CN109266194A - 一种高热发射率醇酸聚氨酯节能涂料 - Google Patents

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Abstract

本发明公开了一种高热发射率醇酸聚氨酯节能涂料，包括以下重量份原材料制备而成：聚氨酯乳液40‑60份，低聚醇酸树脂30‑50份，辐射填料5‑10份，改性剂1‑3份，氧化石墨烯0.01‑0.05份，光引发剂0.2‑0.5份，助剂2‑5份；该节能涂料对辐射填料进行针对性改性处理，使各原料之间相容性更好，同时，添加的氧化石墨烯材料，能增加辐射填料的热传导速度，提高辐射填料的热发射效率，显著提高了节能涂料的降温隔热效果和力学性能。

Description

一种高热发射率醇酸聚氨酯节能涂料
技术领域
本发明涉及节能材料领域，具体涉及一种高热发射率醇酸聚氨酯节能涂料。
背景技术
随着社会经济的快速发展，能源消耗量与日俱增，且现有的能源多为不可再生能源，导致能源紧缺的问题将越来越严峻，因此，大力发展节能材料，以减缓能源消耗速度，来维持经济的快速可持续发展成为必要。由于建筑物能量损耗而消耗的能源数量巨大，近年来，建筑节能越来越受到人们重视。建筑涂料作为一种重要的建筑材料，推行节能功能涂料对节约资源、促进社会经济可持续发展有重要意义。节能涂料按其节能原理的可分为阻隔型、辐射型、反射型，这三种节能涂料因隔热机理不同，性能特点、应用场合及节能效果也不相同。辐射型节能涂料作为节能功能涂料的典型，具有优异的降隔热功能，受到了业内人士的普遍关注并取得明显的发展。现有的辐射型节能涂料由于原料配方或制备方法的不合理，导致涂料中的辐射填料与成膜组分的相容性差、辐射填料热发射率低等缺陷，严重影响了辐射型节能涂料的综合性能，限制了辐射型涂料的应用。
发明内容
本发明的目的在于克服现有醇酸聚氨酯节能涂料存在的力学性能和热辐射效率较差的不足，提供一种高热发射率醇酸聚氨酯节能涂料；本发明节能涂料对辐射填料进行针对性改性处理，使各原料之间相容性更好，同时，添加的氧化石墨烯材料，能增加辐射填料的热传导速度，提高辐射填料的热发射效率，显著提高了节能涂料的降温隔热效果和力学性能。
为了实现上述发明目的，本发明提供了一种高热发射率醇酸聚氨酯节能涂料，包括以下重量份原材料制备而成：聚氨酯乳液40-60份，低聚醇酸树脂30-50 份，辐射填料5-10份，改性剂1-3份，光引发剂0.2-0.5份，氧化石墨烯0.01-0.05份，助剂2-5份。
其中，所述的低聚醇酸树脂的聚合度为20-80；聚合度越小，涂料固化后的硬度越大，但韧性越差，聚合度越大，涂料固化后的硬度越小，韧性越好；优选的，所述的低聚醇酸树脂的聚合度为40-50。
其中，所述的辐射填料为纳米三氧化二铁、纳米二氧化锰、纳米氧化铜中的一种或多种；优选的，所的辐射填料为摩尔比为2︰1︰1的纳米三氧化二铁、纳米二氧化锰和纳米氧化铜的混合物；通过优选，辐射填料的热发射效率更高。
其中，所述的改性剂为摩尔比为3︰1的三乙醇胺和乙二胺四乙酸铁铵 ；所述改性剂能显著改善氧化石墨烯、辐射填料和醇酸聚氨酯之间的相容性，能提高涂料的力学性能和热辐射效率。
所述的氧化石墨烯是通过以下制备方法制备得到的，包括以下步骤：
