CN105985669A - 一种水性纳米陶瓷涂料及其制备方法 - Google Patents

Abstract

本发明提供一种水性纳米陶瓷涂料，由组分A与组分B制备得到，所述组分A包括：62.0wt％～69.0wt％的有机溶剂，22.0wt％～26.0wt％的硅溶胶，2.5wt％～3.9wt％的氧化铬，1.0wt％～3.5wt％的炭黑，1.0wt％～2.0wt％的铝溶胶，0.9wt％～1.5wt％的四氧化三铁，0.5wt％～1.0wt％的硫酸钡，0.1wt％～1.3wt％的二氧化钛，所述组分B包括：97.0wt％～98.0wt％的硅烷偶联剂，2.0wt％～3.0wt％的聚二甲基硅氧烷。本申请的水性纳米陶瓷涂料通过上述组分的相互配合与相互作用，使水性纳米陶瓷涂料具有较好的耐高温性(450℃～600℃)、防污性和耐磨性。

Description

一种水性纳米陶瓷涂料及其制备方法

技术领域

本发明涉及涂料技术领域，尤其涉及一种水性纳米陶瓷涂料及其制备方法。

背景技术

随着工业的进步与发展，中国作为人口大国，中国的小家电发展也越来越迅猛。在日常生活中，厨房用具的安全受到越来越多的重视。由于燃气灶具长期处于激冷、激热条件下，其关键部件分火器的表面极易发生氧化变色，产生气泡腐蚀，失去原有的金属光泽，降低使用寿命。为了提高分火器的使用寿命，通常在其表面涂覆保护涂层，保护涂层是一种非常关键的材料，在整个产品中占据着致关重要的作用。

针对分火器表面的保护涂层，包括有机涂层与无机涂层，使用更多的是有机涂层，有机涂层包括氟树脂和有机硅树脂类基体的涂料。采用有机涂层进行分火器的防护保护，整体效果不是很好，其耐高温性不强，经过燃烧一段时间后，表面严重变色。例如，采用氟碳涂料作为分火器等部件的保护涂层，涂料需要在260℃～343℃之间固化，获得的涂层硬度较低，易被刮伤，耐磨性一般不好，寿命不长。另外，涂层的保护作用还存在着防护效果不明显，涂层与基体表面之间的附着效果较差，易引起分火器表面涂层发生块状剥落，导致基体表面直接与空气接触，加速合金表面的氧化速度。因此，亟需提供一种燃气灶用保护涂料。

发明内容

本发明解决的技术问题在于提供一种具有较好耐高温、耐腐蚀、防污和耐磨性的水性纳米陶瓷涂料。

有鉴于此，本申请提供了一种水性纳米陶瓷涂料，由组分A与组分B制备得到，所述组分A包括：

所述组分B包括：

硅烷偶联剂 97.0wt％～98.0wt％；

聚二甲基硅氧烷 2.0wt％～3.0wt％。

优选的，所述组分A与组分B的质量比为(1.2～1.6)：1。

优选的，所述有机溶剂为甲醇和或乙酸。

优选的，所述硅溶胶的含量为23.5wt％～25wt％。

优选的，所述炭黑的含量为1.5wt％～2.5wt％。

优选的，所述四氧化三铁的含量为1.1wt％～1.3wt％。

本申请还提供了一种水性纳米陶瓷涂料的制备方法，包括以下步骤：

将22.0wt％～26.0wt％的硅溶胶与1.0wt％～3.5wt％的炭黑混合后再与62.0wt％～69.0wt％的有机溶剂混合，得到第一混合物；

将所述第一混合物与1.0wt％～2.0wt％铝溶胶混合后研磨，再与2.5wt％～3.9wt％的氧化铬、0.9wt％～1.5wt％的四氧化三铁、0.5wt％～1.0wt％的硫酸钡、0.1wt％～1.3wt％的二氧化钛混合，得到组分A；

