CN107011533B - 一种水性聚氨酯涂层的表面矿化方法 - Google Patents

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Abstract

本发明公开了一种水性聚氨酯涂层的表面矿化方法，其特征在于：是在硅烷偶联剂封端的水性聚氨酯涂层的表面涂覆硅溶胶，然后室温矿化后，即得表面矿化的水性聚氨酯涂层。本发明的矿化方法简单、反应条件温和，对环境友好；通过对水性聚氨酯进行表面矿化，一方面可以缩短水性聚氨酯的固化时间；另一方面可以提高水性聚氨酯涂层的力学性能、延长使用寿命，膜的硬度、耐磨性、耐划痕性、耐腐蚀性、耐热性等性能都会得到提升。

Description

一种水性聚氨酯涂层的表面矿化方法
技术领域
本发明涉及一种水性聚氨酯涂层的表面矿化方法。
背景技术
水性聚氨酯以水替代有机溶剂作为分散介质，除具有溶剂型聚氨酯的优异性能外，还具有耐油、耐低温、耐屈挠、耐化学品、安全可靠、施工过程不易燃易爆、无毒、无环境污染等优势，现今已广泛应用于轻纺、皮革、木材加工、建筑、造纸等行业。但是其耐水性、耐热性、固化速度、力学性能等都有待提高。
发明内容
本发明公开了一种水性聚氨酯涂层的表面矿化方法，目的是通过在水性聚氨酯表面矿化一层二氧化硅薄膜，来得到一种固化速度快、硬度高、耐划痕、耐高温的水性聚氨酯。
本发明为实现发明目的，采用如下技术方案：
本发明水性聚氨酯涂层的表面矿化方法，包括如下步骤：
步骤一：将硅烷偶联剂封端的水性聚氨酯乳液均匀涂覆在基材上，室温放置成膜，形成水性聚氨酯涂层；此步骤的目的是提供矿化位点。
步骤二：将含硅化合物与水混合搅拌均匀，配置成硅质量含量为5％～10％的水溶液，然后加入pH调节剂调节pH值为3～10，获得硅溶胶；此步骤的目的是提供矿化物质。
步骤三：将所述硅溶胶涂覆在水性聚氨酯涂层表面，室温下矿化后，即得表面矿化的水性聚氨酯涂层。此步骤为矿化步骤，目的是在聚氨酯表面矿化一层二氧化硅薄膜。
优选的，步骤一中所述的硅烷偶联剂为3-氨丙基三乙氧基硅烷、3-(2,3-环氧丙氧)丙基三甲氧基硅烷、3-(甲基丙烯酰氧)丙基三甲氧基硅烷或3-巯丙基三甲氧基硅烷中的至少一种。
优选的，步骤一中所述的水性聚氨酯为阴离子型水性聚氨酯或阳离子型水性聚氨酯中的一种。当为阴离子型水性聚氨酯时，步骤二中调节pH值为3～7；当为阳离子型水性聚氨酯时，步骤二中调节pH值为7～10。调节pH的目的是为了在步骤三进行矿化的过程中提供一个静电相互作用力来提高矿化效率。
优选的，步骤一中所述的放置时间为12～36小时。
优选的，步骤二中所述的含硅化合物为硅酸钠、硅酸钾、偏硅酸钠、偏硅酸钾、正硅酸甲酯或正硅酸乙酯。
优选的，步骤二中所述的pH调节剂为氢氧化钠、氢氧化钾、氨水、盐酸、碳酸钠、碳酸钾、柠檬酸、乙酸或乳酸中的至少一种。
优选的，步骤三中所述的涂覆方法为刷涂、喷涂或者浸渍中的一种。
优选的，步骤三中所述的矿化时间为12～36小时。
与已有技术相比，本发明的有益效果体现在：
1、本发明通过静电作用和溶胶-凝胶法对水性聚氨酯进行表面矿化，一方面促进了水性聚氨酯中硅羟基的缩合，大幅度缩短了水性聚氨酯的固化速度；另一方面水性聚氨酯表面矿化的二氧化硅薄膜是通过硅烷偶联剂封端的水性聚氨酯在乳化过程中硅烷偶联剂水解产生的硅羟基与硅溶胶中的硅羟基发生共价键作用，其结合力强、性能稳定，可以使水性聚氨酯具有二氧化硅的力学和热力学性能，可延长聚氨酯的使用寿命；
2、相比普通水性聚氨酯，本发明表面矿化的水性聚氨酯具有硬度高、耐划痕、耐高温等优点。
3、本发明的矿化方法简单、原料来源广泛、反应条件温和，对环境友好，便于最终实现大规模生产。
附图说明
图1中a)、b)、c)依次为本发明实施例1、2、3所制备的表面矿化的水性聚氨酯的SEM图。
具体实施方式
下面通过实施例对本发明进行进一步说明，但并不因此将本发明限制在所述实施例的范围之中。
实施例1
本实施例按如下步骤对3-巯丙基三甲氧基硅烷封端的阳离子型水性聚氨酯进行表面矿化：
步骤一：将3-巯丙基三甲氧基硅烷封端的阳离子型水性聚氨酯乳液均匀涂覆在基材上，室温下放置36h，形成水性聚氨酯涂层备用。
步骤二：将正硅酸乙酯与水混合搅拌均匀，配置成硅质量含量为5％的水溶液，然后加入氢氧化钠调节pH值为8后，获得硅溶胶。
步骤三：将硅溶胶通过喷涂的方法涂覆在水性聚氨酯涂层表面，室温下矿化12h后，即得表面矿化的水性聚氨酯，其SEM图见于图1a)。
本实施例以普通马口铁为基材获得产品技术指标见表1：
表1
Figure BDA0001285616600000021
Figure BDA0001285616600000031
实施例2
本实施例按如下步骤对3-(甲基丙烯酰氧)丙基三甲氧基硅烷封端的阴离子型水性聚氨酯进行表面矿化：
步骤一：将3-(甲基丙烯酰氧)丙基三甲氧基硅烷封端的阴离子型水性聚氨酯乳液均匀涂覆在基材上，室温下放置18h后，形成水性聚氨酯涂层备用。
步骤二：将偏硅酸钠与水混合搅拌均匀，配置成硅质量含量为7％的水溶液，然后加入氢氧化钠调节pH值为4后，获得硅溶胶。
步骤三：将硅溶胶通过浸渍的方法涂覆在水性聚氨酯涂层表面，室温下矿化16h后，即得表面矿化的水性聚氨酯，其SEM图见于图1b)。
本实施例以普通马口铁为基材获得产品技术指标见表2：
表2
性能 矿化前 矿化后
表干时间 4h 10min
实干时间 18h 16h
附着力 1级 1级
漆膜硬度 H 3H
最大分解温度 368℃ 403℃
耐磨损 100圈，质量损失＜5mg 100圈，质量损失＜3mg
自腐蚀电流密度 4.82×10<sup>-7</sup>A·cm<sup>-2</sup> 6.24×10<sup>-8</sup>A·cm<sup>-2</sup>
实施例3
本实施例按如下步骤对3-氨丙基三乙氧基硅烷封端的阳离子型水性聚氨酯进行表面矿化：
步骤一：将3-氨丙基三乙氧基硅烷封端的阳离子型水性聚氨酯乳液均匀涂覆在基材上，室温下放置24h后，形成水性聚氨酯涂层备用。
步骤二：将硅酸钠与水混合搅拌均匀，配置成硅质量含量为10％的水溶液，然后加入氢氧化钠调节pH值为10后，获得硅溶胶。
步骤三：将硅溶胶通过刷涂的方法涂覆在水性聚氨酯涂层表面，室温下矿化24h后，即得表面矿化的水性聚氨酯，其SEM图见于图1c)。
本实施例以普通马口铁为基材获得产品技术指标见表3：
表3
性能 矿化前 矿化后
表干时间 4h 8min
实干时间 24h 24h
附着力 1级 1级
漆膜硬度 H 4H
最大分解温度 374℃ 414℃
耐磨损 100圈，质量损失＜5mg 100圈，质量损失＜2mg
自腐蚀电流密度 3.98×10<sup>-7</sup>A·cm<sup>-2</sup> 2.34×10<sup>-8</sup>A·cm<sup>-2</sup>
以上所述仅为本发明的较佳实施例而已，并不用以限制本发明，凡在本发明的精神和原则之内所作的任何修改、等同替换和改进等，均应包含在本发明的保护范围之内。

