CN105504923B - 一种快干型无溶剂涂料及其制备方法 - Google Patents

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Abstract

本发明一种快干型无溶剂涂料及其制备方法,属于涂料、粘合剂及功能材料领域。以末端含烷氧基的低粘度聚硅氧烷为基体树脂，以多官能团丙烯酸酯单体为改性树脂，含氨基硅烷偶联剂为固化剂，钛酸酯和对甲苯磺酸为催干剂，纳米粘土或石墨烯片状填料为增强剂，制备了一种新型的气干型无溶剂纳米复合涂料。对甲苯磺酸的加入缩短漆膜的表干时间至2小时，纳米粘土和石墨烯的加入提高了漆膜的抗冲击性能。该快干型无溶剂纳米复合涂料性能优异，可用于高耐候防腐涂料面漆。

Description

一种快干型无溶剂涂料及其制备方法
技术领域
本发明属于涂料、粘合剂及功能材料领域，具体涉及一种快干型无溶剂涂料及其制备方法。
背景技术
由于环境保护的需要，减少涂料在干燥过程中由于溶剂挥发而产生的VOC(可挥发性有机化合物)排放已经成为影响涂料行业发展的关键问题。因此高固体份涂料，光固化涂料，水性涂料和粉末涂料这四大环保型涂料品种越来越受到重视。钢铁的腐蚀每年造成的财富损失巨大。钢铁防腐涂料是涂料中用量最大的品种之一。目前钢结构防腐涂料的最大品种仍然是环氧富锌底漆配套丙烯酸酯聚氨酯面漆。对于超耐候性品种，采用氟碳树脂面漆，其施工体积固含量一般为60％左右，很难进一步提高。高固含量涂料的体积固含量一般达到70％以上，无溶剂涂料固含量一般要达到95％以上(由于一些助剂中含有少量溶剂)。同时一般用于重防腐的常温固化氟碳树脂仍然采用异氰酸酯加成物为固化剂，其中含有的游离异氰酸酯对施工人员和环境造成一定危害。
有机硅树脂是指主链以硅-氧键组成的高分子。由于硅-氧键的键能明显高于碳-碳键能，有机硅树脂的耐热和耐候性能俱佳，是唯一能与氟树脂的耐候性媲美的品种。同时，有机硅树脂是通过缩聚的方法生产的，分子量及分布容易控制，可以得到固含量近100％的官能化树脂，很合适做高固体分含量的涂料。但有机硅树脂的极性低，在一般基材上的附着力较差，同时内结合强度不高，力学性能较差。所以，目前研究较多和已经商品化的产品主要是将有机硅树脂作为改性剂加入到其他树脂中以提高其他树脂体系的耐热、耐候性(有机硅涂料的研究及应用进展.有机硅材料2011；(06):414-417)。
中国专利CN1400265公开了一种有机硅改性丙烯酸酯涂料的生产方法，以硅酸酯水解得到有机硅齐聚物与丙烯酸酯聚合物掺混得到有机硅改性丙烯酸酯树脂，但该类树脂的储存稳定性较差，容易凝胶，且固含量不高。同时，在这些改性的树脂体系中，有机硅成分较低，不能完全发挥有机硅树脂的性能优势，以达到与氟树脂接近的高耐候效果。因此，在有机硅树脂中加入少量其他树脂来克服其附着力较差，脆性较大的问题，以得到无溶剂高耐候防腐面漆成为一个重要的研究方向。
中国专利CN101348611B公开了一种含有缩水甘油基的丙烯酸酯树脂改性的有机硅氧烷预聚体，以氨基硅氧烷为固化剂得到了干燥速度快、耐候性良好的防腐涂料。但由于该技术采用的丙烯酸酯树脂的固含量约为60％左右，限制了涂料固含量的进一步提高。CN101348611B指出采用多官能团丙烯酸酯单体来改性有机硅低聚物是一种保持涂料高固含量的方法，但它制备的涂料初始粘度低，表干速度慢，同时漆膜的抗冲击性能稍差。文献(Mechanism of the Acid-Catalyzed Si-O Bond Cleavage in Siloxanes andSiloxanols.A Theoretical Study[J].Organometallics，2002，21(11)：2165-2175.)指出，酸对有机硅氧烷的水解缩合有明显的促进作用，但酸性过强会对漆膜有负面影响。选用酸性适中，与有机硅氧烷有良好相容性的物质作为催干剂是有效的方法，但尚未被涂料行业采用。