（a）将石墨粉加入由体积比为4︰1的质量百分数浓度为50%的硫酸溶液和质量百分数浓度为45%的硝酸溶液混合而成的酸溶液中搅拌混合得第一悬浊液；
（b）将第一悬浊液置入平行电场中，加入高锰酸钾粉末，加热搅拌，得第二悬浊液；
（c）将第二悬浊液冷却至室温后，加入浓度为1.5mol/L的过氧化氢溶液和浓度为1.0mol/L盐酸溶液，得到第三悬浊液；
（d）将第三悬浊液用去离子水洗涤、离心分离，得到沉淀物；
（e）将沉淀物在恒温条件下进行真空干燥，得到氧化石墨烯。
其中，优选的，步骤（a）所述石墨粉和混合酸溶液的质量体积比（g︰ml）为2︰100；优选的比例对石墨的氧化作用适当，得到的氧化石墨烯中上生成的活性基团较少，具有更好的热传导性能，与改性剂的键接能力更好。
其中，在步骤（b）中所述平行电场作用下，石墨分子发生极化作用，延电场方向的石墨电子活性更强，更容易被氧化，氧化条件更温和，更容易控制石墨烯上活性基团的数量；优选的，所述的平行电场强度为3.5-4.5KV/m； 在优选的电场强度下，石墨的氧化程度更易控制。
优选的，所述高锰酸钾粉末与石墨粉的质量比为1︰4；优选的比例对石墨的氧化作用适当，得到的氧化石墨烯中上生成的活性基团较少，具有更好的热传导性能，与改性剂的键接能力更好。
优选的，所述加热温度为50-60℃；优选的温度反应速度适中，过程更易控制，能源消耗小，生产成本低。
优选的，步骤（c）中第二悬浊液、过氧化氢溶液和盐酸溶液的体积比为50︰2︰5；在优选的体积比下，制备得到的氧化石墨烯纯度最好。
其中，所述的光引发剂是在光照条件下催化涂料固化的催化剂；优选的，所述的光引发剂包括苯甲酰甲酸甲酯、α-羟烷基苯酮、1-羟基环 已基苯甲酮中的一种或几种。
其中，所述的助剂包括成膜助剂、润湿分散剂、消泡剂、流平剂、胺类催干剂、防沉剂、抗流挂剂中的一种或几种。
为了实现上述发明目的，进一步的，本发明提供了一种高热发射率醇酸聚氨酯节能涂料的制备方法，包括以下步骤：
（1）在改性剂中加入氧化石墨烯，分散均匀后，加热反应，得到氧化石墨烯悬浊液；
（2）在氧化石墨烯悬浊液中加入辐射填料，超声波震荡处理，得到混合改性料；
（3）将混合改性料与聚氨酯乳液、低聚醇酸树脂、光引发剂、助剂搅拌混合均匀，得到高热发射率醇酸聚氨酯节能涂料。
其中，优选的，步骤（1）中加热反应的温度为50-60℃，该温度条件下，改性剂与氧化石墨烯的活性基团键接速度快。
其中，优选的，步骤（2）中超声波频率为50-80kHz，该频率下，氧化石墨烯与辐射填料结合更紧密，有利于热传导。
其中，优选的，步骤（3）中搅拌的速度为300-600r/min，该速度下，混合更均匀，涂料不易分层。
与现有技术相比，本发明的有益效果：
1、本发明中采用氧化石墨烯作为传热介质，能提高辐射填料的热发射率，从而显著增加节能涂料的降温隔热功能和力学性能。
2、本发明中采用改性剂对辐射填料进行处理，能提高辐射填料与醇酸聚氨酯的相容性，从而提高涂料膜层的力学性能。
3、本发明中的氧化石墨烯是经过针对性制备而成的，与改性剂键接能力更好，从而与辐射填料混合后，会使辐射填料具有更好相容性的同时，具有更好的导热性，对提高辐射填料的热发射率和力学性能具有积极作用。
