CN108047910A - 抗紫外线的水性涂料及其制备方法与应用 - Google Patents

抗紫外线的水性涂料及其制备方法与应用 Download PDF

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Abstract

本发明涉及一种抗紫外线的水性涂料及其制备方法与应用，该涂料包括如下重量份的组分：纳米粉体0.01～5份；有机紫外线吸收剂0.01～5份；分散剂0.05～1份；水性聚氨酯树脂50～100份；成膜助剂0.01～1份；去离子水75～100份。制备方法为：将去离子水、纳米粉体、有机紫外线吸收剂和分散剂混合均匀形成混合料，研磨分散，得到组分一；用去离子水对水性聚氨酯树脂进行稀释，并加入成膜助剂，得到组分二；将组分一和组分二充分搅拌混合均匀，得到涂料。该涂料的应用为：将涂料直接喷涂或者刷涂在PET表面上，得到具有抗紫外线涂层的PET膜。本发明的抗紫外线的水性涂料的成膜性好，并具有良好的稳定性。

Description

抗紫外线的水性涂料及其制备方法与应用
技术领域
本发明涉及功能性涂料技术领域，具体涉及一种抗紫外线的水性涂料及其制备方法与应用。
背景技术
紫外线是介于200～400纳米的电磁波，分有短波(200nm～280nm)、中波(280nm～320nm)和长波(320nm～400nm)，紫外线的波长越短，对人体皮肤的损伤越大，同时，紫外线具有的能量约为314kJ/mol～419kJ/mol，足以破坏聚合物的化学键，引发自动氧化反应，造成塑料、橡胶、涂料树脂等聚合物的老化降解。涂料中的聚合物在阳光的紫外线照射下很容易老化变脆，致使涂料变色或脱落，影响美观和使用寿命。
如何防止紫外光引发的聚合物光降解，提高其抗光氧化性能已成为该材料在户外应用所面临的重要问题。要延长聚合物的使用寿命，可以对聚合物分子进行结构改性，或添加紫外光稳定剂。紫外线光稳定剂是提高聚合物复合涂层抗光氧化性的主要方法，它可以吸收、遮拦紫外线，或者捕获由紫外线引发的自由基，防止其它分子断裂。紫外线光稳定剂可分为紫外光过滤剂、吸收剂、猝灭剂、自由基捕获剂和氢过氧化物分解剂。有机紫外光吸收剂已被广泛应用于高分子材料、护肤化妆品和纺织品中，起着高分子防老化剂及人体紫外线保护剂的作用。但有机紫外线吸收剂有自身的局限性：一是自身稳定性有限，长期使用时随着吸收剂分子的分解和挥发，产品抗紫外线能力下降，难以长期保持高抗光氧化性；二是吸收剂本身或其分解产物具有一定的毒性，限制了使用范围。
发明内容
基于此，本发明提供一种抗紫外线的水性涂料，其稳定性好，无毒，并具有较好的紫外线屏蔽率。
本发明还提供上述抗紫外线的水性涂料的制备方法。
本发明还提供上述抗紫外线的水性涂料的应用。
为了实现本发明的目的，本发明采用以下技术方案：
一种抗紫外线的水性涂料，包括如下重量份的组分：
在其中一些实施例中，所述纳米粉体为Fe2O3纳米粉末。
在其中一些实施例中，所述Fe2O3纳米粉末的粒径为10nm～15nm。
在其中一些实施例中，所述有机紫外线吸收剂为2,4-二羟基二苯甲酮、2-(2’-羟基-5’-甲基苯基)苯并三唑中的一种或者两种的组合。
在其中一些实施例中，所述成膜助剂为消泡剂、流平剂、防水剂、抗氧化剂中的一种或者几种的组合。
在其中一些实施例中，所述分散剂为十六烷基三甲基溴化铵、吐温-80中的一种或者两种的组合。
本发明还采用如下技术方案：
一种抗紫外线的水性涂料的制备方法，包括如下步骤：
提供如下重量份的组分：