Claims (8)

1.一种水性聚氨酯涂层的表面矿化方法，其特征在于，包括如下步骤：
步骤一：将硅烷偶联剂封端的水性聚氨酯乳液均匀涂覆在基材上，室温放置成膜，形成水性聚氨酯涂层；所述的水性聚氨酯为阴离子型水性聚氨酯或阳离子型水性聚氨酯中的一种；
步骤二：将含硅化合物与水混合搅拌均匀，配置成硅质量含量为5％～10％的水溶液，然后加入pH调节剂调节pH值为3～10，获得硅溶胶；
当所述的水性聚氨酯为阴离子型水性聚氨酯时，调节pH值为3～7；当所述的水性聚氨酯为阳离子型水性聚氨酯时，调节pH值为7～10；
步骤三：将所述硅溶胶涂覆在水性聚氨酯涂层表面，室温下矿化后，即得表面矿化的水性聚氨酯涂层。
2.根据权利要求1所述的水性聚氨酯涂层的表面矿化方法，其特征在于：步骤一中所述的硅烷偶联剂为3-氨丙基三乙氧基硅烷、3-(2,3-环氧丙氧)丙基三甲氧基硅烷、3-(甲基丙烯酰氧)丙基三甲氧基硅烷或3-巯丙基三甲氧基硅烷中的至少一种。
3.根据权利要求1所述的水性聚氨酯涂层的表面矿化方法，其特征在于：步骤一中所述的放置时间为12～36小时。
4.根据权利要求1所述的水性聚氨酯涂层的表面矿化方法，其特征在于：步骤二中所述的含硅化合物为硅酸钠、硅酸钾、偏硅酸钠、偏硅酸钾、正硅酸甲酯或正硅酸乙酯。
5.根据权利要求1所述的水性聚氨酯涂层的表面矿化方法，其特征在于：步骤二中所述的pH调节剂为氢氧化钠、氢氧化钾、氨水、盐酸、碳酸钠、碳酸钾、柠檬酸、乙酸或乳酸中的至少一种。
6.根据权利要求1所述的水性聚氨酯涂层的表面矿化方法，其特征在于：步骤三中所述的涂覆方法为刷涂、喷涂或者浸渍中的一种。
7.根据权利要求1所述的水性聚氨酯涂层的表面矿化方法，其特征在于：步骤三中所述的矿化时间为12～36小时。
8.一种通过权利要求1～7中任意一项所述方法所获得的表面矿化的水性聚氨酯涂层。
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