4、本发明制备方法能使氧化石墨烯与辐射填料结合更紧密，有利于热传导，对提高辐射填料的热发射率具有积极作用。
5、本发明制备方法简单、可靠，适合节能涂料的大规模、工业化生产。
具体实施方式
下面结合试验例及具体实施方式对本发明作进一步的详细描述。但不应将此理解为本发明上述主题的范围仅限于以下的实施例，凡基于本发明内容所实现的技术均属于本发明的范围。
实施例1
制备氧化石墨烯：
（a）将8g的石墨粉加入400ml的由体积比为4︰1的质量百分数浓度为50%的硫酸溶液和质量百分数浓度为45%的硝酸溶液混合而成的酸溶液中搅拌混合得第一悬浊液；
（b）将第一悬浊液置入强度为4.0KV/m平行电场中，加入2g高锰酸钾粉末，加热搅拌，得第二悬浊液；
（c）将第二悬浊液冷却至室温后，加入8ml的浓度为1.5mol/L的过氧化氢溶液和20ml的浓度为1.0mol/L盐酸溶液，得到第三悬浊液；
（d）将第三悬浊液用去离子水洗涤、离心分离，得到沉淀物；
（e）将沉淀物在恒温条件下进行真空干燥，得到氧化石墨烯；
制备节能涂料：
（1）在0.2kg的摩尔比为3︰1的三乙醇胺和乙二胺四乙酸铁铵 的混合溶液中加入3g氧化石墨烯，分散均匀后，加热至55℃反应1.5h，得到氧化石墨烯悬浊液；
（2）在氧化石墨烯悬浊液中加入0.8kg的摩尔比为2︰1︰1的纳米三氧化二铁、纳米二氧化锰和纳米氧化铜，用频率为65kHz的超声波震荡处理20min，得到混合改性料；
（3）将混合改性料与5.0kg的聚氨酯乳液、4kg聚合度为40的低聚醇酸树脂、35g的苯甲酰甲酸甲酯、0.4kg的成膜助剂在400r/min的速度下搅拌混合均匀，得到高热发射率醇酸聚氨酯节能涂料。
实施例2
制备氧化石墨烯：
（a）将8g的石墨粉加入400ml的由体积比为4︰1的质量百分数浓度为50%的硫酸溶液和质量百分数浓度为45%的硝酸溶液混合而成的酸溶液中搅拌混合得第一悬浊液；
（b）将第一悬浊液置入强度为3.5KV/m平行电场中，加入2g高锰酸钾粉末，加热搅拌，得第二悬浊液；
（c）将第二悬浊液冷却至室温后，加入8ml的浓度为1.5mol/L的过氧化氢溶液和20ml的浓度为1.0mol/L盐酸溶液，得到第三悬浊液；
（d）将第三悬浊液用去离子水洗涤、离心分离，得到沉淀物；
（e）将沉淀物在恒温条件下进行真空干燥，得到氧化石墨烯；
制备节能涂料：
（1）在0.1kg的摩尔比为3︰1的三乙醇胺和乙二胺四乙酸铁铵 的混合溶液中加入1g氧化石墨烯，分散均匀后，加热至60℃反应1h，得到氧化石墨烯悬浊液；
（2）在氧化石墨烯悬浊液中加入1kg的摩尔比为2︰1︰1的纳米三氧化二铁、纳米二氧化锰和纳米氧化铜，用频率为50kHz的超声波震荡处理30min，得到混合改性料；
（3）将混合改性料与6kg的聚氨酯乳液、3kg聚合度为20的低聚醇酸树脂、20g的α-羟烷基苯酮、0.1kg的流平剂、0.1kg的胺类催干剂在300r/min的速度下搅拌混合均匀，得到高热发射率醇酸聚氨酯节能涂料。
实施例3
制备氧化石墨烯：
（a）将8g的石墨粉加入400ml的由体积比为4︰1的质量百分数浓度为50%的硫酸溶液和质量百分数浓度为45%的硝酸溶液混合而成的酸溶液中搅拌混合得第一悬浊液；
