CN106519859A - 一种抗菌抗老化硅溶胶/高分子乳液复合涂料及其制备方法和应用 - Google Patents

一种抗菌抗老化硅溶胶/高分子乳液复合涂料及其制备方法和应用 Download PDF

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Abstract

本发明公开了一种抗菌抗老化硅溶胶/高分子乳液复合涂料及其制备方法和应用。所述复合乳液原料按重量份包括：硅溶胶100‑150份，高分子乳液60‑100份，滑石粉80‑100份，硅灰石30‑64份，改性纳米氧化锌10‑20份，硅烷偶联剂0.5‑2份，成膜助剂2‑6份，分散剂1‑3份，增稠剂1‑3份，流平剂0.5‑2份，消泡剂0.5‑2份，水10‑30份。本发明利用利用纳米氧化锌的杀菌作用和紫外线屏蔽能力赋予涂料抗菌抗老化作用，通过简单工艺制得抗菌抗老化复合涂料，赋予建筑外墙涂料自清洁性，延长建筑外墙涂料使用寿命。同时本发明的涂料具有优异的耐冲刷性和储存稳定性。

Description

一种抗菌抗老化硅溶胶/高分子乳液复合涂料及其制备方法 和应用
技术领域
本发明属于涂料领域，具体涉及一种抗菌抗老化硅溶胶/高分子乳液复合涂料及其制备方法和应用。
背景技术
建筑外墙涂料受其使用环境影响，容易受到污染及发生老化，导致使用寿命缩短。因此，抗菌抗老化的建筑外墙涂料受到越来越多人的关注。纳米氧化锌是一种高端的高功能精细无机产品，具有普通氧化锌所无法比较的性能，如：光催化、吸收和散射紫外线等。因此，将其应用到建筑外墙涂料不仅可以赋予涂料抗菌性、自清洁性及防止霉变的作用，还能有效改善目前外墙涂料易老化、耐候性差的缺点，在日照时间长及湿度大的地方，产品具有市场竞争力。但纳米材料比表面积大，表面能高，在涂料分散过程中极易发生团聚，失去纳米材料原有的作用。因此，纳米氧化锌在涂料中的均匀分散是研制抗菌、抗老化建筑外墙涂料要解决的关键技术。
发明内容
为解决现有技术的缺点和不足之处，本发明的首要目的在于提供一种抗菌抗老化硅溶胶/高分子乳液复合涂料。该涂料具有良好的抗菌及抗老化等作用，解决了现有涂料耐污性差、易霉变、耐候性差的问题；用于建筑外墙，具有优异的抗菌防霉和抗老化性能。
本发明的另一目的在于提供上述抗菌抗老化硅溶胶/高分子乳液复合涂料的制备方法。
本发明的再一目的在于提供上述抗菌抗老化硅溶胶/高分子乳液复合涂料的应用。
本发明目的通过以下技术方案实现：
一种抗菌抗老化硅溶胶/高分子乳液复合涂料，其原料按重量份包括：硅溶胶100-150份，高分子乳液60-100份，滑石粉80-100份，硅灰石30-64份，改性纳米氧化锌10-20份，硅烷偶联剂0.5-2份，成膜助剂2-6份，分散剂1-3份，增稠剂1-3份，流平剂0.5-2份，消泡剂0.5-2份，水10-30份。
优选的，所述成膜助剂为Texanol酯醇。所述Texanol酯醇化学名称为2,2,4-三甲基1,3-戊二醇单异丁酸酯。
优选的，所述的高分子乳液为纯丙乳液或醋丙乳液。
更优选的，所述高分子乳液为纯丙乳液时，硅溶胶与纯丙乳液重量比为3:2，硅烷偶联剂占硅溶胶重量的0.9％，成膜助剂占纯丙乳液重量的3.1％；所述高分子乳液为醋丙乳液时，硅溶胶与醋丙乳液重量比为1:1，硅烷偶联剂占硅溶胶重量的1.2％，成膜助剂占醋丙乳液重量的3.1％。
