CN107652868B - 一种含氟氧化石墨烯改性聚氨酯涂料及其制备方法和应用 - Google Patents

一种含氟氧化石墨烯改性聚氨酯涂料及其制备方法和应用 Download PDF

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Abstract

本发明公开了一种含氟氧化石墨烯改性聚氨酯涂料及其制备方法和应用，聚氨酯涂料中包含含氟氧化石墨烯组分，具体制备方法为：采用含氟单体改性的氧化石墨烯作为聚氨酯涂料的改性剂，再将含氟氧化石墨烯与聚氨酯树脂按照一定比例机械混匀，得到含氟氧化石墨烯改性聚氨酯涂料。该聚氨酯涂料制备工艺简单，疏水性能优良。将其应用到汽车面漆中，能有效提高汽车面漆的疏水性、耐老化性以及力学性能，在汽车漆市场乃至涂料领域均具有很大的市场前景。

Description

一种含氟氧化石墨烯改性聚氨酯涂料及其制备方法和应用
技术领域
本发明属于高分子合成技术领域，涉及一种含氟氧化石墨烯改性聚氨酯涂料及其制备方法和应用。
背景技术
聚氨酯涂料是20世纪60年代开始兴起的一种涂料技术，具有优异的耐磨性，附着力强；优异的耐化学品性和耐油性，氨酯键不与酸、碱、油类发生反应；高反应性(低温固化性能)；高装饰和保护性能。聚氨酯涂料在美国的增长率是涂料工业增长的两倍，是涂料工业发展中增长最快的品种之一。在汽车工业发达国家中，聚氨酯汽车涂料的用量在涂料产量中占有很重要的地位，代表着涂料的发展水平。在欧洲聚氨酯汽车涂料占60％，美国为55％，高于建筑家具涂料。我国的聚氨酯涂料是在上世纪80年代以后得到了迅速发展，在1997年，我国的聚氨酯涂料已经占涂料总量的2.5％，达到3.5万吨；2008年聚氨酯涂料占我国涂料总量的9％，其中汽车漆市场占40％。
石墨烯是碳原子以苯环结构(即六角形蜂巢结构)周期性紧密堆积构成的单层原子厚度的超薄二维材料，被公认为21世纪的“未来材料”和“革命性材料”。石墨烯具有以下突出的优点：散热好；导电佳；超强韧；轻薄。除了优异的传导性能及力学性能之外，石墨烯还具有铁磁性等磁性能、独特的光学性能。氧化石墨烯(GO)作为石墨烯的前驱体，可由鳞片石墨经强氧化得到，从而引入大量含氧官能团。这些官能团可用于聚合物的共价改性，提高聚合物的性能。
近几年，人们尝试不同方法合成了石墨烯/聚氨酯复合材料，但是仍然存在一些不足，例如氧化石墨烯的引入会造成材料的导电性相对于石墨烯大大降低等。
发明内容
本发明的目的在于提供一种含氟氧化石墨烯改性聚氨酯涂料及其制备方法和应用，聚氨酯涂料中包含氟功能化的氧化石墨烯组分，提高聚氨酯的防污性、疏水性和耐老化性。
所述含氟氧化石墨烯是一类由带有羟基官能团的含氟单体改性的氧化石墨烯。其通式为 CR1F2-CF2-C(R2)(R3)-(CH2)n-O-GO。其中，R1，R2，R3＝H，CH3或CH2CH3，n＝1～20，当n＝1， R1，R2，R3＝H时，其结构示意具体如下：
本发明解决其技术问题所采用的技术方案之一是：
一种含氟氧化石墨烯改性聚氨酯涂料的制备方法，包括：
1)所述含氟氧化石墨烯的合成步骤：
将石墨粉、质量浓度为98％的H2SO4和质量浓度为85％的H3PO4混合；在冰浴条件下，缓慢加入KMnO4，将混合液保持在40～50℃下搅拌反应；将反应得到的混合液冷却至室温后，倒在用去离子水制成的冰块上，在搅拌下加入质量浓度为18～32％的H2O2，此时混合液由紫黑色转变成亮黄色，将混合物过滤后，用质量浓度为9～11％的HCl离心洗涤5次，去除残留物；再水洗离心5次，然后冻干再分散超声，得到棕色的氧化石墨烯(GO)；取制备的GO和二环己基碳二亚胺(DCC)超声分散于乙醇中，然后加入含氟单体超声分散，所述氧化石墨烯、二环己基碳二亚胺、含氟单体的质量比为0.8～1.2:0.8～1.2:3.5～4.5；置于室温下搅拌反应46～ 50h；反应结束后，经离心，乙醇洗涤除去未反应的单体，经冷冻干燥后得到含氟氧化石墨烯；
2)所述含氟氧化石墨烯改性聚氨酯涂料的合成步骤：
将步骤1)得到的含氟氧化石墨烯加入到稀释剂中，超声30min，然后置于磁力搅拌装置上进行搅拌30min，得到分散液；将树脂加入到上述分散液中，超声后进行磁力搅拌15min，最后迅速加入固化剂，超声后，搅拌15min。均匀涂覆在洗净的玻璃片上，室温下，放置22～ 38h使其固化得到含氟氧化石墨烯改性聚氨酯；其中，所述含氟氧化石墨烯、稀释剂、树脂、固化剂的质量比为0.004～0.055:0.4～1.2:4～6:1.2～3。
