CN106189556B - 一种超疏水导电涂料及其制备方法 - Google Patents

一种超疏水导电涂料及其制备方法 Download PDF

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Abstract

本发明提供了一种超疏水导电涂料及其制备方法，涂料包括两部分：组分A超疏水材料和组分B聚合乳液，按质量份数比，组分A超疏水由石墨烯15‑25份、水溶性阳离子表面活性剂2.5‑6份、硅酸钠溶液55‑75份、10%NaOH10‑15份、硅烷化试剂25‑45份和去离子水8‑15份组成，通过电化学层积法对石墨烯表面进行硅烷化处理，得到超疏水材料；组分B聚合乳液由硬单体35‑55份、软单体35‑55份、功能单体2‑5份、超疏水材料2‑10份、成膜助剂1‑5份、增塑剂1‑5份、乳化剂0.8‑1.5份、分散剂0.5‑1份、防腐剂0.5‑1份、消泡剂0.05‑1份和引发剂0.05‑0.1份配制而成。本发明通过改性石墨烯获得超疏水材料，经过与乳液的两次混合，均匀地分布于涂料层中，赋予了涂料层更加均匀良好的防水性能。

Description

一种超疏水导电涂料及其制备方法
技术领域
本发明专利属于涂料技术领域，尤其涉及一种超疏水导电涂料及其制备方法。
背景技术
传统的导电涂料通过加入导电性物质作为添加剂来达到涂膜导电的目的， 导电性添加剂通常为金属或金属氧化物颗粒(如银粉、铜粉、氧化锌等)，以应用较为广泛的银粉为例，其用量、粒径和形态都对涂料的导电性能有很大影响。石墨烯的共轭结构使之具有很高的电子迁移率和优异的电学性能，具有快速导电性。另外，相比银粉等导电金属微粒，石墨烯还具备更优异的机械性能及热性能。
发明内容
本发明提供了一种超疏水导电涂料及其制备方法，其特征在于，所述超疏水导电涂料包括组分A超疏水材料和组分B聚合乳液，按质量份数比计，原料各成分组成如下：
组分A超疏水材料：
石墨烯 15-25份
水溶性阳离子表面活性剂 2.5-6份
硅酸钠溶液 55-75份
10%NaOH 10-15份
硅烷化试剂 25-45份
去离子水 8-15份
组分B聚合乳液：
硬单体 35-55份
软单体 35-55份
功能单体 2-5份
超疏水材料 2-10份
成膜助剂 1-5份
增塑剂 1-5份
乳化剂 0.8-1.5份
分散剂 0.5-1份
防腐剂 0.5-1份
消泡剂 0.05-1份
引发剂 0.05-0.1份
所述石墨烯是由3-10层以苯环结构周期性紧密堆积的碳原子以ABC堆垛构成的二维碳材料；所述水溶性阳离子表面活性剂为聚二甲基二烯丙基氯化铵、N-十八烷基-双季铵盐、双十二烷基二甲基-多胺-双季铵盐和3-氯-2-羟丙基三甲基氯化铵中的任意一种；所述硅烷化试剂为乙烯基硅烷、乙氧基硅烷、氨基硅烷和甲基丙烯酰氧基硅烷中的任意一种或几种；
所述超疏水导电涂料制备包括（一）组分A超疏水材料的制备，（二）组分B聚合乳液的制备和（三）组分A超疏水材料和组分B聚合乳液的混合，具体步骤如下：
（一）组分A超疏水材料的制备：
1.1采用去离子水超声波清洗石墨烯25-40min，再置于恒温65-80℃的干燥箱中干燥4.5-6h；
1.2将2.5-6份水溶性阳离子表面活性剂加入到8-15份去离子水中，搅拌均匀，放入15-25份石墨烯，磁力搅拌5-10min，静置，清洗，干燥；