（b）将第一悬浊液置入强度为4.5KV/m平行电场中，加入2g高锰酸钾粉末，加热搅拌，得第二悬浊液；
（c）将第二悬浊液冷却至室温后，加入8ml的浓度为1.5mol/L的过氧化氢溶液和20ml的浓度为1.0mol/L盐酸溶液，得到第三悬浊液；
（d）将第三悬浊液用去离子水洗涤、离心分离，得到沉淀物；
（e）将沉淀物在恒温条件下进行真空干燥，得到氧化石墨烯；
制备节能涂料：
（1）在0.3kg的摩尔比为3︰1的三乙醇胺和乙二胺四乙酸铁铵 的混合溶液中加入5g氧化石墨烯，分散均匀后，加热至50℃反应2h，得到氧化石墨烯悬浊液；
（2）在氧化石墨烯悬浊液中加入0.5kg的摩尔比为2︰1︰1的纳米三氧化二铁、纳米二氧化锰和纳米氧化铜，用频率为80kHz的超声波震荡处理10min，得到混合改性料；
（3）将混合改性料与4kg的聚氨酯乳液、5kg聚合度为80的低聚醇酸树脂、50g的1-羟基环 已基苯甲酮、0.5kg的抗流挂剂在600r/min的速度下搅拌混合均匀，得到高热发射率醇酸聚氨酯节能涂料。
对比例1
制备氧化石墨烯：
（a）将8g的石墨粉加入400ml的由体积比为4︰1的质量百分数浓度为50%的硫酸溶液和质量百分数浓度为45%的硝酸溶液混合而成的酸溶液中搅拌混合得第一悬浊液；
（b）在第一悬浊液中加入2g高锰酸钾粉末，加热搅拌，得第二悬浊液；
（c）将第二悬浊液冷却至室温后，加入8ml的浓度为1.5mol/L的过氧化氢溶液和20ml的浓度为1.0mol/L盐酸溶液，得到第三悬浊液；
（d）将第三悬浊液用去离子水洗涤、离心分离，得到沉淀物；
（e）将沉淀物在恒温条件下进行真空干燥，得到氧化石墨烯；
制备节能涂料：
（1）在0.2kg的摩尔比为3︰1的三乙醇胺和乙二胺四乙酸铁铵 的混合溶液中加入3g氧化石墨烯，分散均匀后，加热至55℃反应1.5h，得到氧化石墨烯悬浊液；
（2）在氧化石墨烯悬浊液中加入0.8kg的摩尔比为2︰1︰1的纳米三氧化二铁、纳米二氧化锰和纳米氧化铜，用频率为65kHz的超声波震荡处理20min，得到混合改性料；
（3）将混合改性料与5kg的聚氨酯乳液、4kg聚合度为40的低聚醇酸树脂、35g的苯甲酰甲酸甲酯、0.4kg的成膜助剂在400r/min的速度下搅拌混合均匀，得到醇酸聚氨酯节能涂料。
对比例2
制备氧化石墨烯：
（a）将8g的石墨粉加入400ml的由体积比为4︰1的质量百分数浓度为50%的硫酸溶液和质量百分数浓度为45%的硝酸溶液混合而成的酸溶液中搅拌混合得第一悬浊液；
（b）将第一悬浊液置入强度为4.0KV/m平行电场中，加入2g高锰酸钾粉末，加热搅拌，得第二悬浊液；
（c）将第二悬浊液冷却至室温后，加入8ml的浓度为1.5mol/L的过氧化氢溶液和20ml的浓度为1.0mol/L盐酸溶液，得到第三悬浊液；
（d）将第三悬浊液用去离子水洗涤、离心分离，得到沉淀物；
（e）将沉淀物在恒温条件下进行真空干燥，得到氧化石墨烯；
制备节能涂料：
（1）将3g氧化石墨烯，与0.8kg的摩尔比为2︰1︰1的纳米三氧化二铁、纳米二氧化锰和纳米氧化铜，用频率为65kHz的超声波震荡混合处理20min，得到混合料；
（2）将混合料与5kg的聚氨酯乳液、4kg聚合度为40的低聚醇酸树脂、35g的苯甲酰甲酸甲酯、0.4kg的成膜助剂在400r/min的速度下搅拌混合均匀，得到醇酸聚氨酯节能涂料。
