CN107502099B - 一种吸磁性纳米水性涂料及其制备方法和用途 - Google Patents

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Abstract

本发明提供一种吸磁性纳米水性涂料及其制备和用途。该涂料是用超顺磁性纳米粒子改性的涂料。其制备步骤：通过将超顺磁性四氧化三铁纳米粒子的胶体水分散液与涂料原料以一定比例混合均匀制得，其中25‑75％的乳液、15‑70％四氧化三铁胶体水分散液、0.05‑0.1％的防腐剂以及12‑20％的其它涂料助剂和余量的水。基于纳米粒子超顺磁性，本发明的吸磁性涂料只有在磁场存在时产生局部的强的诱导磁性，实现吸磁性。该涂料可赋予被涂覆表面吸磁功能，如利用该涂料，结合磁具，就可实现物品在墙体的稳定的固定或悬挂。该发明可以给生活带来很大的便捷，具有重要的实用价值，适合在学校、家庭、办公及各种需要贴挂物品的场合使用。

Description

一种吸磁性纳米水性涂料及其制备方法和用途
技术领域
本发明涉及涂料，具体属于一种吸磁性纳米水性涂料及其制备方法和用途。
背景技术
涂料经过多年的发展，应环保的要求，逐步从油性涂料发展到水性涂料，应消费者的需求及市场需要，开发多功能的水性涂料成为发展热点。现有涂料不仅要有好的装饰性、稳定的性能，而且需要具备诸如绝缘、防锈、防霉、耐热等的特殊的功能性质。在墙体进行涂料装饰后，应工作和生活的需求，人们往往需要在墙面上进行一些贴、挂等行为，同时会造成涂层的损坏，影响美观。如中国专利CN 104497777B开发了一种用于墙面涂覆作为教学板面的涂料，使用过程中板擦和笔只能通过钉子和挂钩在墙面上固定，这样会造成墙体涂层的损坏，影响墙面书写教学效果。因此，开发一种能满足贴、挂行为的功能涂料显得非常紧迫。作为功能涂料的主要组成之一，磁性涂料可以在此发挥作用。例如在不用钉子的情况下，人们可以把图纸或装饰品通过磁相互作用置于墙体上，在不破坏墙体美观性的条件下，达到装饰或使用的目的。磁性涂料的开发已有很多实例，中国专利CN 103409054 B通过在涂料中掺入磁粉，使涂料具有磁性，但利用该方法制备得到的涂料由于其永磁性的存在，使墙体具有电子屏蔽作用，不利于在家庭和办公场所使用，另外，由于其永磁性质，磁粉在涂覆前由于磁力的作用处于团聚的状态，不利于进行均匀的涂覆，给施工带来困难。中国专利CN 101538437A通过在涂料中加入非磁性的镍铁粉末，实现了涂层的吸磁表面特性，但其材料尺寸很大，不易在涂料中分散均匀，吸磁性质也有限。中国专利CN 104530964 A利用超顺磁性磁性纳米粒子作为填料制备了磁性涂料，解决了此类涂料中那纳米粒子团聚及电磁屏蔽的问题，但其为油性体系，不适用于水性涂料的制备。
另外，上述专利文献中均没有对磁性粒子的尺寸、磁性强弱及水溶性做出具体说明。水溶性对于磁性粒子填料在水性体系中的稳定性非常重要，好的水溶性，粒子与涂料中聚合物分子的相容性，是粒子在体系中的分散均匀性的保证，进而可以保证涂层性能。
发明内容
本发明的目的在于提供一种吸磁性纳米水性涂料及其制备方法，通过选择磁性纳米粒子的尺度及合理表面界面修饰，提高其在水性涂料中的分散稳定性、与涂层材料的相容性和涂层中的均匀性；通过调节材料的结构，保证强的饱和磁化强度，在磁场存在条件下能产生强的诱导磁性，进而保证其强的稳定的表面吸磁特性，提高使用的可靠性。
