CN108384406B - 一种氧化石墨烯uv固化涂料及其制备方法 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种氧化石墨烯UV固化涂料及其制备方法，包括如下重量份数的组分：丙烯酸改性环氧树脂100~105份、单体45~75份、稀释剂25~50份、光引发剂2~8份、共引发剂2~5份、流平剂1~3份和氨基硅烷修饰氧化石墨1~2.5份。本发明制备的氧化石墨烯UV固化涂料具备硬度大、耐磨、粘度高和附着力强等特点，其中，硬度能达到7H以上，附着力能达到0级，解决了石墨烯填料分散性不好、涂层硬度不高易被刮伤和附着力欠佳的技术问题。

Description

一种氧化石墨烯UV固化涂料及其制备方法

技术领域

本发明涉及UV固化涂料，具体涉及一种氧化石墨烯UV固化涂料及其制备方法，属于涂料油漆技术领域。

背景技术

紫外光(UV)固化涂料简称光固化涂料，是辐射固化涂料的一种，主要指在光照射下可以迅速交联固化成膜的一类新型涂料。与溶剂型涂料相比，光固化涂料具有固化速度快、物挥发性溶剂、节约能源、费用低、可自动化生产等特点，是一种绿色环保型涂料。近年来，随着人们对能源和环境保护的日益重视，光固化涂料的应用领域已经从最初的木器涂料发展到现在的塑料装饰、金属和玻璃部件的涂装、医疗器械、电子元件、信息记录介质和光学纤维等领域。

含环氧丙烯酸酯的UV固化涂料是目前应用最广泛的一类油性UV固化涂料，主要应用于木器涂层、上光油等方面。其优点是反应活性高、水解稳定性好和光稳定性高以及UV固化速度快、价格适中，最大的优点是可以根据需要进行分子结构设计，但是存在刺激性大、对皮肤过敏，固化时易受氧气阻抑造成表面固化不良的缺点。实验研究表明在环氧丙烯酸树脂加入三丙烯酸丙烷三甲醇酯(TMPTA)、乙烯基醚活性稀释剂(DVE-3)和1,4-羟甲基环己烷(CHVE)，发现体系的粘度和活性稀释剂的反应活性同时影响固化过程中双键的转化率，当体系的粘度为Cp，活性稀释剂TMPTA/DVE-3＝1:1时，双键的转化率最大。部分加入乙烯基醚的固化产物，具有优异的表面硬度和光泽。

常规的UV固化涂料存在固化能量高、吸水率高、低温柔韧性不好和耐盐雾性能不足等缺点，添加一些无机填料能够克服这些缺点。石墨烯是一种由碳原子构成的层片结构二维材料，将其添加到涂料中，能够提高涂料的性能，但是由其在有机树脂中分散性能不佳，而限制了应用。

发明专利CN107619616A《一种石墨烯紫外线UV光固化白色涂料及其制备方法》公开了一种石墨烯紫外线UV光固化白色涂料，主要包括光敏树脂双酚A环氧丙烯酸酯树脂、有机硅树脂、单体、光引发剂1-羟基-环已基苯甲酮、氧化石墨烯粉、氧化铝、钛白粉和多种助剂。该发明制得的涂料具有耐污耐候，不含有机挥发物、无环境污染的优点，但是附着力较低。发明专利CN106752739A《一种氧化石墨烯型UV涂料及其制备方法》采用氧化石墨烯作填料，加入到丙烯酸树脂、单体、光引发剂和助剂中UV固化涂料。该涂料具有附着力高、柔韧性好和抗磨性好的优点，但硬度不高，通常硬度只有1H至3H，所以表面非常容易被刮伤，并且涂料施工性能不佳。发明专利CN1107955519A《一种含有石墨烯的UV辐射固化散热涂料及其制备方法》公开了一种UV固化散热涂料，其组成是30％-70％UV固化树脂及单体、30％-70％混合溶剂、0.1％-5％光引发剂、0.1％-5％助剂、1％-30％的导热填料和0.1％-5％改性石墨烯或改性氧化石墨烯组成。该发明避免了石墨烯的团聚提高涂层的整体强度，提供优良的导热能力，但存在分散性不佳，附着力欠佳的缺点。