将97.0wt％～98.0wt％的硅烷偶联剂与2.0wt％～3.0wt％的聚二甲基硅氧烷混合，得到组分B；

将组分A与组分B混合，反应后得到水性纳米陶瓷涂料。

优选的，所述第一混合物的制备过程具体为：

在30～40℃下加入22.0wt％～26.0wt％的硅溶胶，高速旋转后加入1.0wt％～3.5wt％的炭黑再加入62.0wt％～69.0wt％的有机溶剂高速旋转 后，得到第一混合物。

本申请还提供了一种纳米陶瓷涂层，由上述方案所述的或上述方案所述的制备方法所制备的水性纳米陶瓷涂料经固化、烧结后得到。

优选的，所述固化的温度为60～80℃，所述固化的时间为10～15min，所述烧结的温度为200～220℃，所述烧结的时间为20～30min。

本申请提供了一种水性纳米陶瓷涂料，其由组分A与组分B制备得到，其中组分A包括有机溶剂、硅溶胶、氧化铬、炭黑、铝溶胶、四氧化三铁、硫酸钡与二氧化钛，组分B包括硅烷偶联剂与聚二甲基硅氧烷，本申请组分A中的氧化铬、炭黑与四氧化三铁作为黑色填料，使涂层的颜色经过长时间高温(450℃～600℃)加热后，依然能够保持黑色光泽，硫酸钡能够增强涂层对基体的粘附力，二氧化钛使涂层的疏水角达到95°～110°，增强了水性纳米陶瓷涂料的自清洁能力，组分B中的硅烷偶联剂在与组分A混合后，发生水解反应，形成硅烷类有利于在基体表面形成一层极薄的涂层。综上，本申请提供的水性陶瓷涂料通过各种组分的相互配合与相互作用，使水性纳米陶瓷涂料具有较好的耐高温、耐腐蚀、防污和耐磨性。

具体实施方式

为了进一步理解本发明，下面结合实施例对本发明优选实施方案进行描述，但是应当理解，这些描述只是为进一步说明本发明的特征和优点，而不是对本发明权利要求的限制。

本发明实施例公开了一种水性纳米陶瓷涂料，由组分A与组分B制备得到，所述组分A包括：

所述组分B包括：

硅烷偶联剂 97.0wt％～98.0wt％；

聚二甲基硅氧烷 2.0wt％～3.0wt％。

本申请提供了一种水性纳米陶瓷涂料，所述水性纳米陶瓷涂料通过多种组分的相互配合与相互作用，增强和提高了水性纳米陶瓷涂料的化学稳定性，不易发生变质产生沉淀。

按照本发明，所述水性纳米陶瓷涂料包括组分A与组分B，所述组分A中包括有机溶剂、硅溶胶、氧化铬、炭黑、铝溶胶、四氧化三铁、硫酸钡以及二氧化钛；其中，所述有机溶剂作为水性纳米陶瓷涂料的溶剂，用于将水性纳米陶瓷涂料中的其他组分溶解，为其他组分提供基础环境。本申请所述有机溶剂优选为甲醇和乙酸；以所述组分A为基，所述有机溶剂的含量为62wt％～69wt％，在所述有机溶剂同时包括甲醇与乙酸的情况下，所述甲醇的含量优选为63wt％～68wt％，所述乙酸的含量优选为0.1～1.0wt％；所述甲醇的浓度优选为99wt％，所述乙酸的浓度优选为36wt％。

所述硅溶胶具有一定的胶粘性，能够改善水性陶瓷涂料的粘度；所述硅溶胶的含量为22.0～26.0wt％，在实施例中，所述硅溶胶的含量优选为23.5wt％～25wt％。本申请所述硅溶胶为本领域技术人员熟知的材料，其按照现有方法制备得到或直接采用市售产品，对此本申请没有特别的限制。