在提高涂层的韧性方面，加入分子量较大的柔性高分子是一个有效的方法，但会增加涂料体系的粘度及降低涂层的硬度。加入纳米填料，与树脂体系形成有机无机杂化结构是近年来发展起来的提高涂层体系的力学性能的有效方法。对于防腐涂料来说，对氧气和水的阻隔作用至关重要。加入径厚比较大的纳米片状填料，可以有效提高体系的阻隔性能，从而对体系的力学和防腐性能都产生正面的影响。粘土和石墨烯是两种典型的二维纳米片状填料，其厚度都在0.5～10nm之间，长度和宽度为几百至数千纳米。中国专利CN200510047901和CN201510497999分别公开了粘土和石墨烯与环氧树脂复合作为防腐涂料的技术。将粘土和石墨烯用于无溶剂有机硅防腐涂料的尚未见报道。
本技术针对多官能团丙烯酸酯单体来改性有机硅低聚物制备高固含量涂料这一思路进行改进，选用两端含有可水解烷氧基团的无溶剂有机硅低聚物为主体树脂，多官能团丙烯酸酯单体为改性树脂，含氨基有机硅偶联剂为固化剂。同时，加入钛酸酯和对甲苯磺酸为催干剂，使表干时间缩短到2小时，满足了施工要求。通过引入片状纳米粘土和石墨烯为填料，填料与树脂基体间会形成强相互作用的杂化结构，进一步提高了涂层的抗冲击性能。解决了无溶剂有机硅涂料的干燥较慢和抗冲击性能较差的问题。
发明内容
本发明要解决的技术问题是：现有有机硅树脂体系的固含量不够高；湿气固化时，表干速度较慢；同时涂层体系的抗冲击性能不能满足防腐涂料面漆的要求。本发明通过优选低粘度无溶剂有机硅树脂和多官能团丙烯酸酯单体，实现了不需要加入溶剂兑稀的无溶剂涂料体系。同时，引入钛酸酯和对甲苯磺酸催干剂，使得涂层的表干时间缩短到2小时。引入片状纳米粘土和石墨烯填料，进一步提高了涂层体系的抗冲击性能至至65cm/40cm(正反)。
本发明一种快干型无溶剂涂料，由A，B双组份构成，
其中A组份包括：
烷氧基封端的无溶剂有机硅树脂100份；
多官能团丙烯酸酯单体35～55份；
片状纳米填料1～5份；
分散剂0.15～5份；
钛酸酯催干剂1～3份；
对甲苯磺酸0.5～2份；
B组份为固化剂，包括：
3-氨丙基三乙氧基硅烷：25～40份；
其中所述的A组份中所用的无溶剂有机硅树脂为甲氧基封端的甲基苯基有机硅树脂，其分子式如下式所示：
分子量为1000-2000即n＝7～15。
其中所述的A组份中所用的多官能团丙烯酸酯单体为：
三羟甲基丙烷三丙烯酸酯(TMPTA)
或者乙氧基化三羟甲基丙烷三丙烯酸酯((EO)3-TMPTA)
或者二缩三丙二醇二丙烯酸酯(TPGDA)
或者1,6-己二醇二丙烯酸酯(HDDA)
或者二丙二醇二丙烯酸酯(DPGDA)
其中所述的A组份中所用的纳米片状填料为石墨烯或采用季铵盐阳离子表面活性剂处理过的有机纳米粘土。
其中所述的A组份中分散剂为甲基丙烯酸二甲氨基乙酯(DMAEMA)和丙烯酸丁酯(BA)的嵌段共聚物在二甲苯/醋酸丁酯(质量比3:7)混合溶剂中的溶液，浓度为30～40％，其中甲基丙烯酸二甲氨基乙酯(DMAEMA)和丙烯酸丁酯(BA)的嵌段共聚物分子式如下：
其中，x＝11～15,y＝22～30。