所述步骤1)中，含氟单体为三氟乙醇、四氟丙醇、六氟异丙醇、六氟丁醇中的一种。
所述步骤2)中，树脂为聚氨酯树脂、羟基丙烯酸树脂；
所述步骤2)中，稀释剂为丙二醇丁醚、二丙二醇丁醚、二丙二醇甲醚、邻苯二甲酸二乙酯、醋酸正丁酯中的一种或几种；
所述步骤2)中，固化剂为亲水改性HDI三聚体、亲水改性IPDI三聚体中的一种或几种；
本发明解决其技术问题所采用的技术方案之二是：
根据上述制备方法所制备的含氟氧化石墨烯改性聚氨酯涂料。
本发明解决其技术问题所采用的技术方案之三是：
上述含氟氧化石墨烯改性聚氨酯涂料在汽车面漆中的用途。
本发明所述一种含氟氧化石墨烯改性聚氨酯涂料及其制备方法和应用，相较于现有技术，具有以下有益效果：
(1)采用含氟单体改性的氧化石墨烯作为聚氨酯涂料的改性剂，赋予聚氨酯涂料优良的疏水性能，达到防污效果，同时机械性能有所提高。
(2)含氟氧化石墨烯改性聚氨酯涂料制备工艺简单，将其应用到汽车面漆中，能有效提高汽车面漆的疏水性、耐老化性以及力学性能。
附图说明
下面结合附图和实施例对本发明作进一步说明。
图1是实施例1得到的含氟氧化石墨烯以及氧化石墨烯的红外谱图。
图2是实施例1得到的未添加含氟氧化石墨烯改性聚氨酯涂层的接触角。
图3是实施例1得到的含氟氧化石墨烯改性聚氨酯涂层的接触角。
具体实施方式
实施例1
1)含氟氧化石墨烯的制备：
将石墨粉放进烧瓶中，并加入质量浓度为98％的H2SO4和质量浓度为85％的H3PO4；在冰浴条件下，缓慢加入KMnO4，将混合液保持在40～50℃下搅拌反应；将反应得到的混合液冷却至室温后，倒在用去离子水制成的冰块上，在搅拌下加入质量浓度为30％的H2O2，此时混合液由紫黑色转变成亮黄色；将混合液过滤后，用质量浓度为10％的HCl离心洗涤5次，去除残留物；再水洗离心5次，然后冻干再分散超声，得到棕色的氧化石墨烯GO；取0.1g制备的氧化石墨烯(GO)和0.1g的二环己基碳二亚胺(DCC)超声分散于装有100ml乙醇的圆底烧瓶中，然后加入0.4g四氟丙醇超声分散，置于室温下搅拌反应48h；反应结束后，经离心，乙醇洗涤除去未反应的单体，经冷冻干燥后得到含氟氧化石墨烯；
2)含氟氧化石墨烯改性聚氨酯的制备：
按照配方用量将0.025g的含氟氧化石墨烯加入到0.5g的稀释剂中，超声30min，然后置于磁力搅拌装置上进行搅拌30min，得到分散液；将5g树脂加入到上述分散液中，超声后进行磁力搅拌15min，最后迅速加入2.5g的固化剂，超声后，搅拌15min；均匀涂覆在洗净的玻璃片上，室温下，放置24h使其固化得到含氟氧化石墨烯改性聚氨酯。
另参照上述步骤2)但不添加含氟氧化石墨烯，得到未添加含氟氧化石墨烯的聚氨酯涂层。与本实施例制备的添加了含氟氧化石墨烯的改性聚氨酯涂层进行对比测试，结果如图2和图3 所示，未添加含氟氧化石墨烯改性聚氨酯涂层的接触角为77.4°，含氟氧化石墨烯改性聚氨酯涂层的接触角为100.7°(接触角小于90°，表明固体表面是亲水性的；接触角大于90°，表明固体表面是疏水性的)。说明了涂层由亲水性转变为疏水性，达到改性防污的效果。
实施例2
含氟氧化石墨烯的制备：
将石墨粉放进烧瓶中，并加入质量浓度为98％的H2SO4和质量浓度为85％的H3PO4；在冰浴条件下，缓慢加入KMnO4，将混合液保持在40～50℃下搅拌反应；将反应得到的混合液冷却至室温后，倒在用去离子水制成的冰块上，在搅拌下加入质量浓度为30％的H2O2，此时混合液由紫黑色转变成亮黄色；将混合液过滤后，用质量浓度为10％的HCl离心洗涤5次，去除残留物；再水洗离心5次，然后冻干再分散超声，得到棕色的氧化石墨烯GO；取0.1g制备的氧化石墨烯(GO)和二环己基碳二亚胺(DCC)超声分散于装有乙醇的圆底烧瓶中。然后加入0.4g三氟乙醇超声分散，置于室温下搅拌反应48h；反应结束后，经离心，乙醇洗涤除去未反应的单体，经冷冻干燥后得到含氟氧化石墨烯。
2)含氟氧化石墨烯改性聚氨酯的制备：