1.3将55-75份硅酸钠溶液依次通过阳离子树脂交换柱和弱碱性阴离子树脂交换柱，得到硅酸胶稀溶液；用10%NaOH溶液将上述硅酸胶稀溶液pH调至7~8，先取总质量五分之一的硅酸胶稀溶液放入减压器中进行减压浓缩，10-15min后，以保持容器内液面恒定为原则，缓缓加入剩余的硅酸胶稀溶液，继续进行减压浓缩，浓缩温度为75-80℃，浓缩时间为20-30min，制得原硅酸钠溶液质量五分之一的SiO2纳米溶胶；
1.4将1.2的石墨烯加入到1.3的SiO2纳米溶胶中，采用超声波恒温35-50℃下震动分散6-8.5h，取出石墨烯，去离子水清洗，室温下通风干燥12~24h；
1.5将1.4的石墨烯加入到25-45份硅烷化试剂中，恒温20-35℃下搅拌4.5-6h，取出石墨烯，用无水乙醇清洗至pH为6.8-7.2，在60℃下真空干燥6h，得到以石墨烯为基础的组分A超疏水材料；
（二）组分B聚合乳液的制备：
2.1将35-55份硬单体、35-55份软单体、2-5份功能性单体和0.8-1.5份乳化剂加入到去离子水中，均质搅拌处理20-35min制得预乳化液；
2.2在装有搅拌装置、冷凝装置、氮气保护装置及加料装置的反应釜中加入去离子水，开启搅拌装置，将1/5预乳化液、1/5用量的引发剂倒入反应釜中，升温至80℃，搅拌，反应至得到带蓝色光泽的乳液， 开始滴加剩余预乳化液和引发剂，预乳化液控制在2.5-3.5h滴完，引发剂控制在3.5h-4h滴完，温度保持在80-85℃，搅拌转速控制在100r/min，引发剂滴完后保温30min，继续加入1-5份成膜助剂、1-5份增塑剂、总量一半的分散剂、0.05-1份消泡剂和0.5-1份防腐剂，搅拌转速为80r/min，搅拌时间为15-30min ，过滤出料；
2.3将步骤1.3中超疏水材料加入到步骤2.2所述的混合液料中，采用超声波进行分散处理，所述超声波处理频率为20~130KHz，处理时间为3-5min，得到组分B聚合乳液；
（三）组分A超疏水材料和组分B聚合乳液的混合:
3.1将2.3中的聚合乳液静置25-30min，加入到搅拌器中，机械搅拌0.5-1.5min，同时加入剩余的分散剂和步骤1.5中全部超疏水材料，继续搅拌15-20min，搅拌转速控制在100r/min；
3.2停止搅拌，将3.1中的A/B初步混合物放置于超声波分散机中进行分散，超声波功率为300W，分散时间为8-12min，分散温度为18-25℃；
3.3超声分散结束后，取出A/B混合物，室温静置35-45min，得到所述超疏水导电涂料。
所述硅酸钠溶液的模数为3.5、SiO2含量4%、Na2O含量1.15%。
所述SiO2纳米溶胶，其中含SiO2 20%、Na2O 0.33%，pH为9.6，平均粒径为20~30nm。
所述软单体为丙烯酸丁酯、丙烯酸乙酯和丙烯酸异辛酯中的一种或几种；所述硬单体为苯乙烯、甲基丙烯酸甲酯、醋酸乙烯、丙烯腈、丙烯酸甲酯、丙烯酸和丙烯酰胺中的一种或几种；所述功能性单体为羟甲基丙烯酰胺和丙烯酸；所述引发剂为过硫酸铵或过硫酸钾；所述乳化剂为十二烷基硫酸钠、脂肪酸聚氧乙烯酯、烷基酚聚乙氧基醚硫酸铵、SPAN系列和吐温系列中的一种或几种。
与现有技术相比，本发明的有益成果如下：