对比例3
制备氧化石墨烯：
（a）将8g的石墨粉加入400ml的由体积比为4︰1的质量百分数浓度为50%的硫酸溶液和质量百分数浓度为45%的硝酸溶液混合而成的酸溶液中搅拌混合得第一悬浊液；
（b）将第一悬浊液置入强度为4.0KV/m平行电场中，加入2g高锰酸钾粉末，加热搅拌，得第二悬浊液；
（c）将第二悬浊液冷却至室温后，加入8ml的浓度为1.5mol/L的过氧化氢溶液和20ml的浓度为1.0mol/L盐酸溶液，得到第三悬浊液；
（d）将第三悬浊液用去离子水洗涤、离心分离，得到沉淀物；
（e）将沉淀物在恒温条件下进行真空干燥，得到氧化石墨烯；
制备节能涂料：
（1）在0.2kg的摩尔比为3︰1的三乙醇胺和乙二胺四乙酸铁铵 的混合溶液中加入3g氧化石墨烯和0.8kg的摩尔比为2︰1︰1的纳米三氧化二铁、纳米二氧化锰和纳米氧化铜，用频率为65kHz的超声波震荡处理20min，得到混合改性料；
（2）将混合改性料与5kg的聚氨酯乳液、4kg聚合度为40的低聚醇酸树脂、35g的苯甲酰甲酸甲酯、0.4kg的成膜助剂在400r/min的速度下搅拌混合均匀，得到醇酸聚氨酯节能涂料。
对比例4
（1）在0.2kg的摩尔比为1︰1的三乙醇胺和乙二胺四乙酸铁铵 的混合溶液中加入3g常规方法制备得到的氧化石墨烯，分散均匀后，加热至55℃反应1.5h，得到氧化石墨烯悬浊液；
（2）在氧化石墨烯悬浊液中加入0.8kg的摩尔比为2︰1︰1的纳米三氧化二铁、纳米二氧化锰和纳米氧化铜，用频率为65kHz的超声波震荡处理20min，得到混合改性料；
（3）将混合改性料与5kg的聚氨酯乳液、4kg聚合度为40的低聚醇酸树脂、35g的苯甲酰甲酸甲酯、0.4kg的成膜助剂在400r/min的速度下搅拌混合均匀，得到醇酸聚氨酯节能涂料。
对比例5
（1）在0.2kg的摩尔比为3︰1的三乙醇胺和乙二胺四乙酸铁铵 的混合溶液中加入0.8kg的摩尔比为2︰1︰1的纳米三氧化二铁、纳米二氧化锰和纳米氧化铜，用频率为65kHz的超声波震荡处理20min，得到混合改性料；
（2）将混合改性料与5kg的聚氨酯乳液、4kg聚合度为40的低聚醇酸树脂、35g的苯甲酰甲酸甲酯、0.4kg的成膜助剂在400r/min的速度下搅拌混合均匀，得到醇酸聚氨酯节能涂料。
将上述实施例1-3和对比例1-5中制备得到的节能涂料，进行性能检测（检测试样厚度为2mm，宽度为12mm），记录数据如下：
性能 法向热发射率 拉伸强度（MPa） 断裂伸长率（%）
实施例1 0.659 3.82 83.63
实施例2 0.653 3.81 76.84
实施例3 0.661 3.78 91.52
对比例1 0.543 2.86 51.67
对比例2 0.561 3.16 63.25
对比例3 0.613 3.72 86.21
对比例4 0.608 4.01 46.32
对比例5 0.508 2.31 49.68