由于本发明的涂料色泽为黑色，则本申请组分A中的氧化铬、炭黑与四氧化三铁作为黑色颜填料，能够保证涂料经过长时间高温加热的条件下，依然能够保持黑色光亮。所述氧化铬的粒径优选为800目，其能增强涂层表面的亮度，同时所述氧化铬能够顺利溶解进由甲醇、硅溶胶与铝溶胶形成的溶液中，增强涂料的亮度。所述氧化铬的含量为2.5wt％～3.9wt％，在实施例中，所述氧化铬的含量为2.9wt％～3.5wt％；所述炭黑的含量为1.0wt％～3.5wt％，在实施例中， 所述炭黑的含量优选为1.5wt％～2.5wt％；所述四氧化三铁的含量为0.9wt％～1.5wt％，在实施例中，所述四氧化三铁的含量优选为1.1wt％～1.3wt％。本申请对所述氧化铬、炭黑与四氧化三铁的来源没有特别的限制，均为市售产品。

所述铝溶胶能够在组分A中与其他金属氧化物形成络合物，并在一定程度生增强水性陶瓷涂料的粘度，使涂料更加均匀稳定。所述铝溶胶的含量为1.0wt％～2.0wt％，更优选为1.2wt％～1.8wt％。本申请所述铝溶胶的来源为本领域技术人员熟知的，对此本申请没有特别的限制，可直接选择市售产品。

硫酸钡的熔点较高，本申请的水性陶瓷涂料经过半小时90℃保温蒸干水分后，均匀混合至溶液中，能够增强涂层对基体表面的粘附力，硫酸钡纳米粉末虽然不溶于溶液，但能以一定比例悬浮于涂料中，在水性纳米陶瓷涂料成膜过程中，能够很好的粘附在基体表面，增强涂料对基体的粘附力。本申请所述硫酸钡的含量为0.5wt％～1.0wt％，在实施例中，所述硫酸钡的含量优选为0.55wt％～0.75wt％。本申请所述硫酸钡的粒径优选为1250目。本申请对所述硫酸钡的来源没有特别的限制，采用市售产品即可。

按照本发明，所述水性陶瓷涂料的组分A中还包括二氧化钛，所述二氧化钛能够使水性陶瓷涂料成膜后表面疏水角度高达110°，增强涂料的自清洁能力。本申请所述二氧化钛的粒径优选为850目。本申请所述二氧化钛的含量为0.1wt％～1.3wt％，优选为0.3wt％～0.8wt％。本申请对所述二氧化钛的来源没有特别的限制，采用市售产品即可。

本申请所述水性陶瓷涂料中的组分B包括97.0wt％～98.0wt％的硅烷偶联剂与2.0wt％～3.0wt％的聚二甲基硅氧烷。所述聚二甲基硅氧烷存在于组分B中，消除在与组分A混合后产生的气泡，以维持水性陶瓷涂料的稳定性。所述硅烷偶联剂能够发生水解反应，得到硅醇，待水性纳米陶瓷涂料喷涂作用在工件表面后，涂料中的溶剂大量挥发，使水解产生的硅烷类能够形成一层极薄的涂层。本申请所述硅烷偶联剂为三烷氧基型，可以是甲基、乙基、苯基、乙烯基等可以参与水解 反应的硅烷偶联剂均可。本申请所述硅烷偶联剂优选为甲基三甲氧基硅烷。

本发明提供的水性纳米陶瓷涂料通过添加少量耐高温性能良好的铝溶胶，增强其形成膜层的稳定性；通过添加少量纳米级850目的硫酸钡粉，直接改善涂料自身与基体接触状况，提高表面附着力好，急冷急热条件下同样具有很好的附着力；同时采用了硅溶胶、铝溶胶、甲醇溶液、炭黑色浆制得涂料，具有很好的耐高温性能，并且纳米二氧化钛粉末增强涂料和基体表面的附着力，耐磨性得到提高。本发明水性纳米陶瓷涂料呈水性状态，其应用范围广，可应用于长期处在500℃高温环境中。通过实验得到，本申请提供的水性纳米陶瓷涂料形成的陶瓷涂层表面的疏水角可达95°～110°，并且通过在500℃的激冷激热的条件下，涂层在40次以上才出现剥落，相比国内其他类似产品，其防剥落性能得到了很好的提升。经过用户实际使用反馈，燃气灶具的保护涂层在日常使用过程中，其耐热燃烧时间能长达4个月以上才发生涂层表面的变色。