本发明的另一目的在于提供吸磁性水性涂料的用途，即：如将该涂料涂覆于教室墙面替代黑板、投影幕布，该墙面上可以放置带有磁铁的黑板擦、教学笔；在家庭墙面涂覆该涂层，可以通过磁性挂钩挂置衣物等。
本发明提供的一种吸磁性纳米水性涂料，其特征在于，组分按质量百分比计：
乳液 25-75，
超顺磁性四氧化三铁胶体水分散液 15-70
消光粉 1-5
玻璃粉 2-6
成膜剂 1-3
流平剂 0.3-0.8
消泡剂 0.2-0.5
增稠剂 0.5-3
防腐剂 0.05-0.1
去离子水 余量
所述乳液为水溶性乳液，如水溶性的纯丙乳液、丙烯酸乳液、苯丙乳液、橡胶乳液或它们的混合乳液。
所述超顺磁性四氧化三铁胶体水分散液，通过以下步骤制备得到：
(1)超顺磁性四氧化三铁纳米粒子的制备：在惰性气氛中，将碱性溶液注入含有铁源和稳定剂的二乙二醇溶液中，得到超顺磁性四氧化三铁磁性纳米粒子，其粒径为60-90nm，饱和磁化强度>60emu/g；所述碱性溶液为质量浓度为0.05-0.5g/mL的氢氧化钠二乙二醇溶液；所述铁源为无水氯化铁；所述稳定剂为分子量为1700-7000聚丙烯酸；
(2)将所得超顺磁性四氧化三铁磁性纳米粒子分散于水中得到胶体溶液，其胶体浓度为10-100mg/ml。
上述超顺磁性四氧化三铁纳米粒子具有高的饱和磁化强度，其表面被聚丙烯酸分子包覆，具有很好的水溶性。
所述消光粉为常规的主要成分为二氧化硅的消光剂产品，如OK520、TSA-230、TSA-250、TSA-260、TSA-270等水性消光粉；
所述玻璃粉为常规的市场产品，如B-3500，纳米玻璃粉等；
所述成膜剂为乙二醇、丙二醇、三丙二醇丁醚(DALPADC)等；
所述流平剂为聚醚型聚氨酯水性流平剂(DH-203、DH-205、DH-206等)及HF206流平剂等；
所述消泡剂为乙醇、正丁醇、辛醇、JLJ-6消泡剂、4164消泡剂、F-2消泡剂、DH-681FN消泡剂等；
所述增稠剂为羟乙基纤维素、甲基纤维素、羟丙基甲基纤维素、聚丙烯酸钠、聚丙烯酰胺等；
所述防腐剂为诺德Nordes C15、杀菌防腐剂、DH-LXE、CIT/MIT-14防腐剂、华科-981强力杀菌防腐剂、SZSH-4杀菌剂等；
所述吸磁性纳米水性涂料的制备方法，步骤为：按比例将乳液、超顺磁性四氧化三铁胶体水分散液、去离子水和1/2的消泡剂在反应器中高速搅拌混合均匀，然后依次加入消光粉、玻璃粉、成膜剂、增稠剂和防霉剂，高速搅拌混合均匀，然后加入流平剂和剩余的消泡剂低速搅拌均匀，即可得到吸磁性多功能纳米水性涂料。
与现有技术相比本发明的有益效果：
1.本发明涂料选用超顺磁性纳米粒子作为填料，在无磁场条件下无磁性，对电子信号不产生影响；
2.本发明涂料中填料超顺磁性四氧化三铁纳米粒子表面包覆聚丙烯酸分子，其粒径为60-90nm，与单体及树脂基体有很好的相容性，有利于实现其在涂层中的分散均匀性，涂层的粘附性更强；
3.本发明涂料中填料具有高饱和磁化强度(>60emu/g)，所得涂层吸磁性能强，性能稳定；
4.本发明涂料中填料为纳米尺度，适合多种涂覆工艺，粒子分散性好，无团聚态，在喷涂中不会出现堵死现象，且涂层表面光泽度、平整度更好；
5.本发明涂料在教室墙面涂覆后可以替代黑板、投影幕布，其上可以放置带有磁铁的黑板擦、教学笔等，方便教学。在家庭墙面涂覆该涂层，可以通过磁性挂钩挂置衣物等。
附图说明
图1超顺磁性四氧化三铁纳米粒子扫描电子显微镜照片
图2超顺磁性四氧化三铁纳米粒子傅里叶变换红外光谱