发明内容

针对现有技术存在的上述不足，本发明的目的在于提供一种氧化石墨烯UV固化涂料及其制备方法，解决现有UV固化涂料中石墨烯填料分散性不好、涂层硬度不高易被刮伤和附着力欠佳的技术问题。

为实现上述目的，本发明采用如下技术方案：一种氧化石墨烯UV固化涂料，包括如下重量份数的组分：丙烯酸改性环氧树脂100～105份、单体45～75份、稀释剂25～50份、光引发剂2～8份、共引发剂2～5份、流平剂1～3份和氨基硅烷修饰氧化石墨1～2.5份；所述氨基硅烷修饰的氧化石墨为氧化石墨烯与氨基硅烷反应制得。

进一步，所述单体为甲基丙烯酸酯类物质，具体为甲基丙烯酸甲酯、甲基丙烯酸乙酯或甲基丙烯酸丁酯，所述流平剂为毕克化学公司制造的BYK-UV3500、BYK-UV3530或BYK-UV3570。

进一步，所述稀释剂为PEG200DMA、PEG400DMA和PEG600DMA中的一种或两种，且稀释剂的酸值≤0.2mg KOH/g，25℃粘度为10～100cps。

这样，能够调节涂料的粘度，有助于制备涂层。

进一步，所述光引发剂为2,3-丁二酮、1-苯基-1,2-丙二酮和N-苯基甘氨酸中的一种或两种。

这样，光引发剂在室温下为液体，易分散，能够增加与树脂的相容性，而且也能够增加涂料的流平性能，提高涂层光泽度。

进一步，所述共引发剂为N,N'-二甲氨基甲基丙烯酸乙酯、二甲基氨基苯甲酸乙酯和N,N-二甲基对甲苯胺中的一种或两种。

这样，光引发剂和共引发剂协同配伍下，使得涂料在紫外光作用下能够快速固化成膜，缩短了固化时间。

进一步，所述氧化石墨烯和氨基硅烷的质量之比为1:0.1～0.5，所述氨基硅烷为γ-氨丙基三甲氧基硅烷。

这样，氨基硅烷通过硅氧基与石墨烯键连，而氨基硅烷上的氨基能与树脂上的环氧基反应，增加石墨烯与树脂的相容性，也提高了树脂中石墨烯的含量和分散性，另外，固化时氨基能够与树脂反应促进固化，强化了固化效果和缩短固化时间。再有，氨基硅烷的加入能够提高涂料的柔韧性、附着力和耐水性。

进一步，所述丙烯酸改性环氧树脂为普通市售，其酸值≤5mg KOH/g，25℃粘度为6000～8000cps。所述丙烯酸改性环氧树脂是环氧树脂与丙烯酸或甲基丙烯酸经过酯化反应而制得的双官能度透明液体。

这样，涂料粘度适中，不需要添加有机溶剂，减少挥发性物质，且固化速度快，涂层附着力好、耐蚀性和耐化学性能优良。

进一步，上述氧化石墨烯UV固化涂料的制备方法，包括以下步骤：

1)氨基硅烷修饰的氧化石墨烯的制备

取氧化石墨烯溶解于无水乙醇中，超声处理1～4h得到氧化石墨烯溶液，将所述氧化石墨烯溶液转入反应釜中，再向所述氧化石墨烯溶液中加入氨基硅烷，继续超声处理0.5～2h，离心分离收集固体，然后对固体进行真空干燥，即得到氨基硅烷修饰的氧化石墨烯；

2)氧化石墨烯UV固化涂料的制备

在室温下首先将丙烯酸改性环氧树脂、单体和稀释剂放在容器中搅拌5～10min；然后加入步骤1)制备得到的氨基硅烷修饰的氧化石墨烯继续分散搅拌15～30min后，得到混合溶液，再将光引发剂、共引发剂和流平剂分别加入所述混合溶液中，搅拌30～45min，最后采用紫外光固化机制备得到氧化石墨烯UV固化涂料，所述搅拌速度为1200～1500r/min。