在常温常压下，将去离子水、纳米粉体、有机紫外线吸收剂和分散剂混合均匀形成混合料，将混合料进行高速研磨分散，得到组分一；
用适量的去离子水对水性聚氨酯树脂进行稀释，并加入成膜助剂，充分搅拌混合均匀，得到组分二；
将组分一和组分二充分搅拌混合均匀，得到抗紫外线的水性涂料。
在其中一些实施例中，所述高速研磨分散是将混合料装入使用锆珠作为研磨介质的卧式砂磨机中在2000r/min下研磨分散10h～15h；所述充分搅拌混合均匀是在高速剪切分散盘中剪切混合0.5h～1h。
一种抗紫外线的水性涂料的应用，包括：
提供抗紫外线的水性涂料，所述抗紫外线的水性涂料包括如下重量份的组分：
将所述抗紫外线的水性涂料直接喷涂或者刷涂在PET表面上，得到具有抗紫外线涂层的PET膜；
将所述抗紫外线的水性涂料直接喷涂或者刷涂在建筑门窗或者家具上，得到具有抗紫外线涂层的建筑门窗或者家具。
在其中一些实施例中，所述抗紫外线涂层的厚度为50μm。
本发明的抗紫外线的水性涂料具有以下几个方面的优点，总结如下：
(1)本发明的实现建立在金属氧化物纳米粒子的紫外线吸收性能上，因此具有良好的稳定性。
(2)本发明的环保型防紫外线水性透明涂料是一种无毒、稳定、环境友好的有机/无机复合水性涂料。
(3)本发明的环保型防紫外线水性透明涂料原料成本低，加工制备方法简单。
(4)本发明的环保型防紫外线水性透明涂料成膜性好，易实现规模化应用，具有更好的环境稳定性和使用寿命。
(5)本发明的环保型防紫外线水性透明涂料可以广泛地应用于建筑门窗或家具上的面漆。
具体实施方式
为了便于理解本发明，下面将对本发明进行更全面的描述。但是，本发明可以以许多不同的形式来实现，并不限于本文所描述的实施例。相反地，提供这些实施例的目的是使对本发明的公开内容的理解更加透彻全面。
除非另有定义，本文所使用的所有的技术和科学术语与属于本发明的技术领域的技术人员通常理解的含义相同。本文中在本发明的说明书中所使用的术语只是为了描述具体的实施例的目的，不是旨在于限制本发明。
本发明所述的抗紫外线的水性涂料，包括如下重量份的组分：
其中，所述纳米粉体为Fe2O3纳米粉末；所述水性聚氨酯为WS-4022水性聚氨酯树脂或者WS-5100水性聚氨酯树脂；所述有机紫外线吸收剂为2,4-二羟基二苯甲酮、2-(2’-羟基-5’-甲基苯基)苯并三唑中的一种或者两种的组合；所述成膜助剂为消泡剂、流平剂、防水剂、抗氧化剂中的一种或者几种的组合；所述分散剂为十六烷基三甲基溴化铵、吐温-80中的一种或者两种的组合。
在其中一些实施例中，所述Fe2O3纳米粉末的粒径为10nm～15nm；消泡剂为乳化硅油或者高碳醇脂肪酸酯复合物；流平剂为羧甲基纤维素或者聚丙烯酸类流平剂，防水剂为水性氟改性含磷丙烯酸酯乳液；抗氧化剂为抗氧剂TPP或者抗氧剂TNP。
上述的抗紫外线的水性涂料的制备方法，包括如下步骤：
提供如下重量份的组分：
在常温常压下，将去离子水、纳米粉体、有机紫外线吸收剂和分散剂混合均匀形成混合料，将混合料进行高速研磨分散，得到组分一；
用适量的去离子水对水性聚氨酯树脂进行稀释，并加入成膜助剂，充分搅拌混合均匀，得到组分二；
将组分一和组分二充分搅拌混合均匀，得到抗紫外线的水性涂料。
其中，所述高速研磨分散是将混合料装入使用锆珠作为研磨介质的卧式砂磨机中在2000r/min下研磨分散10h～15h；所述充分搅拌混合均匀是在高速剪切分散盘中剪切混合0.5h～1h。
在其中一实施例中，该锆珠的直径为0.1mm。
上述的抗紫外线的水性涂料的应用，包括：
