CN109439173A - 一种水性聚氨酯光扩散涂料及其制备方法与应用 - Google Patents

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Abstract

本发明属于光学技术领域，公开了一种水性聚氨酯光扩散涂料及其制备方法与应用。该涂料按质量份数计由以下组分制成：50～70份水性聚氨酯树脂、5～15份有机硅微球的悬浮液、1～3份流平剂、0.3～1份分散剂、0.2～0.5份消泡剂、2～5份成膜剂、0.3～3份增稠剂。本发明制备的水性聚氨酯光扩散涂料使用有机硅微球的悬浮液作为光扩散剂组分，混合分散工艺简单，完美的解决了光扩散剂在水性树脂中的分散性问题；同时，灯管内壁涂层的制备工艺简单，操作效率高，涂层展现出了高透光率和高雾度，生产工艺过程中全部使用水为溶剂，无VOC，环保绿色，产品具有低成本，高附加值，适合大规模生产。

Description

一种水性聚氨酯光扩散涂料及其制备方法与应用
技术领域
本发明属于光学技术领域，特别涉及一种水性聚氨酯光扩散涂料及其制备方法与应用。
背景技术
LED作为点光源，直接照明时光线非常刺眼、眩晕，会产生光污染问题。目前，普遍的做法是在LED光源外部增加具有光扩散效果的灯罩，使得透射出来的光线产生折射和散射，从而使照射的光线变得均匀、柔和、不刺眼。LED照明常用的灯罩是管状，使用的材料一般为玻璃和高透光性的塑料，为了使玻璃或透明塑料的灯管具有光扩散性能，现有技术中多采用溶剂型的光扩散涂料对灯管的内外表面进行涂覆，形成光扩散层，从而使发出的光线产生折射和散射，形成柔和的光线。然而，使用溶剂型的光扩散涂料会产生大量的VOC，不仅损害人体健康，还严重污染环境。因此，水性光扩散涂料越来越受到人们的青睐。水性光扩散涂料的制备，需要在水性涂料中加入一定量的光扩散剂，目前，市场上光扩散剂主要是有机树脂微球(PMMA、PS等)、无机型微球(纳米硫酸钡、碳酸钙和二氧化硅等)和有机硅微球，其中有机硅微球制备的光扩散材料具有透光率高、雾度好、添加量低等显著优势，被广泛应用于光扩散材料的制备。中国公开文本CN104017448A中发明了一种水性光扩散涂料，使用的光扩散剂为无机型光扩散剂纳米碳酸钙和纳米氧化铝，而无机型的光扩散剂是一种实心微球，光线不能透射，严重影响透光率；同时，还存在添加量高，不易分散均匀等问题。中国公开文本CN104629564A中发明的一种水性光扩散涂料使用的光扩散剂也同样都是无机型的钛白粉、硫酸钡、滑石粉等，这些光扩散剂本身都不透明，而且质地坚硬，制备的涂层容易产生缺陷或龟裂。
发明内容
为了克服上述现有技术的缺点与不足，本发明的首要目的在于提供一种水性聚氨酯光扩散涂料。
本发明另一目的在于提供上述水性聚氨酯光扩散涂料的制备方法。
本发明再一目的在于提供上述水性聚氨酯光扩散涂料在光学板材或膜材中的应用。
本发明的目的通过下述方案实现：
一种水性聚氨酯光扩散涂料，按质量份数计包括以下组分：
所述水性聚氨酯光扩散涂料的粘度为500～1000mpa.s。
所述水性聚氨酯树脂的固含量为40～50wt％，粘度为200～500mpa.s。
所述有机硅微球的悬浮液的溶剂为水，其浓度为5～20wt％，优选为10～15wt％。
所述流平剂为水性流平剂，优选为BYK-333。
所述分散剂为磷酸三钠、焦磷酸钠和六偏磷酸钠中的至少一种。
所述消泡剂为水性消泡剂，优选为DAB-420和BYK-024中的至少一种。
所述成膜剂为乙二醇、丙二醇、苯甲醇、乙二醇丁醚、丙二醇丁醚、丙二醇苯醚和十二碳醇酯中的至少一种。
所述增稠剂为聚氨酯类增稠剂，优选为Rheovis AS 1130。
所述的有机硅微球悬浮液具体由以下方法制备得到：按质量份数计，将5～12份硅烷和60～90份的水混合并加热搅拌一段时间后，向其中加入0.04～0.1份酸性催化剂，搅拌至得到无色透明溶液；再向其中加入0.2～0.5份碱性催化剂，继续搅拌至得到浑浊溶液，即得到有机硅微球的悬浮液；