对上述实验数据分析可知，实施例1-3中采用本发明方法制备得到的节能涂料，热发射率高，力学性能好；而对比例1中，氧化石墨烯的制备过程，未在电场中进行氧化，石墨粉氧化程度低，石墨烯含量低，导热性差，与原材料的相容性差，得到的节能涂料热发射率和力学性能显著降低；对比例2中，未加入改性剂对氧化石墨烯和辐射填料进行改性处理，导致其与原材料的相容性差，氧化石墨烯与辐射填料结合性差，得到的节能涂料热发射率显著降低，力学性能显著降低；对比例3中，在制备过程中，未按照本发明规定的顺序对氧化石墨烯和辐射填料进行改性处理，导致氧化石墨烯与辐射填料结合差，导致节能涂料的热发射率有较大的程度的下降；对比例4中，使用的氧化石墨烯是常规的，其上的活性基团多，导热性下降，与辐射填料结合后，对辐射填料的热发射率增强作用降低，导致得到的节能涂料热发射率降低；对比例5中未添加石墨烯，节能涂料的热发射率和力学性能都显著降低。

Claims (10)

1. 一种高热发射率醇酸聚氨酯节能涂料，包括以下重量份原材料制备而成：聚氨酯乳液40-60份，低聚醇酸树脂30-50 份，辐射填料5-10份，改性剂1-3份，氧化石墨烯0.01-0.05份，光引发剂0.2-0.5份，助剂2-5份；所述的辐射填料为纳米三氧化二铁、纳米二氧化锰、纳米氧化铜中的一种或多种；所述的改性剂为摩尔比为3︰1的三乙醇胺和乙二胺四乙酸铁铵；所述的低聚醇酸树脂的聚合度为20-80。
2.根据权利要求1所述的节能涂料，其特征在于，所的辐射填料为摩尔比为2︰1︰1的纳米三氧化二铁、纳米二氧化锰和纳米氧化铜的混合物。
3.根据权利要求1所述的节能涂料，其特征在于，所述的氧化石墨烯是通过以下制备方法制备得到的，包括以下步骤：
（a）将石墨粉加入由体积比为4︰1的质量百分数浓度为50%的硫酸溶液和质量百分数浓度为45%的硝酸溶液混合而成的酸溶液中搅拌混合得第一悬浊液；
（b）将第一悬浊液置入平行电场中，加入高锰酸钾粉末，加热搅拌，得第二悬浊液；
（c）将第二悬浊液冷却至室温后，加入浓度为1.5mol/L的过氧化氢溶液和浓度为1.0mol/L盐酸溶液，得到第三悬浊液；
（d）将第三悬浊液用去离子水洗涤、离心分离，得到沉淀物；
（e）将沉淀物在恒温条件下进行真空干燥，得到氧化石墨烯。
4.根据权利要求3所述的节能涂料，其特征在于，步骤（a）中石墨粉和混合酸溶液的质量体积比（g︰ml）为2︰100。
5. 根据权利要求3所述的节能涂料，其特征在于， 步骤（b）中平行电场强度为3.5-4.5KV/m。
6.根据权利要求3所述的节能涂料，其特征在于，步骤（b）中高锰酸钾粉末与石墨粉的质量比为1︰4。
7.根据权利要求3所述的节能涂料，其特征在于，步骤（c）中第二悬浊液、过氧化氢溶液和盐酸溶液的体积比为50︰2︰5。
8.一种如权利要求1-7任一项所述的节能涂料的制备方法，其特征在于，包括以下步骤：
（1）在改性剂中加入氧化石墨烯，分散均匀后，加热反应，得到氧化石墨烯悬浊液；
（2）在氧化石墨烯悬浊液中加入辐射填料，超声波震荡处理，得到混合改性料；
（3）将混合改性料与聚氨酯乳液、低聚醇酸树脂、光引发剂、助剂搅拌混合均匀，得到高热发射率醇酸聚氨酯节能涂料。
9.根据权利要求8所述的制备方法，其特征在于，步骤（1）中加热反应的温度为50-60℃。
10.根据权利要求8所述的制备方法，其特征在于，步骤（2）中超声波频率为50-80kHz。
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