本申请还提供了一种水性纳米陶瓷涂料的制备方法，包括以下步骤：

将22.0wt％～26.0wt％的硅溶胶与1.0wt％～3.5wt％的炭黑混合后再与62.0wt％～69.0wt％的有机溶剂混合，得到第一混合物；

将所述第一混合物与1.0wt％～2.0wt％铝溶胶混合后研磨，再与2.5wt％～3.9wt％的氧化铬、0.9wt％～1.5wt％的四氧化三铁、0.5wt％～1.0wt％的硫酸钡、0.1wt％～1.3wt％的二氧化钛混合，得到组分A；

将97.0wt％～98.0wt％的硅烷偶联剂与2.0wt％～3.0wt％的聚二甲基硅氧烷混合，得到组分B；

将组分A与组分B混合，反应后得到水性纳米陶瓷涂料。

在制备水性纳米陶瓷涂料的过程中，为了避免添加组分团聚，本申请严格限制了各种组分的添加顺序。上述第一混合物的制备过程具体为：

在30～40℃下加入22.0wt％～26.0wt％的硅溶胶，高速旋转后加入1.0wt％～3.5wt％的炭黑再加入62.0wt％～69.0wt％的有机溶剂高速旋转后，得到第一混合物。

然后将铝溶胶与所述第一混合物混合，所述铝溶胶加入之前需要在50～60℃下保温5～10min后再混合。在组分A中，在加入铝溶胶之后，最后加入氧化铬、四氧化三铁、硫酸钡和二氧化钛；上述组分添加之前，将上述组分在80～100℃之间保温20～30min再进行添加。上述组分添加之后搅拌混合，所述搅拌的时间优选为3～4h。在搅拌之后，则得到组分A。

组分B则直接将硅烷偶联剂与聚二甲基硅氧烷高速旋转混合，所述混合的时间优选为2～4h。

按照本发明，在得到组分A与组分B之后，在使用水性陶瓷涂料时，则将组分A与组分B混合，并优选在滚磨机上密封滚磨4h，反应后得到水性陶瓷涂料。所述组分A与组分B的质量比优选为(1.2～1.6)：1，更优选为1.5:1。

本申请还提供了一种陶瓷涂层，其由上述方案所述的或上述方案所述的制备方法所制备的水性纳米陶瓷涂料经固化、烧结后得到。

在制备陶瓷涂层的过程中，所述固化的温度优选为60～80℃，所述固化的时间优选为10～15min，所述烧结的温度优选为200～220℃，所述烧结的时间优选为20～30min。

在将水性纳米陶瓷涂料进行应用时，需要将组分A与组分B按一定比例反应4小时以上，再对燃气灶具分火器进行喷涂处理。在喷涂前，对火盖进行毛化处理(喷20-30目的砂)，待整个表面喷砂均匀，利用超声清洗机进行表面除油、初灰尘的清洗工作，然后放入恒温炉中70℃的保温15min，利用喷涂机对工件喷涂本发明的水性纳米陶瓷涂料，迅速放回70℃的恒温炉中固化10～15min，待火盖表面基本固化，变干了，迅速放入210℃恒温炉中烧结20min，取出，常温下冷却就能获得能够耐高温、防剥落，自清洁能力好的陶瓷涂层。本申请陶瓷涂层的颗粒的粒径为20～30nm。

在喷涂之前，采用180目的过滤网进行常压过滤，以去除涂料中的少量团聚物，防止喷枪堵塞，致使金属基体表面的保护涂层不均匀，加快其涂层表面的剥落速度等。本申请所述水性纳米陶瓷涂料的喷涂使用工艺简单，有效的克服了国内其他涂料的喷涂难，涂料使用寿命短，对工作人员有皮肤过敏等问题。