提供抗紫外线的水性涂料，所述抗紫外线的水性涂料包括如下重量份的组分：
将所述抗紫外线的水性涂料直接喷涂或者刷涂在PET表面上，得到具有抗紫外线涂层的PET膜；
将所述抗紫外线的水性涂料直接喷涂或者刷涂在建筑门窗或者家具上，得到具有抗紫外线涂层的建筑门窗或者家具。
其中，所述抗紫外线涂层的厚度为50μm。
本发明的抗紫外线的水性涂料为无机纳米粒子和高分子材料的复配体系，采用水性聚氨酯树脂与纳米Fe2O3通过共混法制备成环保型的抗紫外线的水性透明涂料。纳米Fe2O3对紫外光具有较强的吸收能力，可以显著地提高涂料的抗老化性能。同时使用纳米Fe2O3和有机紫外线吸收剂，发挥它们之间的协同作用，即利用具有良好光稳定性的纳米Fe2O3的遮光效应，减缓了有机紫外线吸收剂的分解失效，也发挥了有机紫外光吸收能力强的特点。加上，水性涂料中的水性聚氨酯树脂是以水取代有机溶剂作为溶剂，与溶剂型涂料相比，不仅具有成本低、施工方便、不污染环境等特点，而且从根本上消除了溶剂型涂料在生产和施工过程中因溶剂挥发而产生的火灾隐患，也减少了有害有机溶剂对人体的危害，深受广大用户的喜爱。
本发明采用分散剂十六烷基三甲基溴化铵和吐温-80，提高了该涂料的分散稳定性。吐温-80在Fe2O3粒子界面间容易生成配位键包覆到纳米Fe2O3粒子的表面。同时，由于Fe2O3粒子表面的负电性性质，与阳离子分散剂十六烷基三甲基溴化铵产生较强的静电吸引力而吸附于Fe2O3粒子的表面。另一方面，由于吐温-80对于阳离子分散剂十六烷基三甲基溴化铵又具有一定的吸引作用，也大大增强了十六烷基三甲基溴化铵在Fe2O3粒子表面的吸附量及强度。因此，吐温-80与十六烷基三甲基溴化铵两种分散剂之间具有协同作用，若同时使用吐温-80、十六烷基三甲基溴化铵的复合分散剂对纳米Fe2O3粒子的表面性产生很大的改变，悬液的Zeta电位(又叫电动电位或电动电势)大幅增加。
本发明的抗紫外线的水性涂料的环境稳定性好，存放时间大于六个月，不发生分相不沉降析出，且成膜效果好，污染小，紫外线屏蔽率高，可直接喷涂或刷涂在汽车玻璃和木器家具表面形成防紫外线水性透明涂层，可广泛用作罩面清漆，不仅能满足各种装饰需求，而且能大大延长使用寿命，在PET膜所形成的涂层均匀透明且无雾，在400nm以内的紫外线吸收率高达90％以上。
本发明的抗紫外线的水性涂料具有以下几个方面的优点，总结如下：
(1)本发明的实现建立在金属氧化物纳米粒子的紫外线吸收性能上，因此具有良好的稳定性。
(2)本发明的环保型防紫外线水性透明涂料是一种无毒、稳定、环境友好的有机/无机复合水性涂料。
(3)本发明的环保型防紫外线水性透明涂料原料成本低，加工制备方法简单。
(4)本发明的环保型防紫外线水性透明涂料成膜性好，易实现规模化应用，具有更好的环境稳定性和使用寿命。
(5)本发明的环保型防紫外线水性透明涂料可以广泛地应用于建筑门窗或家具上的面漆。
以下将通过几个实施例来进一步说明本发明的技术方案。
实施例1：
本发明所述的抗紫外线的水性涂料，包括如下制备步骤：
在常温常压下，将50g去离子水、0.01gFe2O3纳米粉末、0.01g2,4-二羟基二苯甲酮和0.05g十六烷基三甲基溴化铵混合均匀形成混合料，将混合料进行高速研磨分散，得到组分一；
用25g去离子水对50g水性聚氨酯树脂进行稀释，并加入0.01g高碳醇脂肪酸酯复合物，充分搅拌混合均匀，得到组分二；
将组分一和组分二充分搅拌混合均匀，得到抗紫外线的水性涂料。