（1）以石墨烯代替传统的金属或金属氧化物颗粒，作为本涂料的导电添加剂，在提高导电性的同时，也赋予了涂料更好的涂层强度及导热性能；
（2）通过电化学层积法，利用阳离子表面活性剂与带负电的SiO2纳米溶胶之间的电荷吸引作用对石墨烯表面进行硅烷化防水处理，制得超疏水材料；
（3）石墨烯，具有很高的比表面积，表面吸附力强，表面能大，能在涂料干燥时形成网状结构，增强了聚合物涂料和基材之间的吸附作用，使涂层更加致密，增强了涂料对基材的附着力，提高了涂料层的耐冲击性能。
具体实施方式
下面结合具体实施例对本发明作进一步说明，并非对本发明的限制，凡是依照本发明公开内容所进行的任何本领域的等同替换，均属于本发明的保护范围。
实施例一
一种超疏水导电涂料及其制备方法，涂料包括组分A超疏水材料和组分B聚合乳液，按质量份数比计，原料各成分组成如下：
组分A超疏水材料：石墨烯20份、聚二甲基二烯丙基氯化铵3份、硅酸钠溶液55份、10%NaOH10份、甲基丙烯酰氧基硅烷25份和去离子水8份；
组分B聚合乳液：苯乙烯40份、丙烯酸丁酯35份、丙烯酸5份、丙二醇丁醚2份、邻苯二甲酸二丁酯1.5份、脂肪醇聚氧乙烯醚0.8份、聚丙烯酰胺0.8份、1，2-苯并异噻唑啉-3-酮（BIT）0.5份、聚硅氧烷-多烷氧基醚共聚物0.05份和过硫酸铵0.05份；
制备过程如下：
（一）组分A超疏水材料的制备：
1.1采用去离子水超声波清洗石墨烯25min，再置于恒温65℃的干燥箱中干燥5h；
1.2将3份聚二甲基二烯丙基氯化铵到8份去离子水中，搅拌均匀，放入20份石墨烯，磁力搅拌6min，静置，清洗，干燥；
1.3将55份硅酸钠溶液依次通过阳离子树脂交换柱和弱碱性阴离子树脂交换柱，得含SiO2 3.6%、Na2O 0.005%、pH为2.5的硅酸胶稀溶液；用10%NaOH溶液将上述硅酸胶稀溶液pH调至7~8，先取总质量五分之一的硅酸胶稀溶液放入减压器中进行减压浓缩，10min后，以保持容器内液面恒定为原则，缓缓加入剩余的硅酸胶稀溶液，继续进行减压浓缩，浓缩温度为75℃，浓缩时间为30min，制得原硅酸钠溶液质量五分之一的SiO2纳米溶胶，其中含SiO2 20%、Na2O 0.33%，pH为9.6，平均粒径为20~30nm；
1.4将1.2的石墨烯加入到1.3的SiO2纳米溶胶中，采用超声波恒温35℃下震动分散8h，取出石墨烯，去离子水清洗，室温下通风干燥12h；
1.5将1.4的石墨烯加入到25份甲基丙烯酰氧基硅烷中，恒温25℃下搅拌6h，取出石墨烯，用无水乙醇清洗至pH为7.1，在60℃下真空干燥6h，得到以石墨烯为基础的组分A超疏水材料；
（二）组分B聚合乳液的制备：
2.1将苯乙烯40份，丙烯酸丁酯35份，丙烯酸5份和脂肪醇聚氧乙烯醚0.8份加入到去离子水中，均质搅拌处理25min制得预乳化液；
2.2在装有搅拌装置、冷凝装置、氮气保护装置及加料装置的反应釜中加入去离子水，开启搅拌装置，将1/5预乳化液、1/5用量即0.01份的过硫酸铵倒入反应釜中，升温至80℃，搅拌，反应至得到带蓝色光泽的乳液，开始滴加剩余预乳化液和过硫酸铵，预乳化液控制在2.5h滴完，过硫酸铵控制在3.5h滴完，温度保持在80-85℃，搅拌转速控制在100r/min，引发剂滴完后保温30min，继续加入丙二醇丁醚2份、邻苯二甲酸二丁酯1.5份、聚丙烯酰胺0.4份、1，2-苯并异噻唑啉-3-酮（BIT）0.5份、聚硅氧烷-多烷氧基醚共聚物0.05份，搅拌转速为80r/min，搅拌时间为20min ，过滤出料；