优选的，所述的改性纳米氧化锌是以KH550硅烷偶联剂为改性剂，利用KH550硅烷偶联剂与纳米氧化锌粒子界面之间的物理与化学作用进行改性后的纳米氧化锌。
改性实验如下：取一定量的KH550硅烷偶联剂超声分散于水-乙醇溶液中，加入纳米氧化锌，恒温搅拌一段时间后，过滤，无水乙醇洗涤3次以上，将滤饼于60℃真空干燥，得改性纳米氧化锌。
优选的，所述的改性纳米氧化锌，平均粒径为20-80nm，形状为球形。
优选的，所述的硅溶胶为碱性硅溶胶。
所述硅烷偶联剂优选为KH550硅烷偶联剂。
一种抗菌抗老化硅溶胶/高分子乳液复合涂料的制备方法，包括以下步骤：
(1)无机/有机复合乳液的制备：将硅溶胶与硅烷偶联剂常温搅拌反应4.5h后，加入高分子乳液和成膜助剂，再用氨水调节pH值，继续搅拌2h后，即得硅溶胶-高分子乳液的无机/有机复合乳液；本发明所述的常温是指25±2℃。
(2)复合涂料的制备：将研磨分散过筛的滑石粉和硅灰石、改性纳米氧化锌、增稠剂、分散剂、流平剂、消泡剂与水，加入到步骤(1)制得的乳液中，400rpm搅拌30min，即得所述复合涂料。
优选的，步骤(1)中所述高分子乳液为纯丙乳液时，硅溶胶/纯丙复合乳液的制备过程中，硅溶胶与纯丙乳液重量比为3:2，pH为9，硅烷偶联剂占硅溶胶重量的0.9％，成膜助剂占纯丙乳液重量的3.1％。
优选的，步骤(1)中所述高分子乳液为醋丙乳液时，硅溶胶/醋丙复合乳液的制备过程中，硅溶胶与醋丙乳液重量比为1:1，pH为9，硅烷偶联剂占硅溶胶重量的1.2％，成膜助剂占醋丙乳液重量的3.1％。
优选的，步骤(2)中研磨分散后的滑石粉和硅灰石过200目筛。
本发明所述的抗菌抗老化硅溶胶/高分子乳液复合涂料能用作建筑外墙涂料。
与现有技术相比，本发明具有以下优点及有益效果：
(1)本发明通过硅烷偶联剂改性硅溶胶，使硅溶胶与高分子乳液形成无机/有机核壳结构，使基料在分子结构上呈现良好的均匀分散，更大地发挥硅溶胶在建筑外墙涂料上的优势作用：提高涂层附着力、耐水性等。
(2)本发明通过简单的添加纳米氧化锌赋予建筑外墙涂料抗菌、抗老化的性能，提高了外墙涂料的抗菌防霉性，延缓或防止外墙涂料的光降解，提高涂料的抗紫外线作用，进一步扩大外墙涂料使用范围与年限。本发明通过简单工艺所研制的复合涂料除具有外墙涂料的一般性能外，还具有良好的抗菌防霉性、耐污性及抗紫外老化性能，特别是在湿度大、日照长的地方具有竞争优势。
(3)本发明利用硅烷偶联剂与纳米氧化锌粒子表面存在的大量羟基对纳米氧化锌改性，降低纳米氧化锌粒子的自聚作用，使得其在涂料基体中更易分散，解决纳米氧化锌与涂料结合性差的问题，充分发挥纳米效应。
附图说明
图1为本发明改性纳米氧化锌红外图谱；
图2为本发明实施例1制备的抗菌抗老化硅溶胶/高分子乳液复合涂料对紫外光和可见光屏蔽效果与涂层厚度关系图；
图3为未添加改性纳米氧化锌的外墙涂料对紫外光和可见光屏蔽效果与涂层厚度关系图。
具体实施方式
下面结合实施例和附图对本发明作进一步详细的描述，但本发明的实施方式不限于此。
本发明提供了一种抗菌抗老化硅溶胶/高分子乳液复合涂料，其组成按重量份如下：硅溶胶100-150份，高分子乳液60-100份，滑石粉80-100份，硅灰石30-64份，改性纳米氧化锌10-20份，硅烷偶联剂0.5-2份，成膜助剂2-6份，分散剂1-3份，增稠剂1-3份，流平剂0.5-2份，消泡剂0.5-2份，水10-30份。
