炭黑卡博特1300。

所述的防腐蚀填料包括纳米改性云母粉或空心硅铝微珠；云母粉优良化学惰性，耐酸、耐碱、耐高温，平行排列、相互重叠，提高漆膜强度，提升涂料的机械性能，而通过纳米改性后，微细颗粒的表面能增强，与树脂相容性更好，增强结合力。空心硅铝微珠，具有良好的隔热保温功能，能够防止由于温度的骤然升降导致漆膜的拉伸强度变低、变脆的弊端。

所述的分散剂为带亲颜料基团的高分子嵌段共聚物溶液；

所述的防沉剂包括纳米二氧化硅浆。

所述的纳米改性云母粉为MICA C-4000(美国)、GM-2(滁州格锐)，所述的空心硅铝微珠为HG-T(上海汇精)、IM16K(3M)

所述的分散剂包括BYK182。

所述的偶联剂为TEOS与KH-560凝胶法制备的胶体，控制TEOS/KH560/H2O/IPA＝1:2.2:13:38.5，以甲酸为催化剂，调节PH值为3.5，加入5％的十二烷基苯磺酸钠，在50度的水浴下反应8小时。

所述的固化剂为亲水性脂肪族聚异氰酸酯，包括Bayhydur

一种应用于环氧碳纤维复合材料上的水性底漆的制备方法，其特征在于，该方法包括以下步骤：

(1)按重量份将去离子水在搅拌下加入分散剂、消泡剂、杀菌剂、防沉剂、钛白粉、炭黑、防腐蚀填料、流变助剂、水性聚氨酯多元醇分散体A、水性聚氨酯多元醇分散体B，高速分散30min，研磨至细度15微米，得到组分一；

(2)按重量份将固化剂、偶联剂和PMA加入缸中搅拌均匀，制成组分二；

(3)使用时将组分一和组分二按重量比4-6:1相互混合，即得到应用于环氧/碳纤维复合材料上的应用于环氧碳纤维复合材料上的水性底漆。

本发明通过引入碳酸酯的聚氨酯分散体与具有核壳结构的聚氨酯分散体的混合，提高了底漆的干燥速度，使应用于环氧碳纤维复合材料上的水性底漆能够在室温下表干数分钟，即可达到指触干，再辅于一定量的偶联剂，完全保证了底漆的附着力，防止复合材料的老化，保证其能正常工作，再使用特别的防腐蚀填料，能大幅度提高底漆的耐腐蚀性，减少经济损失，具有以下优点：

(1)附着力好。

一般的水性聚氨酯分散体多为线性结构，与固化剂配制的涂料，干燥速度

较慢，硬度较低。所述的水性聚氨酯多元醇分散体A是以三羟甲基丙烷为扩链剂，控制氨基甲酸酯的含量在10-15％，在分子链上引入2-4个碳酸酯，控制分散体的粒径在80-140nm，这样形成的分散体外观是通透带蓝光的乳白色液体，不但提升了干燥速度，而且增加了涂层的强度与耐磨性能。

但是环氧/碳纤维复合材料具有很大的化学惰性，而羧基呈电负性，能够与

碳纤维中的正电碳原子形成吸附效应，同时羧基还能与环氧基团进行反应，能够很大程度上增强涂层与复合材料的附着力，但是水性聚氨酯分散体中的羟基无法与羧基共存，因此水性聚氨酯分散体B创新的采用核壳结构，内核的分子链上带有较多羟基提供与固化剂反应的点，在外壳分子链上引入羧基，既增强了涂层对材料的润湿性，又使得涂层内部稳定。

(2)耐腐蚀性好。

由于环氧/碳纤维复合材料多用于高温高湿等严苛的环境下，因此隔绝材料与空气以及高温的接触是必须的，纳米改性的云母粉，化学惰性高，粒径分布更均匀，表面能更大，排列更紧密，能有效的阻隔空气、水汽以及其他腐蚀性物质接触材料；添加空心微珠后，能有效的阻止热量的传导与散失，保证了材料表面不会出现温度骤升骤降，大大延缓了材料的老化。