按照配方用量将0.05g的含氟氧化石墨烯加入到1.0g的稀释剂中，超声30min，然后置于磁力搅拌装置上进行搅拌30min，得到分散液；将5.0g树脂加入到上述分散液中，超声后进行磁力搅拌15min，最后迅速加入2.5g的固化剂，超声后，搅拌15min；均匀涂覆在洗净的玻璃片上，室温下，放置24h使其固化得到含氟氧化石墨烯改性聚氨酯。
实施例3
1)含氟氧化石墨烯的制备：
将石墨粉放进烧瓶中，并加入质量浓度为98％的H2SO4和质量浓度为85％的H3PO4；在冰浴条件下，缓慢加入KMnO4，将混合液保持在40～50℃下搅拌反应；将反应得到的混合液冷却至室温后，倒在用去离子水制成的冰块上，在搅拌下加入质量浓度为30％的H2O2，此时混合液由紫黑色转变成亮黄色；将混合液过滤后，用质量浓度为10％的HCl离心洗涤5次，去除残留物；再水洗离心5次，然后冻干再分散超声，得到棕色的氧化石墨烯GO；取0.2g制备的氧化石墨烯(GO)和0.2g二环己基碳二亚胺(DCC)超声分散于装有乙醇的圆底烧瓶中。然后加入0.8g六氟丁醇超声分散，置于室温下搅拌反应48h；反应结束后，经离心，乙醇洗涤除去未反应的单体，经冷冻干燥后得到含氟氧化石墨烯。
2)含氟氧化石墨烯改性聚氨酯的制备：
按照配方用量将0.025g的含氟氧化石墨烯加入到0.5g的稀释剂中，超声30min，然后置于磁力搅拌装置上进行搅拌30min，得到分散液；将5g树脂加入到上述分散液中，超声后进行磁力搅拌15min，最后迅速加入1.25g的固化剂，超声后，搅拌15min；均匀涂覆在洗净的玻璃片上，室温下，放置36h使其固化得到含氟氧化石墨烯改性聚氨酯。
实施例4
1)含氟氧化石墨烯的制备：
将石墨粉放进烧瓶中，并加入质量浓度为98％的H2SO4和质量浓度为85％的H3PO4；在冰浴条件下，缓慢加入KMnO4，将混合液保持在40～50℃下搅拌反应；将反应得到的混合液冷却至室温后，倒在用去离子水制成的冰块上，在搅拌下加入质量浓度为30％的H2O2，此时混合液由紫黑色转变成亮黄色；将混合液过滤后，用质量浓度为10％的HCl离心洗涤5次，去除残留物；再水洗离心5次，然后冻干再分散超声，得到棕色的氧化石墨烯GO；取0.3g制备的氧化石墨烯(GO)和0.3g二环己基碳二亚胺(DCC)超声分散于装有乙醇的圆底烧瓶中。然后加入1.2g四氟丙醇超声分散，置于室温下搅拌反应48h；反应结束后，经离心，乙醇洗涤除去未反应的单体，经冷冻干燥后得到含氟氧化石墨烯。
2)含氟氧化石墨烯改性聚氨酯的制备：
按照配方用量将0.005g的含氟氧化石墨烯加入到0.5g的稀释剂中，超声30min，然后置于磁力搅拌装置上进行搅拌30min，得到分散液；将5g树脂加入到上述分散液中，超声后进行磁力搅拌15min，最后迅速加入2.5g的固化剂，超声后，搅拌15min；均匀涂覆在洗净的玻璃片上，室温下，放置24h使其固化得到含氟氧化石墨烯改性聚氨酯。
实施例5
1)含氟氧化石墨烯的制备：
将石墨粉放进烧瓶中，并加入质量浓度为98％的H2SO4和质量浓度为85％的H3PO4；在冰浴条件下，缓慢加入KMnO4，将混合液保持在40～50℃下搅拌反应；将反应得到的混合液冷却至室温后，倒在用去离子水制成的冰块上，在搅拌下加入质量浓度为20％的H2O2，此时混合液由紫黑色转变成亮黄色；将混合物过滤后，用质量浓度为10％的HCl离心洗涤5次，去除残留物；再水洗离心5次，然后冻干再分散超声，得到棕色的氧化石墨烯GO；取0.1g制备的氧化石墨烯(GO)和0.1g二环己基碳二亚胺(DCC)超声分散于装有乙醇的圆底烧瓶中。然后加入0.4g四氟丙醇超声分散，置于室温下搅拌反应48h；反应结束后，经离心，乙醇洗涤除去未反应的单体，经冷冻干燥后得到含氟氧化石墨烯。
2)含氟氧化石墨烯改性聚氨酯的制备：
按照配方用量将0.005g的含氟氧化石墨烯加入到0.5g的稀释剂中，超声30min，然后置于磁力搅拌装置上进行搅拌15min，得到分散液；将5g树脂加入到上述分散液中，超声后进行磁力搅拌15min，最后迅速加入1.25g的固化剂，超声后，搅拌15min；均匀涂覆在洗净的玻璃片上，室温下，放置36h使其固化得到含氟氧化石墨烯改性聚氨酯。
以上所述，仅为本发明较佳实施例而已，故不能依此限定本发明实施的范围，即依本发明专利范围及说明书内容所作的等效变化与修饰，皆应仍属本发明涵盖的范围内。