其中，所述高速研磨分散是将混合料装入使用0.1mm锆珠作为研磨介质的卧式砂磨机中在2000r/min下研磨分散10h:；所述充分搅拌混合均匀是在高速剪切分散盘中剪切混合0.5h。
实施例2：
本发明所述的抗紫外线的水性涂料，包括如下制备步骤：
在常温常压下，将50g去离子水、2.5gFe2O3纳米粉末、2.5g2,4-二羟基二苯甲酮和0.5g十六烷基三甲基溴化铵混合均匀形成混合料，将混合料进行高速研磨分散，得到组分一；
用35g去离子水对75g水性聚氨酯树脂进行稀释，并加入0.5g高碳醇脂肪酸酯复合物，充分搅拌混合均匀，得到组分二；
将组分一和组分二充分搅拌混合均匀，得到抗紫外线的水性涂料。
其中，所述高速研磨分散是将混合料装入使用0.1mm锆珠作为研磨介质的卧式砂磨机中在2000r/min下研磨分散13h；所述充分搅拌混合均匀是在高速剪切分散盘中剪切混合0.8h。
实施例3：
本发明所述的抗紫外线的水性涂料，包括如下制备步骤：
在常温常压下，将50g去离子水、5gFe2O3纳米粉末、5g2,4-二羟基二苯甲酮和1g十六烷基三甲基溴化铵混合均匀形成混合料，将混合料进行高速研磨分散，得到组分一；
用50g去离子水对100g水性聚氨酯树脂进行稀释，并加入1g高碳醇脂肪酸酯复合物，充分搅拌混合均匀，得到组分二；
将组分一和组分二充分搅拌混合均匀，得到抗紫外线的水性涂料。
其中，所述高速研磨分散是将混合料装入使用0.1mm锆珠作为研磨介质的卧式砂磨机中在2000r/min下研磨分散15h；所述充分搅拌混合均匀是在高速剪切分散盘中剪切混合1h。
实施例4：
本发明所述的抗紫外线的水性涂料，包括如下制备步骤：
在常温常压下，将50g去离子水、5gFe2O3纳米粉末、5g2-(2’-羟基-5’-甲基苯基)苯并三唑、0.5g十六烷基三甲基溴化铵和0.5g吐温-80混合均匀形成混合料，将混合料进行高速研磨分散，得到组分一；
用50g去离子水对50g水性聚氨酯树脂进行稀释，并加入0.5g水性氟改性含磷丙烯酸酯乳液，充分搅拌混合均匀，得到组分二；
将组分一和组分二充分搅拌混合均匀，得到抗紫外线的水性涂料。
其中，所述高速研磨分散是将混合料装入使用0.1mm锆珠作为研磨介质的卧式砂磨机中在2000r/min下研磨分散10h；所述充分搅拌混合均匀是在高速剪切分散盘中剪切混合0.6h。
实施例5：
本发明所述的抗紫外线的水性涂料，包括如下制备步骤：
在常温常压下，将50g去离子水、5gFe2O3纳米粉末、5g2-(2’-羟基-5’-甲基苯基)苯并三唑和0.5g十六烷基三甲基溴化铵混合均匀形成混合料，将混合料进行高速研磨分散，得到组分一；
用50g去离子水对50g水性聚氨酯树脂进行稀释，并加入0.5g水性氟改性含磷丙烯酸酯乳液，充分搅拌混合均匀，得到组分二；
将组分一和组分二充分搅拌混合均匀，得到抗紫外线的水性涂料。
其中，所述高速研磨分散是将混合料装入使用0.1mm锆珠作为研磨介质的卧式砂磨机中在2000r/min下研磨分散10h；所述充分搅拌混合均匀是在高速剪切分散盘中剪切混合0.6h。
实施例6：
本发明所述的抗紫外线的水性涂料，包括如下制备步骤：
在常温常压下，将50g去离子水、5gFe2O3纳米粉末、5g2-(2’-羟基-5’-甲基苯基)苯并三唑和0.5g吐温-80混合均匀形成混合料，将混合料进行高速研磨分散，得到组分一；
用50g去离子水对50g水性聚氨酯树脂进行稀释，并加入0.5g水性氟改性含磷丙烯酸酯乳液，充分搅拌混合均匀，得到组分二；
将组分一和组分二充分搅拌混合均匀，得到抗紫外线的水性涂料。