图3超顺磁性四氧化三铁纳米粒子磁化曲线
具体实施方式
实施例1
本发明涉及的吸磁性多功能纳米水性涂料的主要思路在将于一定尺寸(60-90nm)的具有很好水溶特性和聚合物相容性的超顺磁性纳米粒子作为填料加入水性涂料当中，其制备过程包括超顺磁性纳米粒子及其胶体分散液的制备及水性涂料的制备，下面就吸磁性丙烯酸水性涂料及其制备过程进行详细叙述：
1.超顺磁性四氧化三铁纳米粒子胶体水分散液的制备
(1)超顺磁性四氧化三铁纳米粒子的制备：将氢氧化钠加入到二乙二醇溶剂中，在氩气保护下加热到110℃，保持1h，然后降温到70℃，得到质量浓度为0.1g/mL的氢氧化钠溶液；取无水氯化铁和聚丙烯酸加入到二乙二醇溶剂中(相对于每毫摩尔的无水氯化铁，溶剂的用量为42mL)，在机械搅拌和氩气保护下的条件下将混合液加热到220℃，保持30min，其中无水氯化铁和聚丙烯酸的摩尔比为1:10；在220℃条件下将3.5mL氢氧化钠溶液在1s时间内注射到34mL无水氯化铁和聚丙烯酸的混合液中，注射后调节温度到210℃，并在该温度下使反应持续1h，将反应液自然降温到25℃，得到含有磁性纳米粒子的溶液；图1为所得磁性纳米粒子的扫描电子显微镜图片，图2为所得磁性纳米粒子傅里叶变换红外吸收光谱表征结果，图3为所得磁性纳米粒子的磁性能表征结果。
(2)超顺磁性四氧化三铁纳米粒子胶体水分散液的制备：用乙醇对上述步骤所得磁性纳米粒子进行离心清洗3次(10000r/min，20min)，最后将所得粒子分散到去离子水中，配置成浓度为60mg/ml的胶体溶液。
2.吸磁性纳米水性涂料的制备
原料配比：75ml水性丙烯酸乳液，38ml超顺磁性四氧化三铁纳米粒子胶体水分散液，1.58g消光粉，2.6g的玻璃粉，1.7g成膜剂，0.53g流平剂，0.53g消泡剂，1.32g增稠剂，0.08g防腐剂和5ml去离子水。
所述水性丙烯酸乳液，生产商：华豹涂料股份有限公司；
所述消光粉，型号：OK520，生产商：Evonik Degussa公司
所述玻璃粉，型号：B-3500，生产商：石家庄仁信有限公司；
所述成膜剂，产品名称：三丙二醇丁醚，生产商：北京赛德丽科技有限公司；
所述流平剂，型号：DH-206，生产商：上海市鼎和化学科技有限公司；
所述消泡剂，型号：JLJ-6，生产商：上海市富畦工贸有限公司；
所述增稠剂，产品名称：聚丙烯酸钠，生产商：苏州化工研究所有限公司
所述防腐剂，型号：SZSH-4，生产商：北京神舟晟华技贸有限公司；
所述吸磁性纳米水性涂料的制备方法，具体步骤如下：
(1)将上述描述量的水性丙烯酸乳液、去离子水、超顺磁性四氧化三铁纳米粒子胶体水分散液和一半的消泡剂在备料锅中并搅拌混合均匀；
(2)在混合均匀的原料中加入上述量的消光粉、玻璃粉、成膜剂、增稠剂和防腐剂并搅拌混合均匀，随后加入流平剂和剩余的消泡剂，低速搅拌均匀，即得到吸磁性丙烯酸纳米水性功能涂料。
实施例2
超顺磁性四氧化三铁纳米粒子胶体水分散液的制备同实施例1。吸磁性纳米水性涂料制备过程如下：
原料配比：70ml水性聚氨酯乳液，43ml超顺磁性四氧化三铁纳米粒子胶体分散液，1.32g消光粉，3.3g的玻璃粉，1.5g成膜剂，0.55g流平剂，0.52g消泡剂，1.40g增稠剂，0.09g防腐剂和6ml去离子水。
所述水性聚氨酯乳液，生产商：华豹涂料股份有限公司；
所述消光粉，型号：OK520，生产商：Evonik Degussa公司