具体实施方式

下面对本发明的实施例作详细说明，本实施例在以本发明技术方案为前提下进行实施，给出了详细的实施方式和具体的操作过程，但本发明的保护范围不限于下述的实施例。如无特殊说明，本发明采用的原料均为重量份含量。

下述实施例中用到的原材料为：

水性聚氨酯多元醇分散体A的固含量为45％-48％，羟基含量为2.5-2.8％，粒径在80-140nm；对环氧/碳纤维复合材料的润湿性好，尤其在聚氨酯中引入碳酸酯基团后，增强与复合材料的附着力的同时，具有更好的耐磨性能、耐水解性能；包括二羟甲基丙酸、聚碳酸酯二醇、异氟尔酮二异氰酸酯中的两种或者多种；

水性聚氨酯多元醇分散体B固含量在35-40％，分子量在8～12万，在壳体表面分散着羧基，羧基量为3％-6％，增强了树脂体系的反应活性，同时对于碳纤维有很好的润湿作用，包括甲基丙烯酸甲酯、丙烯酸正丁酯、甲基丙烯酸乙酯、N-羟甲基丙烯酰胺中的两种或多种。

钛白包括杜邦R706金红石型钛白粉。

炭黑为高色素炭黑卡博特1300。

防腐蚀填料包括纳米改性云母粉或空心硅铝微珠；云母粉优良化学惰性，耐酸、耐碱、耐高温，平行排列、相互重叠，提高漆膜强度，提升涂料的机械性能，而通过纳米改性后，微细颗粒的表面能增强，与树脂相容性更好，增强结合力。纳米改性云母粉为MICA C-4000(美国)或GM-2(滁州格锐)；

空心硅铝微珠，具有良好的隔热保温功能，能够防止由于温度的骤然升降导致漆膜的拉伸强度变低、变脆的弊端。空心硅铝微珠为HG-T(上海汇精)或IM16K(3M)。

分散剂为带亲颜料基团的高分子嵌段共聚物溶液；

防沉剂包括纳米二氧化硅浆。

分散剂包括BYK182。

偶联剂为TEOS与KH-560凝胶法制备的胶体，具体包括以下步骤，控制原料TEOS/KH560/H₂O/IPA＝1:2.2:13:38.5，以甲酸为催化剂，调节PH值为3.5-4.0，加入5％的十二烷基苯磺酸钠，在50℃的水浴下反应8小时。或者为其他市售偶联剂。

固化剂为亲水性脂肪族聚异氰酸酯，包括Bayhydur

实施例1

一种应用于环氧/碳纤维复合材料上的应用于环氧碳纤维复合材料上的水性底漆的制备方法，该方法包括以下工艺步骤：

(1)组分一制备：

按上述重量比例，先将去离子水，BYK-182，BYK-024和杀菌剂投入缸中，然后投入纳米SiO2浆，R706，1300，纳米改性云母粉，按照100-300r/pm搅拌10min，在上卧式研磨机，研磨细度≤15um，再加入3M硅铝空心微珠，流变助剂PW25，水性聚氨酯多元醇分散体A，水性聚氨酯多元醇分散体B，搅拌均匀，制成组分一。

(2)组分二制备：

按上述重量比例加入缸中，充分搅拌均匀，制成组分二。

将组分一与组分二按照5/1的重量比配制成涂料制板测试性能如下：

实施例2

一种应用于环氧碳纤维复合材料上的水性底漆的制备方法，该方法包括以下步骤：

(1)按重量份将去离子水6在搅拌下加入分散剂0.5、消泡剂0.2、杀菌剂0.1、防沉剂0.6、钛白粉15、炭黑0.2、防腐蚀填料12、流变助剂0.1、水性聚氨酯多元醇分散体A30、水性聚氨酯多元醇分散体B20，高速分散30min，研磨至细度15微米，得到组分一；