进一步，所述氧化石墨烯溶液的浓度为0.01～0.03g/mL。

进一步，所述紫外光固化机的LED光固化灯的波长为400～500nm。

相比现有技术，本发明具有如下有益效果：

1、本发明制备的氧化石墨烯UV固化涂料，具备硬度大、耐磨、粘度高和附着力强等特点，其中，硬度能达到7H以上，附着力能达到0级，增强涂料与底材的粘接性能，使涂料具有便于施工的粘度，避免了涂层开裂、脱皮、掉落等问题，从而解决了填料分散性不好、涂层硬度不高易被刮伤和附着力欠佳的技术问题。

2、本发明在制备的氧化石墨烯UV固化涂料中，采用氨基硅烷修饰的氧化石墨烯作填料，氨基硅烷上的氨基能与树脂上的环氧基反应，一方面增加氧化石墨烯与树脂的相容性，提高氧化石墨烯在树脂中的含量和分散性，使涂层具有高强度、高硬度等性能，另一方面促进单体间的固化反应，缩短固化时间和强化了固化效果；添加的光引发剂在室温下为液体，易分散，与树脂相容性好，而且也能够增加涂料的流平性能，提高涂层光泽度。并且光引发剂和共引发剂协同配伍下，使得涂料在紫外光作用下能够快速固化成膜，大大的缩短了固化时间。

3、本发明制备的氧化石墨烯UV固化涂料，不含挥发性有机物，是一种符合国家提倡环保、节能、高效的绿色涂料，使其具有较好的经济效益和社会效益，具有较好发展前景。

具体实施方式

下面结合具体实施例对本发明作进一步详细说明。以下实施例中未对实验方法进行特别说明的，均为常规操作。

本实施例所用的氧化石墨烯为Hummer法制备。所用试剂为普通市售。

一、一种氧化石墨烯UV固化涂料的制备方法

实施例1

1)氨基硅烷修饰的氧化石墨烯的制备

称取15g氧化石墨烯溶解于500mL无水乙醇中，超声处理2h得到氧化石墨烯溶液，将所述氧化石墨烯溶液转入反应釜中，再向所述氧化石墨烯溶液找中加入3.5gγ-氨丙基三甲氧基硅烷，继续超声处理30min，离心分离收集固体，固体于60℃真空干燥12h，即得到γ-氨丙基三甲氧基硅烷修饰的氧化石墨烯。

2)氧化石墨烯UV固化涂料的制备

在室温(25±2℃)下首先将100g丙烯酸改性环氧树脂(酸值≤5mg KOH/g，25℃粘度为6000～8000cps)、50g甲基丙烯酸甲酯和35g PEG200DMA(酸值≤0.2mg KOH/g，25℃粘度为10～100cps)放在反应釜1200r/min搅拌10min；然后加入步骤1)制备得到的1gγ-氨丙基三甲氧基硅烷修饰的氧化石墨烯继续1200r/min搅拌30min后，再将2g 2,3-丁二酮、1g1-苯基-1,2-丙二酮、2gN,N'-二甲氨基甲基丙烯酸乙酯和1g BYK-UV3500依次加入上述混合溶液中，1200r/min搅拌45min即制得黏度适中的涂料，最后采用LED光固化灯波长为400nm的紫外光固化机制备得到氧化石墨烯UV固化涂料。

实施例2

1)氨基硅烷修饰的氧化石墨烯的制备

称取12g氧化石墨烯溶解于500mL无水乙醇中，超声处理2h得到氧化石墨烯溶液，将所述氧化石墨烯溶液转入反应釜中，再向所述所述氧化石墨烯溶液找中加入2.4gγ-氨丙基三甲氧基硅烷，继续超声处理30min，离心分离收集固体，固体于60℃真空干燥12h，即得到γ-氨丙基三甲氧基硅烷修饰的氧化石墨烯。

