CN108395760A - 一种硅烷偶联剂化学改性纳米级硅溶胶锚固剂及制备方法 - Google Patents

一种硅烷偶联剂化学改性纳米级硅溶胶锚固剂及制备方法 Download PDF

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Abstract

本发明属于涂料性能优化技术领域，特别涉及一种硅烷偶联剂化学改性纳米级硅溶胶锚固剂及制备方法。该锚固剂通过异氰酸酯基硅烷偶联剂与纳米级硅溶胶预聚反应得到，制备时直接将原料均匀混合熟化24h以上即可；该锚固剂既有纳米二氧化硅粒子的刚性骨架，又有与底材形成偶联作用的长链硅氧烷链段，而且二者已经通过化学键进行枝接，对增强环氧底漆在铝合金底材上的附着力具有较好的协同作用。

Description

一种硅烷偶联剂化学改性纳米级硅溶胶锚固剂及制备方法
技术领域
本发明属于涂料性能优化技术领域，特别涉及一种硅烷偶联剂化学改性纳米级硅溶胶锚固剂及制备方法。
背景技术
在实际工作中，铝合金表面会形成一层氧化膜，但是由于膜层极薄且结构疏松多孔、不均匀，不能满足铝合金对其应用环境的适用性，因此，通常在合金表面涂覆一层涂料，以增强铝合金的防腐防锈能力。附着力是涂料和铝合金界面之间结合强度的指标，水性环氧底漆在铝合金底材上附着力较低，大约在4MPa左右，虽然勉强达到行业标准，但仍存在漆膜易剥落的问题。
现有技术通常采用环氧树脂和有机胺共同作为水性环氧底漆的固化剂组分来增加涂料的附着力，机理如式1、2所示：
虽然相对于其他类型涂料，环氧树脂交联固化过程中产生了大量的羟基，可以通过氢键作用增强水性环氧底漆在金属底材上的附着力，但仍然经常达不到使用要求，涂膜剥离脱落问题依然存在。
还有通过添加小分子液体硅烷偶联剂来提高水性环氧底漆在铝合金底材上附着力，改善漆膜剥落问题的研究，但往往存在强度低、附着力增强作用不明显的问题，这是因为硅烷偶联剂为小分子液态，使用条件受环境影响较大，储存过程中易水解为小分子，不仅不能增加漆膜附着力，反而作为表面活性剂大幅度降低了漆膜的层间结合力。
常规的用于增强附着力的硅烷偶联剂如KH550、KH560、KH570，在涂膜中直接与环氧树脂或者胺类固化剂等主体树脂反应，形成偶联作用，但是与主体树脂的反应会造成硅烷偶联剂在涂膜中倾向于均匀分布，无法集中分布在合金底材与涂层界面之间，存在附着力增强效果不佳的问题。
发明内容
本发明的目的在于提供一种硅烷偶联剂化学改性纳米级硅溶胶锚固剂及制备方法，具体技术方案如下：
一种硅烷偶联剂化学改性纳米级硅溶胶锚固剂，所述锚固剂由含异氰酸酯基团的硅烷偶联剂与纳米级硅溶胶通过化学键接枝聚合，具体化学键键合简式如式3所示：
所述含异氰酸酯基团的硅烷偶联剂结构通式为O＝C＝N-R-SiX3，R为C1-C8基团，X为能水解的烷氧基团。
所述C1-C8基团为C3-C8直链或支链烷基，烷氧基为甲氧基或乙氧基。
所述纳米级硅溶胶为经过表面改性的碳羟基的硅溶胶，如阿克苏诺贝尔公司的水性纳米胶体硅Bindzil CC 301、Bindzil CC 401、Bindzil CC 151HS。
所述锚固剂的制备方法，将含异氰酸酯基团的硅烷偶联剂与纳米级硅溶胶均匀混合，并搅拌熟化24-30h。
所述含异氰酸酯基团的硅烷偶联剂与纳米级硅溶胶的混合质量比为10:(1-2)；
所述锚固剂或所述制备方法制备得到的锚固剂能够用于增强木器涂料、汽车涂料、防腐涂料在底材上的附着力。
所述锚固剂用于增强水性环氧底漆在铝合金底材上的附着力。
锚固剂添加到水性环氧底漆的固化剂中，在固化剂中质量分数为
6-18％。
通过在木器涂料、汽车涂料、防腐涂料如水性环氧底漆的固化剂中添加上述锚固剂，可以大量引入对附着力有促进作用的硅氧烷基团，硅氧烷基团水解、缩合后形成的羟基与底材形成氢键、共价键，进而提高涂层在底材上的附着力；本申请创造性的是，引入的硅氧烷基团通过异氰酸酯基与硅溶胶中羟基的加成作用，被固定到具有一定强度的硅溶胶表面，形成纳米级粒径固态预聚物，进而集中分布在涂层与底材之间，显著提高涂膜与底材的氢键结合作用，进而提高环氧底漆在铝合金底材上的附着力。
本发明的有益效果为：
(1)相对于液态小分子硅烷偶联剂，本发明提供的溶胶形态的锚固剂既有纳米二氧化硅粒子的刚性骨架，又有与底材能够偶联的长链硅氧烷链段，而且二者已经通过化学反应进行枝接，具有强度高、化学性质稳定的优点；硅烷偶联剂上的硅烷氧基水解后的羟基位于纳米级硅溶胶外部，能有效提升环氧底漆在铝合金底材上的附着力；
(2)利用将本发明锚固剂制备的水性环氧底漆，对铝合金底材的附着力达到7.5MPa，防腐效果显著，有效提高涂料的涂膜物理性能，施工性能，进而显著提升铝合金对各种应用环境的适应能力。
附图说明
图1为实施例1中本发明提供的纳米级硅溶胶锚固剂YMT-N563用量与附着力的关系曲线图。
具体实施方式
本发明提供了一种硅烷偶联剂化学改性纳米级硅溶胶锚固剂及制备方法，下面结合附图和实施例对本发明做进一步的说明。
实施例1
硅烷偶联剂化学改性纳米级硅溶胶锚固剂YMT-N563，其中硅烷偶联剂选择迈图有机硅公司的硅烷偶联剂A-Link 25，结构式如式4所示；
纳米级硅溶胶选择阿克苏诺贝尔公司的水性纳米胶体硅Bindzil CC
301，结构式如式5所示；
硅烷偶联剂A-Link 25中的异氰酸酯基团O＝C＝N-与水性纳米胶体硅Bindzil CC301中的羟基-OH通过化学键键合形成锚固剂YMT-N563，制备方法具体为：
将硅烷偶联剂A-Link 25和纳米胶体硅Bindzil CC 301按照质量比10:1均匀混合，并在500-800r/min转速下搅拌10-15分钟，静置熟化24小时以上即可得到硅烷偶联剂化学改性纳米级硅溶胶锚固剂YMT-N563。
熟化过程中，水性纳米胶体硅Bindzil CC 301与硅烷偶联剂A-Link 25发生加成反应，硅烷偶联剂枝接到胶体硅表面，是一种化学改性创新性的硅烷偶联剂化学改性纳米级硅溶胶锚固剂。
实施例2
利用实施例1得到的锚固剂YMT-N563，制备水性环氧底漆，并测试其附着力。
(1)按照表1配方，通过以下步骤制备双组份水性环氧底漆主剂：
a.加入原料1，在500-800r/min转速下，按照先后顺序依次加入原料2-7，搅拌5-10min；
b.将转速提高为800-1200r/min，将原料8、9按先后顺序加入步骤(a)溶液中，2000-2500r/min高速搅拌20-30min至均匀分散，然后研磨至细度≤30μm；
c.在800-1200r/min转速下，依次加入10-12，搅拌20min后静置24h后使用；
表1双组份水性环氧底漆主剂配方
(2)按照表2配方，制备水性环氧底漆固化剂：在800-1200r/min转速下，加入表2顺序依次加入原料1-3，搅拌至均匀分散，即得到固化剂。
表2双组份水性环氧底漆固化剂配方
其中纳米级硅溶胶锚固剂YMT-N563的百分比含量分别为0％、3％、6％、9％、12％、15％、18％。
(3)将步骤(1)得到的主剂和步骤(2)得到的固化剂按照重量百分比8:1的比例混合，并搅拌至均匀分散，加入去离子水稀释10-15％后，即得到添加有不同比例纳米级硅溶胶锚固剂YMT-N563的水性环氧底漆。
将得到的水性环氧底漆采用空气喷涂进行制板，检测其底漆与基材的结合状况，具体操作为：
采用BGD500数显拉开法附着力测定仪，将含有不同比例纳米级硅溶胶锚固剂YMT-N563的水性环氧底漆以均匀厚度施涂于表面结构一致的平板上，利用拉开法测定其附着力，具体检测结果如表3所示：
表3纳米级硅溶胶锚固剂YMT-N563的用量与附着力的关系表
将表3绘制成曲线，得到附图1所示曲线图；
从表3或附图1数据可以看出，随着YMT-N563含量从0-12％，附着力由4.02MPa提升至7.51MPa，对附着力提升达到最佳效果，之后随着纳米级硅溶胶锚固剂YMT-N563用量的增加，对附着力提升效果不明显，逐渐趋于稳定，是因为过多的纳米级硅溶胶锚固剂在溶液中形成团聚物，不会直接作用在底材和涂膜的界面上用于提升附着力。