其中所述的A组份中所用的钛酸酯催干剂是指二(乙酰丙酮基)(异丁氧基异丙氧基)钛酸酯，二(乙酰丙酮基)(乙氧基)钛酸异丙酯，双(乙酰乙酸乙酯)钛酸二异丁酯，双(乙酰乙酸乙酯)钛酸二异丙酯四种中的一种。
其中所述的A组份中所用对甲苯磺酸为工业级产品。
上述一种快干型无溶剂涂料，其制备方法按照下述步骤进行：
将多官能团丙烯酸酯单体6～45份，分散剂0.15～5份混合搅拌均匀后，加入纳米片状填料1～5份，在砂磨或球磨机上100～500rpm上研磨1～2个小时，得到填料浆。
将填料浆与有机硅树脂100份，多官能团丙烯酸酯单体5～45份，催干剂钛酸酯1～3份，对甲苯磺酸0.5～2份，混合均匀即得A组份。
将25～45份固化剂3-氨丙基三乙氧基硅烷单独包装，即为B组份。
使用前，将A,B两组分搅拌混合均匀即得到无溶剂涂料，可以通过各种方式进行施工。
本发明通过优选低粘度无溶剂有机硅树脂和多官能团丙烯酸酯单体，实现了不需要加入溶剂兑稀的无溶剂涂料体系。同时，引入钛酸酯和对甲苯酸酸催干剂，使得涂层的表干时间缩短到2小时。引入片状纳米粘土和石墨烯填料，进一步提高了涂层体系的抗冲击性能至65cm/40cm(正反)。
具体实施方式：
下面的实施实例是对本发明的进一步说明，而不是限制本发明的范围，在此技术所提供的配方基础上进一步加入其它组份，如颜料，流平剂等所得到的新配方也应属于本发明保护范围之内。
下列实施例中所用的有机粘土为采用季铵盐阳离子表面活性剂十八烷基二羟乙基甲基氯化铵处理过的有机粘土DK2，购买自浙江丰虹粘土有限公司。石墨烯片为购买自江南石墨烯研究院的GNP-001。分散剂为甲基丙烯酸二甲氨基乙酯(DMAEMA)-丙烯酸丁酯(BA)的嵌段共聚物(简写成poly(DMAEMAx-b-BAy))在二甲苯/醋酸丁酯(质量比3:7)混合溶剂中的溶液，浓度为30～40％,其中x,y分别为DMAEMA和BA的结构单元数，其中甲基丙烯酸二甲氨基乙酯(DMAEMA)和丙烯酸丁酯(BA)的嵌段共聚物分子式如下：
其中，x＝11～15,y＝22～30。
实验室自制产品。
实施例1.将三羟甲基丙烷三丙烯酸酯20克，有机粘土DK2 3克，分散剂即poly(DMAEMA11-b-BA22)在二甲苯/醋酸丁酯(质量比3:7)混合溶剂中浓度为30％的溶液0.15克，加入到行星式球磨机上300rpm下球磨1个小时，得到填料浆。
将上述填料浆，分子量为1000的有机硅树脂100克,二缩三丙二醇二丙烯酸酯15克,二(乙酰丙酮基)(异丁氧基异丙氧基)钛酸酯1克，对甲苯磺酸0.5克,混合均匀，得到含有机纳米粘土的甲组份。
将甲组份与乙组份即3-氨丙基三乙氧基硅烷25克混合均匀后得到无溶剂涂料。用20微米线棒将涂料涂覆在马口铁片上，自然条件下室温干燥一周，得到漆膜，按下列方法测试其基本性能：
采用天津市精科材料试验机厂QFZ型漆膜附着力试验仪，按克B1720-1979测试漆膜附着力，采用常州市伟业涂料机械厂QCJ漆膜冲击试验器，按GB/T1732-1993测试漆膜耐冲击性能。采用上海现代环境工程技术有限公司的PPH-1型铅笔硬度计，按GB/T 6739-1996测试漆膜的铅笔硬度。采用上海杰颖电子技术有限公司的WGG20/60型镜向微机光泽度计，按GB1743-79(89)进行60度光泽度测试。所得漆膜的基本物理性能见表1所示。
对比例1.直接将三羟甲基丙烷三丙烯酸酯35克，有机硅树脂100克，二(乙酰丙酮基)(异丁氧基异丙氧基)钛酸酯1克混合均匀为甲组份(即不加入有机纳米粘土和对甲苯磺酸)，与乙组份3-氨丙基三乙氧基硅烷25克混合均匀制得涂料，制备漆膜，测试其性能，如表1所示。