2)氧化石墨烯UV固化涂料的制备

在室温(25±2℃)下首先将100g丙烯酸改性环氧树脂(酸值≤5mg KOH/g，25℃粘度为6000～8000cps)、45g甲基丙烯酸甲酯和45g PEG400DMA(酸值≤0.2mg KOH/g，25℃粘度为10～100cps)放在反应釜1500r/min搅拌10min；然后加入步骤1)制备得到的1.5gγ-氨丙基三甲氧基硅烷修饰的氧化石墨烯继续1500r/min搅拌30min后，再将2gN-苯基甘氨酸、2g 1-苯基-1,2-丙二酮、1g N,N'-二甲氨基甲基丙烯酸乙酯、2g二甲基氨基苯甲酸乙酯和3g BYK-UV3530依次加入上述混合溶液中，1500r/min搅拌45min即制得黏度适中的涂料，最后采用LED光固化灯波长为450nm的紫外光固化机制备得到氧化石墨烯UV固化涂料。

实施例3

1)氨基硅烷修饰的氧化石墨烯的制备

称取10g氧化石墨烯溶解于500mL无水乙醇中，超声处理2h得到氧化石墨烯溶液，将所述氧化石墨烯溶液转入反应釜中，再向所述氧化石墨烯溶液找中加入4.5gγ-氨丙基三甲氧基硅烷，继续超声处理30min，离心分离收集固体，固体于60℃真空干燥12h，即得到γ-氨丙基三甲氧基硅烷修饰的氧化石墨烯。

2)氧化石墨烯UV固化涂料的制备

在室温(25±2℃)下首先将100g丙烯酸改性环氧树脂(酸值≤5mg KOH/g，25℃粘度为6000～8000cps)、60g甲基丙烯酸甲酯和25g PEG600DMA(酸值≤0.2mg KOH/g，25℃粘度为10～100cps)放在反应釜1200r/min搅拌10min；然后加入步骤1)制备得到的2.0gγ-氨丙基三甲氧基硅烷修饰的氧化石墨烯继续1200r/min搅拌30min后，再将4g N-苯基甘氨酸、2g 1-苯基-1,2-丙二酮、1g N,N'-二甲氨基甲基丙烯酸乙酯、1g二甲基氨基苯甲酸乙酯和2g BYK-UV3570依次加入上述混合溶液中，1200r/min搅拌45min即制得黏度适中的涂料，最后采用LED光固化灯波长为500nm的紫外光固化机制备得到氧化石墨烯UV固化涂料。

实施例4

1)氨基硅烷修饰的氧化石墨烯的制备

称取10g氧化石墨烯溶解于500mL无水乙醇中，超声处理2h得到氧化石墨烯溶液，将所述氧化石墨烯溶液转入反应釜中，再向所述氧化石墨烯溶液找中加入4.0gγ-氨丙基三甲氧基硅烷，继续超声处理30min，离心分离收集固体，固体于60℃真空干燥12h，即得到γ-氨丙基三甲氧基硅烷修饰的氧化石墨烯。

2)氧化石墨烯UV固化涂料的制备

在室温(25±2℃)下首先将100g丙烯酸改性环氧树脂(酸值≤5mg KOH/g，25℃粘度为6000～8000cps)、75g甲基丙烯酸甲酯和25g PEG600DMA(酸值≤0.2mg KOH/g，25℃粘度为10～100cps)放在反应釜1200r/min搅拌10min；然后加入步骤1)制备得到的2.5gγ-氨丙基三甲氧基硅烷修饰的氧化石墨烯继续1200r/min搅拌30min后，再将4g 2,3-丁二酮、4g1-苯基-1,2-丙二酮、2g N,N'-二甲氨基甲基丙烯酸乙酯、2g N,N-二甲基对甲苯胺和3gBYK-UV3500依次加入上述混合溶液中，1200r/min搅拌45min即制得黏度适中的涂料，最后采用LED光固化灯波长为400nm的紫外光固化机制备得到氧化石墨烯UV固化涂料。

二、性能验证

将实施例1-4制备得到的氧化石墨烯UV固化涂料进行指标性能验证，如表1所示。

涂层的附着力测试采用符合国标GB/T 9286-1998的色漆和清漆漆膜的划格试验法进行。以0～5级代表对基材附着力的好坏，0级为最好，5级为最差。

涂层的硬度测试采用符合国标GB/T 9286-1998的铅笔硬度测试试验法进行。铅笔硬度级别从软到硬分为6B、5B、4B、3B、2B、B、HB、F、H、2H、3H、4H、5H、6H、7H、8H、9H。