为了进一步理解本发明，下面结合实施例对本发明提供的水性纳米陶瓷涂料及其制备方法进行详细说明，本发明的保护范围不受以下实施例的限制。

以下实施例中的原料均为市售产品。

实施例1

水性纳米陶瓷涂料由以下步骤制得：

组分A的配制过程：

在密闭的不锈钢反应釜中加入22wt％的硅溶胶、1wt％的炭黑高速旋转搅拌均匀，继续添加68wt％的甲醇溶液(浓度99wt％)，继续旋转搅拌，30min后待溶液中炭黑均匀分散后，高速旋转下添加2.0wt％的铝溶胶，并且按顺序添加经90℃保温后的1.0wt％硫酸钡、1.0wt％四氧化三铁、1.0wt％二氧化钛、3.9wt％氧化铬，0.1wt％的乙酸溶液(浓度36wt％)，即得到涂料的组分A；所述的百分比为各成分占组份A原料总重量的百分比；

组分B的配制过程：

在密闭不锈钢反应釜中将99wt％放入甲基三甲氧基硅烷与1wt％的聚二甲基硅氧烷高速旋转下搅拌3小时；

为了方便涂料的保存和运输方便等问题，将本涂料以A、B两组分区分，并在涂料使用前，使A组分与B组分以60.5：39.5的质量比进行滚动熟化4小时以上，经过滚动后的涂料即是本发明所描述的耐高温水性纳米陶瓷涂料。

本实施例制备的陶瓷涂层(颗粒的粒径为20～30纳米)在经过日常用燃气灶具的使用发现，在经过每天5小时的燃烧，能够坚持40天的持续燃烧才开始出现色泽减淡，表明本申请的水性陶瓷涂层具有较好的耐高温性(450℃～600℃)；其作用在火盖表面的基体不会有气泡产生，在棱角周边有极少的剥落情况，故防剥落性能过关，接触角大小为105.92°，疏水角的出现对涂层表面的自清洁能力有很大的改善作用。在马费炉中，500℃下保温15mins，取出迅速放入冷水中，进行冷却，进行激冷激热条件下的热震实验，发现热震次数能达到40次以上，涂层表面发生少许剥落出现。

实施例2

水性纳米陶瓷涂料中的组分B制法同实施例1(炭黑浓度越高涂料色泽越黑越亮)；

组分A的配制过程：

在密闭的不锈钢反应釜中加入23.5wt％的硅溶胶、1.55wt％的炭黑在高速旋转下搅拌均匀，旋转搅拌下继续添加66.5wt％的甲醇溶液(浓度99wt％)，30min后待溶液中炭黑均匀分散后，高速旋转下添加1.8wt％的铝溶胶，并且按顺序添加经90℃保温后的0.55wt％硫酸钡、1.1wt％四氧化三铁、1.3wt％二氧化钛、3.6wt％氧化铬，0.1wt％的乙酸溶液(浓度36wt％)，即得到涂料的A组分；所述的百分比为各成分占组份A原料总重量的百分比。

在得到A组份物料后，A、B两组分以59.5：40.5的质量比进行滚动熟化4小时，经过滚动后的涂料，即是本发明所描述的耐高温水性纳米陶瓷涂料。

实施例3

水性纳米陶瓷涂料中的组分B的制法同实施例1。

组分A的配制过程：

在密闭的不锈钢反应釜中加入32.5wt％的甲醇溶液(浓度99wt％)，高速旋转下加入25.5wt％的硅溶胶，待溶液搅拌混合均匀后，继续添加2.9wt％的炭黑，待溶液溶解均匀后，继续旋转且添加2.0wt％的铝溶胶，按顺序添加经90℃保温后的0.65wt％硫酸钡、0.9wt％四氧化三铁、1.1wt％的二氧化钛、3.45wt％的氧化铬，混合搅拌均匀的溶 液浓度较大，缓慢选择下添加31wt％的甲醇溶液(浓度99wt％)。所述的百分比为各成分占组份A原料总重量的百分比；