所述硅烷为甲基三甲氧基硅烷、甲基三乙氧基硅烷、二甲基二甲氧基硅烷、二甲基二乙氧基硅烷、苯基三甲氧基硅烷、苯基三乙氧基硅烷和乙烯基三甲氧基硅烷中的至少一种；
所述的加热搅拌一段时间是指在40～60℃下，以速度为200～300r/min，搅拌5～30s；
所述的酸性催化剂为盐酸的水溶液、磷酸的水溶液、硫酸的水溶液、甲酸的水溶液、乙酸的水溶液和草酸的水溶液中的至少一种；
优选地，所述盐酸水溶液的浓度为5～15wt％、磷酸水溶液的浓度为6～20wt％、硫酸水溶液的浓度为7～12wt％、甲酸水溶液的浓度为10～20wt％、乙酸水溶液的浓度为20～30wt％、草酸水溶液的浓度为15～27wt％。
所述的碱性催化剂为氢氧化钠的水溶液、氢氧化钾的水溶液、三乙胺的水溶液、二乙胺的水溶液和氨水中的至少一种；
优选地，所述氢氧化钠水溶液的浓度为3～10wt％、氢氧化钾水溶液的浓度为3～10wt％、三乙胺水溶液的浓度为8～15wt％、二乙胺水溶液的浓度为10～18wt％、氨水溶液的浓度为10～20wt％。
一种上述水性聚氨酯光扩散涂料的制备方法，具体包括以下步骤：
(1)将有机硅微球的悬浮液、分散剂和水性聚氨酯树脂混合，超声搅拌分散得到混合溶液；
(2)将步骤(1)制备的混合溶液、流平剂、消泡剂和成膜剂混合，继续搅拌；再加入增稠剂搅拌均匀即得水性聚氨酯光扩散涂料。
步骤(1)中所述超声的频率为60～100W，搅拌速度为150～300r/min，超声搅拌的时间为10～40min。
上述水性聚氨酯光扩散涂料在光学板材或光学膜材上的应用，尤其是在LED灯管中应用。
当将上述水性聚氨酯光扩散涂料应用在LED灯管内部时，具体包括以下制备步骤：(1)将LED灯管的一端浸没在制备好的水性聚氨酯光扩散涂料中，然后另一端通过真空吸气的方式将水性聚氨酯光扩散涂料吸到上端管口，保持一定真空吸气的时间后恢复常压，灯管内水性聚氨酯光扩散涂料自动流下，在内壁上留下涂层；(2)取出灯管进行旋转和双端交替送出热风的方式进行干燥，即制得LED灯管内部涂层。
LED灯管内部涂层的制备方法中，步骤(1)所述真空吸气的时间为5～10s。
LED灯管内部涂层的制备方法中，步骤(2)所述旋转的速度为2～5r/min，双端交替送风的频率为5～10min/次，热风的温度控制在70～90℃，干燥的时间为10～30s。
本发明的机理为：
本发明合成的有机硅微球，并不让其脱水形成粉末状的干燥微球，而是在悬浮液中形成保留，并且在超声搅拌中不会团聚，因此本发明直接用水作为溶剂的悬浮液与水性的聚氨酯搅拌共混就能形成均一的混合涂料，工艺简单。同时有机硅微球光扩散保留了其有益的光扩散性能，使制备的LED突出具有良好的光扩散效果。
本发明相对于现有技术，具有如下的优点及有益效果：
(1)本发明提供用于LED灯管的水性聚氨酯光扩散涂料，过程简单，制备过程溶剂全部为水，没有用到其他有机溶剂，无VOC，环保无毒。
(2)本发明制备的水性聚氨酯光扩散涂料使用的是有机硅微球光扩散剂，由于粉体的有机硅微球为疏水性的难于分散在水性聚氨酯中，本发明中采用了有机硅微球的悬浮液，不用烘干为粉体，不仅减少了制备有机硅微球的工艺步骤，还减少了废水的排放，而且直接使用有机硅微球的悬浮液与水性聚氨酯混合，简单混合，分散均匀。
(3)本发明中使用的有机硅微球的悬浮液带有弱碱性，配合碱溶胀型的聚氨酯类增稠剂可以快速的调节水性聚氨酯涂料的粘度，从而满足不同壁厚涂层的要求。
(4)本发明中只在LED灯管内壁制备涂层，制备方法简单，而且厚度可控；同时，在灯管内壁的涂层不容易被刮花，使用过程中不会影响光扩散效果。
具体实施方式
下面结合实施例对本发明作进一步详细的描述，但本发明的实施方式不限于此。
实施例中所用试剂如无特殊说明均可从市场常规购得。水性聚氨酯树脂(巴斯夫PU-2960，固含量40wt％)。DAB-420(东莞市恒丰新材料有限公司)