所述玻璃粉，产品名称：纳米玻璃粉，生产商：连云港沃华新材料科技有限公司；
所述成膜剂，产品名称：丙二醇，生产商：北京赛德丽科技有限公司；
所述流平剂，型号：DH-203，生产商：上海市鼎和化学科技有限公司；
所述消泡剂，产品名称：正丁醇，生产商：上海市富畦工贸有限公司；
所述增稠剂，产品名称：甲基纤维素，生产商：苏州化工研究所有限公司
所述防腐剂，型号：SZSH-4，生产商：北京神舟晟华技贸有限公司；
吸磁性纳米水性涂料的制备方法，具体步骤如下：
(1)将上述描述量的水性聚氨酯乳液、去离子水、超顺磁性四氧化三铁纳米粒子胶体分散液和一半的消泡剂在备料锅中并搅拌混合均匀；
(2)在混合均匀的原料中加入上述量的消光粉、玻璃粉、成膜剂、增稠剂和防腐剂并搅拌混合均匀，随后加入流平剂和剩余的消泡剂，低速搅拌均匀，即得到吸磁性聚氨酯纳米水性功能涂料。

Claims (9)

1.一种吸磁性纳米水性涂料，其特征在于，组分按质量百分比计：
水溶性乳液 25-75，
超顺磁性四氧化三铁胶体水分散液 15-70
消光粉 1-5
玻璃粉 2-6
成膜剂 1-3
流平剂 0.3-0.8
消泡剂 0.2-0.5
增稠剂 0.5-3
防腐剂 0.05-0.1
去离子水 余量
所述超顺磁性四氧化三铁胶体水分散液，通过以下步骤制备得到：
(1)超顺磁性四氧化三铁纳米粒子的制备：在惰性气氛中，将碱性溶液注入含有铁源和稳定剂的二乙二醇溶液中，得到超顺磁性四氧化三铁磁性纳米粒子，其粒径为60-90nm，饱和磁化强度>60emu/g；所述碱性溶液为质量浓度为0.05-0.5g/mL的氢氧化钠二乙二醇溶液；所述铁源为无水氯化铁；所述稳定剂为分子量为1700-7000聚丙烯酸；
(2)将所得超顺磁性四氧化三铁磁性纳米粒子分散于水中得到胶体溶液，其胶体浓度为10-100mg/ml。
2.如权利要求1所述的水性涂料，其特征在于，所述水溶性乳液为水溶性的纯丙乳液、丙烯酸乳液、苯丙乳液、橡胶乳液或它们的混合乳液。
3.如权利要求1所述的水性涂料，其特征在于，所述消光粉为OK520、TSA-230、TSA-250、TSA-260、或TSA-270水性消光粉。
4.如权利要求1所述的水性涂料，其特征在于，所述玻璃粉为B-3500玻璃粉或纳米玻璃粉。
5.如权利要求1所述的水性涂料，其特征在于，所述成膜剂为乙二醇、丙二醇或三丙二醇丁醚。
6.如权利要求1所述的水性涂料，其特征在于，所述流平剂为聚醚型水性流平剂。
7.如权利要求1所述的水性涂料，其特征在于，所述消泡剂为乙醇、正丁醇、辛醇、JLJ-6消泡剂、4164消泡剂、F-2消泡剂或DH-681FN消泡剂。
8.如权利要求1所述的水性涂料，其特征在于，所述增稠剂为羟乙基纤维素、甲基纤维素、羟丙基甲基纤维素、聚丙烯酸钠或聚丙烯酰胺；所述防腐剂为诺德Nordes C15、杀菌防腐剂、DH-LXE防腐剂、CIT/MIT-14防腐剂、华科-981强力杀菌防腐剂、SZSH-4杀菌剂。
9.如权利要求1所述吸磁性纳米水性涂料的制备方法，其特征在于，步骤为：按比例将乳液、超顺磁性四氧化三铁胶体水分散液、去离子水和1/2的消泡剂在反应器中高速搅拌混合均匀，然后依次加入消光粉、玻璃粉、成膜剂、增稠剂和防霉剂，高速搅拌混合均匀，然后加入流平剂和剩余的消泡剂低速搅拌均匀，即可得到吸磁性多功能纳米水性涂料。
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