实施例2.将乙氧基化三羟甲基丙烷三丙烯酸酯27克，有机粘土DK2 3克，分散剂即poly(DMAEMA11-b-BA22)在二甲苯/醋酸丁酯(质量比3:7)混合溶剂中浓度为30％的溶液0.45克，加入到行星式球磨机上430rpm下球磨2个小时，得到有机粘土填料浆。
将上述填料浆，分子量为1000的有机硅树脂100克,乙氧基化三羟甲基丙烷三丙烯酸酯20克,二(乙酰丙酮基)(乙氧基)钛酸异丙酯2克，对甲苯磺酸1克混合均匀，得到含有机纳米粘土的甲组份。
将甲组份与乙组份即3-氨丙基三乙氧基硅烷35克混合均匀后得到无溶剂涂料。用20微米线棒将涂料涂覆在马口铁片上，自然条件下室温干燥一周，得到漆膜。按按实施例1相同的方法测试漆膜基本性能，数据列于表1中。
对比例2.直接将乙氧基化三羟甲基丙烷三丙烯酸酯47克,有机硅树脂100克,二(乙酰丙酮基)(乙氧基)钛酸异丙酯2克混合均匀为甲组份(即不加入有机纳米粘土和对甲苯磺酸)，与乙组份3-氨丙基三乙氧基硅烷35克混合均匀制得涂料，制备漆膜，测试其性能，如表1所示。
实施例3.二缩三丙二醇二丙烯酸酯45克，有机粘土DK2 5克，分散剂即poly(DMAEMA11-b-BA22)在二甲苯/醋酸丁酯(质量比3:7)混合溶剂中浓度为30％的溶液0.75克，加入到行星式球磨机上400rpm下球磨2个小时，得到有机粘土填料浆。
将上述填料浆，分子量为1000的有机硅树脂100克,二缩三丙二醇二丙烯酸酯5克,二(乙酰丙酮基)(乙氧基)钛酸异丙酯3克，对甲苯磺酸2克,混合均匀，得到含有机纳米粘土的甲组份。
将甲组份与乙组份即3-氨丙基三乙氧基硅烷45克混合均匀后得到无溶剂涂料。用20微米线棒将涂料涂覆在马口铁片上，自然条件下室温干燥一周，得到漆膜。按按实施例1相同的方法测试漆膜基本性能，数据列于表1中。
对比例3.直接将二缩三丙二醇二丙烯酸酯50克,有机硅树脂100克,二(乙酰丙酮基)(乙氧基)钛酸异丙酯3克混合均匀为甲组份(即不加入有机纳米粘土和对甲苯磺酸)，与乙组份3-氨丙基三乙氧基硅烷45克混合均匀制得涂料，制备漆膜，测试其性能，如表1所示。
实施例4.将1,6-己二醇二丙烯酸酯6克，石墨烯1克，分散剂即poly(DMAEMA15-b-BA30)在二甲苯/醋酸丁酯(质量比3:7)混合溶剂中浓度为40％的溶液0.7克，加入到行星式球磨机上500rpm下球磨2个小时，得到石墨烯填料浆。
将上述填料浆，分子量为1000的有机硅树脂100克,1,6-己二醇二丙烯酸酯45克,双(乙酰乙酸乙酯)钛酸二异丁酯2克，对甲苯磺酸1.5,混合均匀，得到含有石墨烯的甲组份。
将甲组份与乙组份即3-氨丙基三乙氧基硅烷40克混合均匀后得到无溶剂涂料。用20微米线棒将涂料涂覆在马口铁片上，自然条件下室温干燥一周，得到漆膜。按按实施例1相同的方法测试漆膜基本性能，数据列于表1中。
对比例4.直接将1,6-己二醇二丙烯酸酯51克,有机硅树脂100克,双(乙酰乙酸乙酯)钛酸二异丁酯2克,混合均匀为甲组份(即不加入石墨烯和对甲苯磺酸)，与乙组份3-氨丙基三乙氧基硅烷40克混合均匀制得涂料，制备漆膜，测试其性能，如表1所示。
实施例5.二丙二醇二丙烯酸酯9克，石墨烯2克，分散剂即poly(DMAEMA15-b-BA30)在二甲苯/醋酸丁酯(质量比3:7)混合溶剂中浓度为40％的溶液2克，加入到行星式球磨机上500rpm下球磨2个小时，得到石墨烯填料浆。
将上述填料浆，分子量为2000的有机硅树脂100克,二丙二醇二丙烯酸酯40克,双(乙酰乙酸乙酯)钛酸二异丁酯2.5克，对甲苯磺酸1.5克,混合均匀，得到含有石墨烯的甲组份。