Claims (9)

1.一种硅烷偶联剂化学改性纳米级硅溶胶锚固剂，其特征在于，所述锚固剂由含异氰酸酯基团的硅烷偶联剂与纳米级硅溶胶通过化学键接枝聚合。
2.根据权利要求1所述锚固剂，其特征在于，所述含异氰酸酯基团的硅烷偶联剂结构通式为O＝C＝N-R-SiX3，R为C1-C8基团，X为能水解的烷氧基。
3.根据权利要求2所述锚固剂，其特征在于，所述C1-C8基团为C3-C8直链或支链烷基，烷氧基为甲氧基或乙氧基。
4.根据权利要求1所述锚固剂，其特征在于，所述纳米级硅溶胶为经过表面改性的碳羟基的硅溶胶。
5.权利要求1所述锚固剂的制备方法，其特征在于，将含异氰酸酯基团的硅烷偶联剂与纳米级硅溶胶均匀混合，并搅拌熟化24-30h。
6.根据权利要求5所述制备方法，其特征在于，所述含异氰酸酯基团的硅烷偶联剂与纳米级硅溶胶的混合质量比为10:(1-2)；
7.一种权利要求1所述锚固剂的应用方法，其特征在于，所述锚固剂能够用于增强木器涂料、汽车涂料、防腐涂料在底材上的附着力。
8.根据权利要求7所述锚固剂的应用方法，其特征在于，所述锚固剂用于增强水性环氧底漆在铝合金底材上的附着力。
9.根据权利要求8所述锚固剂的应用方法，其特征在于，锚固剂添加到水性环氧底漆的固化剂中，在固化剂中质量分数为6-18％。
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