2.3将步骤1.5中超疏水材料加入到步骤2.2所述的混合液料中，采用超声波进行分散处理，所述超声波处理频率为80KHz，处理时间为3min，得到组分B聚合乳液；
（三）组分A超疏水材料和组分B聚合乳液的混合:
3.1将2.3中的聚合乳液静置25min，加入到搅拌器中，机械搅拌1min，同时加入剩余0.4份聚丙烯酰胺和步骤1.5中全部超疏水材料，继续搅拌18min，搅拌转速控制在100r/min；
3.2停止搅拌，将3.1中的A/B初步混合物放置于超声波分散机中进行分散，超声波功率为300W，分散时间为8min，分散温度为20℃；
3.3超声分散结束后，取出A/B混合物，室温静置40min，得到所述超疏水导电涂料。
经检验，本实例中涂膜的各指标如下：
标准要求 检验结果
拉伸强度（浸水后） ≥1.5/1.2/1.0MPa 2.1MPa
断裂延伸率（浸水后） ≥300％/200％/100％ 243%
粘结强度（浸水后） ≥1.0/0.8/0.6 MPa 1.2MPa
不透水性（水压0.3Mpa，30min） 不透水 不透水
抗渗性（背水面） ≥0.6/0.8MPa 0.97MPa
耐低温性（-40℃±2℃，2h） 不剥落，无裂纹 不剥落，无裂纹

Claims (4)

1.一种超疏水导电涂料的制备方法，其特征在于，所述超疏水导电涂料包括组分A超疏水材料和组分B聚合乳液，按质量份数比计，原料各成分组成如下：
组分A超疏水材料：
石墨烯 15-25份
水溶性阳离子表面活性剂 2.5-6份
硅酸钠溶液 55-75份
10%NaOH 10-15份
硅烷化试剂 25-45份
去离子水 8-15份
组分B聚合乳液：
硬单体 35-55份
软单体 35-55份
功能单体 2-5份
超疏水材料 2-10份
成膜助剂 1-5份
增塑剂 1-5份
乳化剂 0.8-1.5份
分散剂 0.5-1份
防腐剂 0.5-1份
消泡剂 0.05-1份
引发剂 0.05-0.1份
所述石墨烯是由3-10层以苯环结构周期性紧密堆积的碳原子以ABC堆垛构成的二维碳材料；所述水溶性阳离子表面活性剂为聚二甲基二烯丙基氯化铵、N-十八烷基-双季铵盐、双十二烷基二甲基-多胺-双季铵盐和3-氯-2-羟丙基三甲基氯化铵中的任意一种；所述硅烷化试剂为乙烯基硅烷、乙氧基硅烷、氨基硅烷和甲基丙烯酰氧基硅烷中的任意一种或几种；
所述超疏水导电涂料制备包括（一）组分A超疏水材料的制备，（二）组分B聚合乳液的制备和（三）组分A超疏水材料和组分B聚合乳液的混合，具体步骤如下：
（一）组分A超疏水材料的制备：
1.1采用去离子水超声波清洗石墨烯25-40min，再置于恒温65-80℃的干燥箱中干燥4.5-6h；
1.2将2.5-6份水溶性阳离子表面活性剂加入到8-15份去离子水中，搅拌均匀，放入15-25份石墨烯，磁力搅拌5-10min，静置，清洗，干燥；