其中，所述高速研磨分散是将混合料装入使用0.1mm锆珠作为研磨介质的卧式砂磨机中在2000r/min下研磨分散10h；所述充分搅拌混合均匀是在高速剪切分散盘中剪切混合0.8h。
实施例7：
本发明所述的抗紫外线的水性涂料，包括如下制备步骤：
在常温常压下，将50g去离子水、2.5gFe2O3纳米粉末、2.5g2-(2’-羟基-5’-甲基苯基)苯并三唑、0.5g十六烷基三甲基溴化铵和0.5g吐温-80混合均匀形成混合料，将混合料进行高速研磨分散，得到组分一；
用50g去离子水对50g水性聚氨酯树脂进行稀释，并加入0.5g水性氟改性含磷丙烯酸酯乳液，充分搅拌混合均匀，得到组分二；
将组分一和组分二充分搅拌混合均匀，得到抗紫外线的水性涂料。
其中，所述高速研磨分散是将混合料装入使用0.1mm锆珠作为研磨介质的卧式砂磨机中在2000r/min下研磨分散10h；所述充分搅拌混合均匀是在高速剪切分散盘中剪切混合0.6h。
实施例8：
本发明所述的抗紫外线的水性涂料，包括如下制备步骤：
在常温常压下，将25g去离子水、2.5gFe2O3纳米粉末、2.5g2-(2’-羟基-5’-甲基苯基)苯并三唑、0.5g十六烷基三甲基溴化铵和0.5g吐温-80混合均匀形成混合料，将混合料进行高速研磨分散，得到组分一；
用50g去离子水对50g水性聚氨酯树脂进行稀释，并加入0.5g水性氟改性含磷丙烯酸酯乳液，充分搅拌混合均匀，得到组分二；
将组分一和组分二充分搅拌混合均匀，得到抗紫外线的水性涂料。
其中，所述高速研磨分散是将混合料装入使用0.1mm锆珠作为研磨介质的卧式砂磨机中在2000r/min下研磨分散10h；所述充分搅拌混合均匀是在高速剪切分散盘中剪切混合0.6h。
实施例9：
本发明所述的抗紫外线的水性涂料，包括如下制备步骤：
在常温常压下，将25g去离子水、2.5gFe2O3纳米粉末、2.5g2-(2’-羟基-5’-甲基苯基)苯并三唑、0.5g十六烷基三甲基溴化铵和0.5g吐温-80混合均匀形成混合料，将混合料进行高速研磨分散，得到组分一；
用50g去离子水对50g水性聚氨酯树脂进行稀释，并加入0.5g水性氟改性含磷丙烯酸酯乳液，充分搅拌混合均匀，得到组分二；
将组分一和组分二充分搅拌混合均匀，得到抗紫外线的水性涂料。
其中，所述高速研磨分散是将混合料装入使用0.1mm锆珠作为研磨介质的卧式砂磨机中在2000r/min下研磨分散15h；所述充分搅拌混合均匀是在高速剪切分散盘中剪切混合0.6h。
实施例10：
本发明所述的抗紫外线的水性涂料，包括如下制备步骤：
在常温常压下，将50g去离子水、5gFe2O3纳米粉末、5g2-(2’-羟基-5’-甲基苯基)苯并三唑、0.5g十六烷基三甲基溴化铵和0.5g吐温-80混合均匀形成混合料，将混合料进行高速研磨分散，得到组分一；
用50g去离子水对50g水性聚氨酯树脂进行稀释，并加入0.5g水性氟改性含磷丙烯酸酯乳液，充分搅拌混合均匀，得到组分二；
将组分一和组分二充分搅拌混合均匀，得到抗紫外线的水性涂料。
其中，所述高速研磨分散是将混合料装入使用0.1mm锆珠作为研磨介质的卧式砂磨机中在2000r/min下研磨分散15h；所述充分搅拌混合均匀是在高速剪切分散盘中剪切混合0.6h。
对比例1：
一种涂料，包括如下制备步骤：
在常温常压下，将50g去离子水、2.5g2,4-二羟基二苯甲酮和0.5g十六烷基三甲基溴化铵混合均匀形成混合料，将混合料进行高速研磨分散13h，得到组分一；