Claims (6)

1.一种含氟氧化石墨烯改性聚氨酯涂料的制备方法，其特征在于：包括：
1)将石墨粉、浓H2SO4、浓H3PO4混合，在-4～5℃下，缓慢加入KMnO4，然后在40～50℃下搅拌反应；反应得到的混合液冷却至室温，倒在去离子水制成的冰块上，在搅拌下加入质量浓度为18～32％的H2O2；随后过滤，用质量浓度9～11％的HCl离心洗涤，再用水离心洗涤，冻干，超声分散，得到氧化石墨烯；将得到的氧化石墨烯与二环己基碳二亚胺在乙醇中分散均匀，然后加入含氟单体并分散均匀，所述含氟单体为三氟乙醇、四氟丙醇、六氟异丙醇、六氟丁醇中的至少一种；所述氧化石墨烯、二环己基碳二亚胺、含氟单体的质量比为0.8～1.2:0.8～1.2:3.5～4.5；置于室温下搅拌反应46～50h；反应结束后，离心，乙醇洗涤，冷冻干燥，得到含氟氧化石墨烯；
2)将步骤1)得到的含氟氧化石墨烯加入到稀释剂中，分散均匀，得到分散液；将树脂加入到上述分散液中，分散均匀；然后迅速加入固化剂，分散均匀；随后均匀涂敷在载体上，室温下固化22～38h，得到所述含氟氧化石墨烯改性聚氨酯；其中，所述含氟氧化石墨烯、稀释剂、树脂、固化剂的质量比为0.004～0.055:0.4～1.2:4～6:1.2～3。
2.根据权利要求1所述的含氟氧化石墨烯改性聚氨酯涂料的制备方法，其特征在于：所述步骤2)中，稀释剂为丙二醇丁醚、二丙二醇丁醚、二丙二醇甲醚、邻苯二甲酸二乙酯、醋酸正丁酯中的至少一种。
3.根据权利要求1所述的含氟氧化石墨烯改性聚氨酯涂料的制备方法，其特征在于：所述步骤2)中，树脂为聚氨酯树脂、羟基丙烯酸树脂中的至少一种。
4.根据权利要求1所述的含氟氧化石墨烯改性聚氨酯涂料的制备方法，其特征在于：所述步骤2)中，固化剂为亲水改性HDI三聚体、亲水改性IPDI三聚体中的至少一种。
5.一种根据权利要求1至4中任一项所述的制备方法所制备的含氟氧化石墨烯改性聚氨酯涂料。
6.一种权利要求5所述的含氟氧化石墨烯改性聚氨酯涂料在汽车面漆中的用途。
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