在得到A组份物料后，A、B两组分以58.5：41.5的质量比进行滚动熟化4小时，经过滚动后的涂料，即是本发明所描述的耐高温水性纳米陶瓷涂料。

实施例4

组分A的配制过程：

保持不锈钢反应釜中的温度30～40℃，向反应釜中添加25.0wt％硅溶胶，高速旋转下添加2.50wt％的炭黑，待反应釜中的成分均匀时，再添加64wt％的甲醇溶液(浓度99wt％)，继续旋转并添加2.0wt％的铝溶胶，增强溶液的粘稠度，高速旋转研磨15分钟后，按顺序添加经90℃下保温了30分钟1.0wt％的硫酸钡、1.1wt％的四氧化三铁、3.5wt％的氧化铬、0.9wt％的二氧化钛，0.1wt％乙酸(浓度36wt％)，并继续在反应釜中高速旋转搅拌4小时；

组分B的配制过程：

将97.5％的甲基三甲氧基硅烷和2.50％聚二甲基硅氧烷在反应釜中高速旋转混合，持续3小时；

将A、B组分按61.0：39.0的质量比，密封条件下滚动熟化，经滚动后的涂料，即本发明所描述的耐高温水性纳米陶瓷涂料。

以上实施例的说明只是用于帮助理解本发明的方法及其核心思想。应当指出，对于本技术领域的普通技术人员来说，在不脱离本发明原理的前提下，还可以对本发明进行若干改进和修饰，这些改进和修饰也落入本发明权利要求的保护范围内。

对所公开的实施例的上述说明，使本领域专业技术人员能够实现或使用本发明。对这些实施例的多种修改对本领域的专业技术人员来说将是显而易见的，本文中所定义的一般原理可以在不脱离本发明的精神或范围的情况下，在其它实施例中实现。因此，本发明将不会被限制于本文所示的这些实施例，而是要符合与本文所公开的原理和新颖特点相一致的最宽的范围。

Claims (10)

1.一种水性纳米陶瓷涂料，由组分A与组分B制备得到，所述组分A包括：

所述组分B包括：

硅烷偶联剂 97.0wt％～98.0wt％；

聚二甲基硅氧烷 2.0wt％～3.0wt％。

2.根据权利要求1所述的水性纳米陶瓷涂料，其特征在于，所述组分A与组分B的质量比为(1.2～1.6)：1。

3.根据权利要求1所述的水性纳米陶瓷涂料，其特征在于，所述有机溶剂为甲醇和或乙酸。

4.根据权利要求1所述的水性纳米陶瓷涂料，其特征在于，所述硅溶胶的含量为23.5wt％～25wt％。

5.根据权利要求1所述的水性纳米陶瓷涂料，其特征在于，所述炭黑的含量为1.5wt％～2.5wt％。

6.根据权利要求1所述的水性纳米陶瓷涂料，其特征在于，所述四氧化三铁的含量为1.1wt％～1.3wt％。

7.一种水性纳米陶瓷涂料的制备方法，包括以下步骤：

将22.0wt％～26.0wt％的硅溶胶与1.0wt％～3.5wt％的炭黑混合后再与62.0wt％～69.0wt％的有机溶剂混合，得到第一混合物；

将所述第一混合物与1.0wt％～2.0wt％铝溶胶混合后研磨，再与2.5wt％～3.9wt％的氧化铬、0.9wt％～1.5wt％的四氧化三铁、0.5wt％～1.0wt％的硫酸钡、0.1wt％～1.3wt％的二氧化钛混合，得到组分A；

将97.0wt％～98.0wt％的硅烷偶联剂与2.0wt％～3.0wt％的聚二甲基硅氧烷混合，得到组分B；

将组分A与组分B混合，反应后得到水性纳米陶瓷涂料。

8.根据权利要求1所述的制备方法，其特征在于，所述第一混合物的制备过程具体为：

在30～40℃下加入22.0wt％～26.0wt％的硅溶胶，高速旋转后加入1.0wt％～3.5wt％的炭黑再加入62.0wt％～69.0wt％的有机溶剂高速旋转后，得到第一混合物。

9.一种纳米陶瓷涂层，由权利要求1～6任一项所述的或权利要求7～8任一项所述的制备方法所制备的水性纳米陶瓷涂料经固化、烧结后得到。

10.根据权利要求9所述的陶瓷涂层，其特征在于，所述固化的温度为60～80℃，所述固化的时间为10～15min，所述烧结的温度为200～220℃，所述烧结的时间为20～30min。