将甲组份与乙组份即3-氨丙基三乙氧基硅烷40克混合均匀后得到无溶剂涂料。用20微米线棒将涂料涂覆在马口铁片上，自然条件下室温干燥一周，得到漆膜。按按实施例1相同的方法测试漆膜基本性能，数据列于表1中。
实施例6.二缩三丙二醇二丙烯酸酯20克，石墨烯5克，分散剂即poly(DMAEMA15-b-BA30)在二甲苯/醋酸丁酯(质量比3:7)混合溶剂中浓度为40％的溶液5克，加入到行星式球磨机上500rpm下球磨2个小时，得到石墨烯填料浆。
将上述填料浆，分子量为2000的有机硅树脂100克,二缩三丙二醇二丙烯酸酯35,二(乙酰丙酮基)(乙氧基)钛酸异丙酯3克，对甲苯磺酸1.5克,混合均匀，得到含有石墨烯的甲组份。
将甲组份与乙组份即3-氨丙基三乙氧基硅烷40克混合均匀后得到无溶剂涂料。用20微米线棒将涂料涂覆在马口铁片上，自然条件下室温干燥一周，得到漆膜。按按实施例1相同的方法测试漆膜基本性能，数据列于表1中。
表1.不同实施例下所得漆膜的基本物理性能
从表1的数据可见，通过对甲苯磺酸的引入，对体系的干燥固化反应发生明显的催化作用，相对于对比例的表干时间缩短了2～3个小时，可以满足漆膜在2个小时以内表干的要求，避免了在户外施工后短期内发生下雨等引起的漆膜破坏问题。同时，加入片状纳米填料后，漆膜的正/反抗冲性能都达到了50/40以上，尤其是反冲相对于对比例提高了15到20cm,达到了防腐涂料用面漆的要求。

Claims (7)

1.一种快干型无溶剂涂料，其特征在于由A，B双组份构成，
其中A组份包括：
烷氧基封端的无溶剂有机硅树脂100份；
多官能团丙烯酸酯单体35～55份；
片状纳米填料1～5份；
分散剂0.15～5份；
钛酸酯催干剂1～3份；
对甲苯磺酸0.5～2份；
B组份为固化剂，包括：
3-氨丙基三乙氧基硅烷：25～40份。
2.根据权利要求1所述的一种快干型无溶剂涂料，其特征在于其中所述的A组份中所用的无溶剂有机硅树脂为甲氧基封端的甲基苯基有机硅树脂，其分子式如下式所示：
分子量为1000-2000即n＝7～15。
3.根据权利要求1所述的一种快干型无溶剂涂料，其特征在于其中所述的A组份中所用的多官能团丙烯酸酯单体为：
三羟甲基丙烷三丙烯酸酯(TMPTA)
或者乙氧基化三羟甲基丙烷三丙烯酸酯((EO)3-TMPTA)
或者二缩三丙二醇二丙烯酸酯(TPGDA)
或者1,6-己二醇二丙烯酸酯(HDDA)
或者二丙二醇二丙烯酸酯(DPGDA)
4.根据权利要求1所述的一种快干型无溶剂涂料，其特征在于其中所述的A组份中所用的纳米片状填料为石墨烯或采用季铵盐阳离子表面活性剂处理过的有机纳米粘土。
5.根据权利要求1所述的一种快干型无溶剂涂料，其特征在于其中所述的A组份中分散剂为丙烯酸丁酯(BA)-甲基丙烯酸二甲氨基乙酯(DMAEMA)的嵌段共聚物在质量比3:7的二甲苯/醋酸丁酯混合溶剂中的溶液，浓度为30～40％，嵌段共聚物分子式如下：
其中，x＝11～15,y＝22～30。
6.根据权利要求1所述的一种快干型无溶剂涂料，其特征在于其中所述的A组份中所用的钛酸酯催干剂是指二(乙酰丙酮基)(异丁氧基异丙氧基)钛酸酯，二(乙酰丙酮基)(乙氧基)钛酸异丙酯，双(乙酰乙酸乙酯)钛酸二异丁酯，双(乙酰乙酸乙酯)钛酸二异丙酯四种中的一种。
7.根据权利要求1所述的一种快干型无溶剂涂料，其特征在于其中所述的A组份中所用对甲苯磺酸为工业级产品。
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