本发明还提供了上述抗菌抗老化硅溶胶/高分子乳液复合涂料的制备方法，具体步骤为：
(1)将硅溶胶与硅烷偶联剂于三口瓶中常温搅拌反应4.5h后，加入高分子乳液和成膜助剂，再用氨水调节pH值，继续搅拌2h后，即得硅溶胶-高分子乳液的无机/有机复合乳液；
(2)将研磨分散至合适细度滑石粉和硅灰石、改性纳米氧化锌、增稠剂、分散剂、流平剂、消泡剂与水，加入到无机/有机复合乳液中，400rpm搅拌30min，制得复合涂料。测得该复合涂料的涂-4粘度为70-80s。
本发明所使用的硅烷偶联剂、成膜助剂、增稠剂、分散剂、消泡剂、流平剂、颜填料等均为制备涂料常用产品。高分子乳液为纯丙乳液和醋丙乳液之一，硅溶胶优选为常见的碱性硅溶胶。本发明所研制的抗菌抗老化硅溶胶/高分子乳液复合涂料作为外墙涂料，具有优异抗菌性能和抗紫外老化性能，可采用辊涂、刷涂、喷涂等方式进行施工。
本发明实施例中所使用的成膜助剂、增稠剂、分散剂、流平剂、消泡剂生产厂家为广州市润宏化工有限公司。其中，成膜助剂为Texanol酯醇，增稠剂为羟乙基纤维素(HEC)，分散剂为SN5040系列分散剂，流平剂为R3018有机硅流平剂，消泡剂为NXZ系列流平剂。硅溶胶为碱性硅溶胶，工业级，二氧化硅含量为32％，购于佛山市顺德区金洹贸易有限公司。
本发明实施例中所使用的改性纳米氧化锌通过以下改性实验制得：取一定量的KH550硅烷偶联剂超声分散于水-乙醇溶液中，加入纳米氧化锌(质量比硅烷偶联剂：纳米氧化锌＝1:100)，恒温60℃搅拌2h后，过滤，无水乙醇洗涤3次以上，将滤饼置于80℃真空烘箱干燥，得改性纳米氧化锌。
改性后纳米氧化锌红外图谱如图1所示，经KH550硅烷偶联剂改性的纳米氧化锌在2757cm-1、2280cm-1处出现了新的吸收峰，说明KH550与氧化锌发生了分子反应，即KH550成功接枝于氧化锌。这利于纳米氧化锌与硅溶胶/高分子乳液的结合，利于其在基体中的分散。
实施例1
一种抗菌抗老化硅溶胶/高分子乳液复合涂料的制备方法，包括以下步骤：
(1)硅溶胶/纯丙复合乳液的制备：将硅溶胶与KH550硅烷偶联剂于三口瓶中常温搅拌反应4.5h后，加入纯丙乳液和Texanol酯醇，再用氨水调节pH值，继续搅拌2h后，即得硅溶胶-纯丙乳液的无机/有机复合乳液。
选用正交表L16(44)来安排试验，各因素、水平选取如下：A为硅溶胶与纯丙乳液重量比；B为体系的pH值；C为硅烷偶联剂与硅溶胶用量比；D为成膜助剂与纯丙乳液用量比，具体如表1。
表1 各因素正交表
以吸水率为指标，确定A4B3C4D2为最优方案。硅溶胶与纯丙乳液重量比为3:2，pH为9，硅烷偶联剂占硅溶胶重量比为0.9％，成膜助剂占纯丙乳液重量比为3.1％，所制备的硅溶胶/纯丙复合乳液的吸水率最低。
综上，本实施例中硅溶胶/纯丙复合乳液的制备配方为：硅溶胶150kg、纯丙乳液100kg、硅烷偶联剂1.35kg、Texanol酯醇3.1kg。