用35g去离子水对75g水性聚氨酯树脂进行稀释，并加入0.5g高碳醇脂肪酸酯复合物，充分搅拌混合均匀，得到组分二；
将组分一和组分二充分搅拌混合均匀，得到涂料。
对比例2：
一种涂料，包括如下制备步骤：
在常温常压下，用35g去离子水对75g水性聚氨酯树脂进行稀释，并加入2.5g2,4-二羟基二苯甲酮，充分搅拌混合均匀，得到涂料。
该实施例1～10及对比例1、对比例2所得的涂料涂覆在PET膜上，涂覆厚度为50μm，通过紫外线红外线透过率测试仪LS101对涂有涂料的PET膜进行紫外线遮挡率、红外线遮挡率和可见光透过率的性能测试，如表1所示：
注：稳定性测试是将待测样品在常温下放置六个月以上，观察其测试溶液是否存在分层或者沉淀。表干时间、铅笔硬度、耐水性等性能按照国家规范测试所得。
通过以上对比可知，相对于对比例的涂料，本发明的抗紫外线的水性涂料的成膜时间大大减少，成膜性能均优于现有技术，环境稳定性好，紫外线吸收率、红外线吸收率都较高，紫外线吸收率高达90％以上。
以上所述实施例仅表达了本发明的几种实施方式，其描述较为具体和详细，但并不能因此而理解为对本发明专利范围的限制。应当指出的是，对于本领域的普通技术人员来说，在不脱离本发明构思的前提下，还可以做出若干变形和改进，这些都属于本发明的保护范围。因此，本发明专利的保护范围应以所附权利要求为准。

Claims (10)

1.一种抗紫外线的水性涂料，其特征在于，包括如下重量份的组分：
2.根据权利要求1所述的抗紫外线的水性涂料，其特征在于，所述纳米粉体为Fe2O3纳米粉末。
3.根据权利要求2所述的抗紫外线的水性涂料，其特征在于，所述Fe2O3纳米粉末的粒径为10nm～15nm。
4.根据权利要求1所述的抗紫外线的水性涂料，其特征在于，所述有机紫外线吸收剂为2,4-二羟基二苯甲酮、2-(2’-羟基-5’-甲基苯基)苯并三唑中的一种或者两种的组合。
5.根据权利要求1所述的抗紫外线的水性涂料，其特征在于，所述成膜助剂为消泡剂、流平剂、防水剂、抗氧化剂中的一种或者几种的组合。
6.根据权利要求1所述的抗紫外线的水性涂料，其特征在于，所述分散剂为十六烷基三甲基溴化铵、吐温-80中的一种或者两种的组合。
7.一种抗紫外线的水性涂料的制备方法，其特征在于，包括如下步骤：
提供如下重量份的组分：
在常温常压下，将去离子水、纳米粉体、有机紫外线吸收剂和分散剂混合均匀形成混合料，将混合料进行高速研磨分散，得到组分一；
用适量的去离子水对水性聚氨酯树脂进行稀释，并加入成膜助剂，充分搅拌混合均匀，得到组分二；
将组分一和组分二充分搅拌混合均匀，得到抗紫外线的水性涂料。
8.根据权利要求7所述的抗紫外线的水性涂料的制备方法，其特征在于，所述高速研磨分散是将混合料装入使用锆珠作为研磨介质的卧式砂磨机中在2000r/min下研磨分散10h～15h；所述充分搅拌混合均匀是在高速剪切分散盘中剪切混合0.5h～1h。
9.一种抗紫外线的水性涂料的应用，其特征在于，包括：
提供抗紫外线的水性涂料，所述抗紫外线的水性涂料包括如下重量份的组分：
将所述抗紫外线的水性涂料直接喷涂或者刷涂在PET表面上，得到具有抗紫外线涂层的PET膜；
将所述抗紫外线的水性涂料直接喷涂或者刷涂在建筑门窗或者家具上，得到具有抗紫外线涂层的建筑门窗或者家具。
10.根据权利要求9所述的抗紫外线的水性涂料的应用，其特征在于，所述抗紫外线涂层的厚度为50μm。
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