1.3将55-75份硅酸钠溶液依次通过阳离子树脂交换柱和弱碱性阴离子树脂交换柱，得到硅酸胶稀溶液；用10%NaOH溶液将上述硅酸胶稀溶液pH调至7~8，先取总质量五分之一的硅酸胶稀溶液放入减压器中进行减压浓缩，10-15min后，以保持容器内液面恒定为原则，缓缓加入剩余的硅酸胶稀溶液，继续进行减压浓缩，浓缩温度为75-80℃，浓缩时间为20-30min，制得原硅酸钠溶液质量五分之一的SiO2纳米溶胶；
1.4将1.2的石墨烯加入到1.3的SiO2纳米溶胶中，采用超声波恒温35-50℃下震动分散6-8.5h，取出石墨烯，去离子水清洗，室温下通风干燥12~24h；
1.5将1.4的石墨烯加入到25-45份硅烷化试剂中，恒温20-35℃下搅拌4.5-6h，取出石墨烯，用无水乙醇清洗至pH为6.8-7.2，在60℃下真空干燥6h，得到以石墨烯为基础的组分A超疏水材料；
（二）组分B聚合乳液的制备：
2.1将35-55份硬单体、35-55份软单体、2-5份功能性单体和0.8-1.5份乳化剂加入到去离子水中，均质搅拌处理20-35min制得预乳化液；
2.2在装有搅拌装置、冷凝装置、氮气保护装置及加料装置的反应釜中加入去离子水，开启搅拌装置，将1/5预乳化液、1/5用量的引发剂倒入反应釜中，升温至80℃，搅拌，反应至得到带蓝色光泽的乳液， 开始滴加剩余预乳化液和引发剂，预乳化液控制在2.5-3.5h滴完，引发剂控制在3.5h-4h滴完，温度保持在80-85℃，搅拌转速控制在100r/min，引发剂滴完后保温30min，继续加入1-5份成膜助剂、1-5份增塑剂、总量一半的分散剂、0.05-1份消泡剂和0.5-1份防腐剂，搅拌转速为80r/min，搅拌时间为15-30min ，过滤出料；
2.3将步骤1.5中超疏水材料加入到步骤2.2所述的混合液料中，采用超声波进行分散处理，所述超声波处理频率为20~130KHz，处理时间为3-5min，得到组分B聚合乳液；
（三）组分A超疏水材料和组分B聚合乳液的混合:
3.1将2.3中的聚合乳液静置25-30min，加入到搅拌器中，机械搅拌0.5-1.5min，同时加入剩余的分散剂和步骤1.5中全部超疏水材料，继续搅拌15-20min，搅拌转速控制在100r/min；
3.2停止搅拌，将3.1中的A/B初步混合物放置于超声波分散机中进行分散，超声波功率为300W，分散时间为8-12min，分散温度为18-25℃；
3.3超声分散结束后，取出A/B混合物，室温静置35-45min，得到所述超疏水导电涂料。
2.根据权利要求1 所述一种超疏水导电涂料的制备方法，其特征在于，所述硅酸钠溶液的模数为3.5、SiO2含量4%、Na2O含量1.15%。
3.根据权利要求1 所述一种超疏水导电涂料的制备方法，其特征在于，所述SiO2纳米溶胶，其中含SiO2 20%、Na2O 0.33%，pH为9.6，平均粒径为20~30nm。
4.根据权利要求1 所述一种超疏水导电涂料的制备方法，其特征在于，所述软单体为丙烯酸丁酯、丙烯酸乙酯和丙烯酸异辛酯中的一种或几种；所述硬单体为苯乙烯、甲基丙烯酸甲酯、醋酸乙烯、丙烯腈、丙烯酸甲酯、丙烯酸和丙烯酰胺中的一种或几种；所述功能性单体为羟甲基丙烯酰胺和丙烯酸；所述引发剂为过硫酸铵或过硫酸钾；所述乳化剂为十二烷基硫酸钠、脂肪酸聚氧乙烯酯、烷基酚聚乙氧基醚硫酸铵、SPAN系列和吐温系列中的一种或几种。
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