(2)抗菌抗老化硅溶胶/纯丙乳液复合涂料的制备：将研磨分散至过200目筛的滑石粉80kg和硅灰石53.5kg、改性纳米氧化锌15kg、增稠剂1.8kg、分散剂1.8kg、流平剂0.7kg、消泡剂0.7kg与水30kg，加入到254.45kg步骤(1)制得的硅溶胶/纯丙复合乳液中，400rpm搅拌30min，制得硅溶胶/纯丙乳液复合涂料。该涂料的涂-4粘度为80s。
实施例2
一种抗菌抗老化硅溶胶/高分子乳液复合涂料的制备方法，包括以下步骤：
(1)硅溶胶/醋丙复合乳液的制备：将硅溶胶与KH550硅烷偶联剂于三口瓶中常温搅拌反应4.5h后，加入醋丙乳液和Texanol酯醇，再用氨水调节pH值，继续搅拌2h后，即得硅溶胶-醋丙乳液的无机/有机复合乳液。
选用正交表L16(44)来安排试验，各因素、水平选取如下：A为硅溶胶与醋丙乳液重量比；B为体系的pH值；C为硅烷偶联剂与硅溶胶用量比；D为成膜助剂与醋丙乳液用量比，具体如表2。
表2 各因素正交表
以吸水率为指标，确定A3B3C1D2为最优方案。硅溶胶与醋丙乳液重量比为1:1，pH为9，硅烷偶联剂占硅溶胶重量比为1.2％，成膜助剂占醋丙乳液重量比为3.1％，所制备的硅溶胶/醋丙复合乳液的吸水率最低。
综上，本实施例中硅溶胶/醋丙复合乳液的制备配方为：硅溶胶100kg、醋丙乳液100kg、硅烷偶联剂1.2kg、Texanol酯醇3.1kg。
(2)抗菌抗老化硅溶胶/醋丙乳液复合涂料的制备：将研磨分散过200目筛的滑石粉96kg和硅灰石64kg、改性纳米氧化锌10.8kg、增稠剂2.16kg、分散剂2.16kg、流平剂0.8kg、消泡剂0.8kg与水24kg，加入到204.3kg步骤(1)制得的硅溶胶/醋丙复合乳液中，400rpm搅拌30min，制得硅溶胶/醋丙乳液复合涂料。该复合涂料的涂-4粘度为75s。
本发明制备的抗菌抗老化硅溶胶/高分子乳液复合涂料性能，依据GB/T9756-2001标准所测数据如表3所示，其中的硅溶胶/纯丙乳液复合涂料是指实施例1制得的复合涂料，硅溶胶/醋丙乳液复合涂料是指实施例2制备的复合涂料，纯丙涂料和醋丙涂料由佛山市顺德区金洹贸易有限公司提供。
表3 本发明抗菌抗老化硅溶胶/高分子乳液复合涂料性能数据
从表3中可看到，本发明制备的抗菌抗老化硅溶胶/高分子乳液复合涂料具有优异的附着力和抗老化性能。这是因为本发明通过硅烷偶联剂改性硅溶胶，使硅溶胶与高分子乳液形成无机/有机核壳结构，使基料在分子结构上呈现良好的均匀分散，更大地发挥硅溶胶在建筑外墙涂料上的优势作用：提高涂层附着力、耐水性等。
本发明制备的抗菌抗老化硅溶胶/高分子乳液的涂层表面对金黄色葡萄球菌和大肠杆菌的抑菌检测数据如表4所示。检测依据标准：GB/T4789.2；金黄色葡萄球菌和大肠杆菌由广州市微生物研究所提供。
表4 本发明抗菌抗老化硅溶胶/高分子乳液复合涂料抑菌数据
图2为本发明实施例1制备的抗菌抗老化硅溶胶/高分子乳液复合涂料对紫外光和可见光屏蔽效果与涂层厚度关系图。图3为未添加改性纳米氧化锌的外墙涂料对紫外光和可见光屏蔽效果与涂层厚度关系图(该未添加改性纳米氧化锌的涂料是按照实施例1的工艺，除了不添加改性纳米氧化锌制得的涂料)。
从表4、图2和图3可看出，本发明通过简单工艺所研制的抗菌抗老化硅溶胶/高分子乳液复合涂料除具有外墙涂料的一般性能外，还具有良好的抗菌防霉性、耐污性及抗紫外老化性能，特别是在湿度大、日照长的地方具有竞争优势。建筑外墙涂料的应用环境较恶劣，很多因素均可以导致涂层的老化，其中以紫外线老化破坏性最大。当在涂料中添加改性纳米氧化锌后，涂层对250nm、300nm的紫外光有明显屏蔽，可以延缓涂层老化，但对可见光屏蔽作用相对较弱。