表1

结果表明：本发明的氧化石墨烯UV固化涂料，具备硬度大、耐磨、粘度高和附着力强等特点，其中，硬度能达到7H以上，附着力能达到0级，增强涂料与底材的粘接性能，使涂料具有便于施工的粘度，避免了涂层开裂、脱皮、掉落等问题。本发明不含挥发性有机物，是一种符合国家提倡环保、节能、高效的绿色涂料，使其具有较好的经济效益和社会效益，具有较好发展前景。

最后说明的是，以上实施例仅用以说明本发明的技术方案而非限制，尽管参照较佳实施例对本发明进行了详细说明，本领域的普通技术人员应当理解，可以对本发明的技术方案进行修改或者等同替换，而不脱离本发明技术方案的宗旨和范围，其均应涵盖在本发明的权利要求范围当中。

Claims (8)

1.一种氧化石墨烯UV固化涂料，其特征在于，包括如下重量份数的组分：丙烯酸改性环氧树脂100～105份、单体45～75份、稀释剂25～50份、光引发剂2～8份、共引发剂2～5份、流平剂1～3份和氨基硅烷修饰的氧化石墨烯1～2.5份；所述氨基硅烷修饰的氧化石墨烯为氧化石墨烯与氨基硅烷反应制得；所述氧化石墨烯和氨基硅烷的质量之比为1:0.1～0.5，所述氨基硅烷为γ-氨丙基三甲氧基硅烷；

所述涂料采用以下步骤制得：

1)氨基硅烷修饰的氧化石墨烯的制备

取氧化石墨烯溶解于无水乙醇中，超声处理1～4h得到氧化石墨烯溶液，将所述氧化石墨烯溶液转入反应釜中，再向所述氧化石墨烯溶液中加入氨基硅烷，继续超声处理0.5～2h，离心分离收集固体，然后对固体进行真空干燥，即得到氨基硅烷修饰的氧化石墨烯；

2)氧化石墨烯UV固化涂料的制备

在室温下首先将丙烯酸改性环氧树脂、单体和稀释剂放在容器中搅拌5～10min；然后加入步骤1)制备得到的氨基硅烷修饰的氧化石墨烯继续分散搅拌15～30min后，得到混合溶液，再将光引发剂、共引发剂和流平剂分别加入所述混合溶液中，搅拌30～45min，最后采用紫外光固化机制备得到氧化石墨烯UV固化涂料。

2.根据权利要求1所述氧化石墨烯UV固化涂料，其特征在于，所述单体为甲基丙烯酸甲酯、甲基丙烯酸乙酯或甲基丙烯酸丁酯；所述流平剂为BYK-UV3500、BYK-UV3530或BYK-UV3570。

3.根据权利要求1所述氧化石墨烯UV固化涂料，其特征在于，所述稀释剂为PEG200DMA、PEG400DMA和PEG600DMA中的一种或两种，且酸值≤0.2mgKOH/g，25℃粘度为10～100cps。

4.根据权利要求1所述氧化石墨烯UV固化涂料，其特征在于，所述光引发剂为2,3-丁二酮、1-苯基-1,2-丙二酮和N-苯基甘氨酸中的一种或两种。

5.根据权利要求1所述氧化石墨烯UV固化涂料，其特征在于，所述共引发剂为N,N'-二甲氨基甲基丙烯酸乙酯、二甲基氨基苯甲酸乙酯和N,N-二甲基对甲苯胺中的一种或两种。

6.根据权利要求1所述氧化石墨烯UV固化涂料，其特征在于，所述丙烯酸改性环氧树脂的酸值≤5mgKOH/g，25℃粘度为6000～8000cps。

7.根据权利要求1所述氧化石墨烯UV固化涂料，其特征在于，所述氧化石墨烯溶液的浓度为0.01～0.03g/mL。

8.根据权利要求1所述氧化石墨烯UV固化涂料，其特征在于，所述紫外光固化机的LED光固化灯的波长为400～500nm。