(2)按重量份将固化剂20、偶联剂0.5和PMA10加入缸中搅拌均匀，制成组分二；

(3)使用时将组分一和组分二按重量比4:1相互混合，即得到应用于环氧/碳纤维复合材料上的应用于环氧碳纤维复合材料上的水性底漆。

实施例3

一种应用于环氧碳纤维复合材料上的水性底漆的制备方法，该方法包括以下步骤：

(1)按重量份将去离子水10在搅拌下加入分散剂1.0、消泡剂0.4、杀菌剂0.2、防沉剂1.0、钛白粉20、炭黑0.4、防腐蚀填料16、流变助剂0.3、水性聚氨酯多元醇分散体A40、水性聚氨酯多元醇分散体B30，高速分散30min，研磨至细度15微米，得到组分一；

(2)按重量份将固化剂30、偶联剂1.0和PMA13加入缸中搅拌均匀，制成组分二；

(3)使用时将组分一和组分二按重量比6:1相互混合，即得到应用于环氧/碳纤维复合材料上的应用于环氧碳纤维复合材料上的水性底漆。

上述的对实施例的描述是为便于该技术领域的普通技术人员能理解和使用发明。熟悉本领域技术的人员显然可以容易地对这些实施例做出各种修改，并把在此说明的一般原理应用到其他实施例中而不必经过创造性的劳动。因此，本发明不限于上述实施例，本领域技术人员根据本发明的揭示，不脱离本发明范畴所做出的改进和修改都应该在本发明的保护范围之内。

Claims (8)

1.一种应用于环氧碳纤维复合材料上的水性底漆，其特征在于，该底漆包括以下重量份的组分：

所述的水性聚氨酯多元醇分散体A的固含量为45％-48％，羟基含量为2.5-2.8％，粒径在80-140nm；所述的水性聚氨酯多元醇分散体A是以三羟甲基丙烷为扩链剂，控制氨基甲酸酯的含量在10-15％，在分子链上引入2-4个碳酸酯；

所述的水性聚氨酯多元醇分散体B具有核壳结构，固含量为35％-40％，分子量在8～12万，在壳体表面分散着羧基，羧基量为3％-6％。

2.根据权利要求1所述的应用于环氧碳纤维复合材料上的水性底漆，其特征在于，所述的水性聚氨酯多元醇分散体A包括二羟甲基丙酸、聚碳酸酯二醇或异氟尔酮二异氰酸酯中的两种或者多种；

所述的水性聚氨酯多元醇分散体B包括甲基丙烯酸甲酯、丙烯酸正丁酯、甲基丙烯酸乙酯、N-羟甲基丙烯酰胺中的两种或多种。

3.根据权利要求1所述的应用于环氧碳纤维复合材料上的水性底漆，其特征在于，所述的钛白包括杜邦R706金红石型钛白粉。

4.根据权利要求1所述的应用于环氧碳纤维复合材料上的水性底漆，其特征在于，所述的炭黑为高色素炭黑卡博特1300。

5.根据权利要求1所述的应用于环氧碳纤维复合材料上的水性底漆，其特征在于，所述的防腐蚀填料包括纳米改性云母粉或空心硅铝微珠；

所述的分散剂为带亲颜料基团的高分子嵌段共聚物溶液；

所述的防沉剂包括纳米二氧化硅浆。

6.根据权利要求5所述的应用于环氧碳纤维复合材料上的水性底漆，其特征在于，所述的纳米改性云母粉选自MICA C-4000、滁州格锐的GM-2，所述的空心硅珠铝微选自HG-T、IM16K；

所述的分散剂包括BYK182。

7.根据权利要求1所述的应用于环氧碳纤维复合材料上的水性底漆，其特征在于，所述的固化剂为XP 2451。

8.一种如根据权利要求1-7中任一所述的应用于环氧碳纤维复合材料上的水性底漆的制备方法，其特征在于，该方法包括以下步骤：

(1)按重量份将去离子水在搅拌下加入分散剂、消泡剂、杀菌剂、防沉剂、钛白粉、炭黑、防腐蚀填料、流变助剂、水性聚氨酯多元醇分散体A、水性聚氨酯多元醇分散体B，高速分散30min，研磨至细度15微米，得到组分一；

(2)按重量份将固化剂、偶联剂和PMA加入缸中搅拌均匀，制成组分二；

(3)使用时将组分一和组分二按重量比4-6:1相互混合，即得到应用于环氧碳纤维复合材料上的水性底漆。