上述实施例为本发明较佳的实施方式，但本发明的实施方式并不受上述实施例的限制，其他的任何未背离本发明的精神实质与原理下所作的改变、修饰、替代、组合、简化，均应为等效的置换方式，都包含在本发明的保护范围之内。

Claims (10)

1.一种抗菌抗老化硅溶胶/高分子乳液复合涂料，其特征在于，其原料按重量份包括：硅溶胶100-150份，高分子乳液60-100份，滑石粉80-100份，硅灰石30-64份，改性纳米氧化锌10-20份，硅烷偶联剂0.5-2份，成膜助剂2-6份，分散剂1-3份，增稠剂1-3份，流平剂0.5-2份，消泡剂0.5-2份，水10-30份。
2.根据权利要求1所述的抗菌抗老化硅溶胶/高分子乳液复合涂料，其特征在于，所述的高分子乳液为纯丙乳液或醋丙乳液。
3.根据权利要求2所述的抗菌抗老化硅溶胶/高分子乳液复合涂料，其特征在于，所述高分子乳液为纯丙乳液时，硅溶胶与纯丙乳液重量比为3:2，硅烷偶联剂占硅溶胶重量的0.9％，成膜助剂占纯丙乳液重量的3.1％。
4.根据权利要求2所述的抗菌抗老化硅溶胶/高分子乳液复合涂料，其特征在于，所述高分子乳液为醋丙乳液时，硅溶胶与醋丙乳液重量比为1:1，硅烷偶联剂占硅溶胶重量的1.2％，成膜助剂占醋丙乳液重量的3.1％。
5.根据权利要求1所述的抗菌抗老化硅溶胶/高分子乳液复合涂料，其特征在于，所述的改性纳米氧化锌是指通过KH550硅烷偶联剂改性后的纳米氧化锌，所述的改性纳米氧化锌平均粒径为20-80nm，形状为球形。
6.根据权利要求1所述的抗菌抗老化硅溶胶/高分子乳液复合涂料，其特征在于，所述成膜助剂为Texanol酯醇；所述的硅溶胶为碱性硅溶胶；所述硅烷偶联剂为KH550硅烷偶联剂。
7.如权利要求1所述的抗菌抗老化硅溶胶/高分子乳液复合涂料的制备方法，其特征在于，包括以下步骤：
(1)将硅溶胶与硅烷偶联剂常温搅拌反应4.5h后，加入高分子乳液和成膜助剂，再用氨水调节pH值，继续搅拌2h后，得硅溶胶-高分子乳液的无机/有机复合乳液；
(2)将研磨分散过200目筛的滑石粉和硅灰石、改性纳米氧化锌、增稠剂、分散剂、流平剂、消泡剂与水，加入到步骤(1)制得的乳液中，400rpm搅拌30min，即得所述抗菌抗老化硅溶胶/高分子乳液复合涂料。
8.根据权利要求7所述的抗菌抗老化硅溶胶/高分子乳液复合涂料的制备方法，其特征在于，步骤(1)中所述高分子乳液为纯丙乳液，硅溶胶/纯丙复合乳液的制备过程中，硅溶胶与纯丙乳液重量比为3:2，pH为9，硅烷偶联剂占硅溶胶重量的0.9％，成膜助剂占纯丙乳液重量的3.1％。
9.根据权利要求7所述的抗菌抗老化硅溶胶/高分子乳液复合涂料的制备方法，其特征在于，步骤(1)中所述高分子乳液为醋丙乳液，硅溶胶/醋丙复合乳液的制备过程中，硅溶胶与醋丙乳液重量比为1:1，pH为9，硅烷偶联剂占硅溶胶重量的1.2％，成膜助剂占醋丙乳液重量的3.1％。
10.如权利要求1所述的抗菌抗老化硅溶胶/高分子乳液复合涂料作为建筑外墙涂料的应用。
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