有机硅微球悬浮液按照以下方法制备得到：(1)将5份的甲基三乙氧基硅烷、2份苯基三甲氧基硅烷和62.7份的去离子水加入到烧瓶中，在50℃以200r/min的速度搅拌5s；(2)然后向烧瓶中加入0.1份的15wt％盐酸的水溶液，并继续搅拌至无色透明；(3)最后加入0.2份的10wt％的氢氧化钠水溶液，继续搅拌90min至得到浑浊溶液，即得浓度为10wt％的有机硅微球的悬浮液，备用。
实施例1
一种水性聚氨酯光扩散涂料，按质量份数计由以下组分制成：60份水性聚氨酯树脂、5份实施例1制备的有机硅微球的悬浮液、1份流平剂BYK-333、0.3份分散剂磷酸三钠、0.2份消泡剂DAB-420、2份成膜剂十二碳醇酯、0.3份增稠剂Rheovis AS 1130。
制备步骤如下：
(1)将制备的有机硅微球的悬浮液和分散剂磷酸三钠加入到水性聚氨酯树脂中，以150r/min的搅拌速度，60W的超声频率，搅拌超声分散10min，得到混合溶液；
(2)然后向步骤(1)制得的混合溶液中加入流平剂BYK-333、消泡剂DAB-420和成膜剂十二碳醇酯，以250r/min的速度继续搅拌20min；最后加入增稠剂Rheovis AS 1130，调节制备的水性聚氨酯涂料的粘度为500mpa.s，即得水性聚氨酯光扩散涂料。
实施例2
一种水性聚氨酯光扩散涂料，按质量份数计由以下组分制成：60份水性聚氨酯树脂、10份实施例1制备的有机硅微球的悬浮液、1份流平剂BYK-333、0.5份分散剂焦磷酸钠、0.3份消泡剂DAB-420、3份成膜剂十二碳醇酯、0.3份增稠剂Rheovis AS 1130。
制备步骤如下：
(1)将有机硅微球的悬浮液和分散剂焦磷酸钠加入到水性聚氨酯树脂中，以200r/min的搅拌速度，超声频率为100W，搅拌超声分散15min，得到混合溶液；
(2)然后向步骤(1)制得的混合溶液中加入流平剂BYK-333、消泡剂DAB-420和成膜剂十二碳醇酯，以250r/min的速度继续搅拌20min；最后加入增稠剂Rheovis AS 1130，调节制备的水性聚氨酯涂料的粘度为600mpa.s，即得水性聚氨酯光扩散涂料。
实施例3
一种水性聚氨酯光扩散涂料，按质量份数计由以下组分制成：60份水性聚氨酯树脂、15份实施例1制备的有机硅微球的悬浮液、3份流平剂BYK-333、1份分散剂焦磷酸钠、0.5份消泡剂BYK-024、3份成膜剂十二碳醇酯、1份增稠剂Rheovis AS 1130。
制备步骤如下：
(1)将有机硅微球的悬浮液和分散剂焦磷酸钠加入到水性聚氨酯树脂中，以300r/min的搅拌速度，超声频率为80W，搅拌超声分散20min，得到混合溶液；
(2)然后向步骤(1)中加入流平剂BYK-333、消泡剂BYK-024和成膜剂十二碳醇酯，以200r/min的速度继续搅拌20min；最后加入增稠剂Rheovis AS 1130，调节制备的水性聚氨酯涂料的粘度为800mpa.s，即得水性聚氨酯光扩散涂料。
实施例4
一种水性聚氨酯光扩散涂料，按质量份数计由以下组分制成：50份水性聚氨酯树脂、6份实施例1制备的有机硅微球的悬浮液、3份流平剂BYK-333、1份分散剂焦磷酸钠、0.5份消泡剂BYK-024、5份成膜剂丙二醇丁醚、0.5份增稠剂Rheovis AS 1130。
制备步骤如下：
(1)将制备的有机硅微球的悬浮液和分散剂焦磷酸钠加入到水性聚氨酯树脂中，以200r/min的搅拌速度，超声频率为80W，搅拌超声分散10min，得到混合溶液；
(2)然后向步骤(1)中加入流平剂BYK-333、消泡剂BYK-024和成膜剂丙二醇丁醚，以200r/min的速度继续搅拌20min；最后加入增稠剂Rheovis AS 1130，调节制备的水性聚氨酯涂料的粘度为600mpa.s，即得水性聚氨酯光扩散涂料。
实施例5
一种用于LED灯管的水性聚氨酯光扩散涂料，按质量份数计由以下组分制成：50份水性聚氨酯树脂、12份实施例1制备的有机硅微球的悬浮液、1份流平剂BYK-333、0.5份分散剂焦磷酸钠、0.3份消泡剂DAB-420、3份成膜剂十二碳醇酯、0.3份增稠剂Rheovis AS 1130。
制备步骤如下：
(1)将制备的有机硅微球的悬浮液和分散剂焦磷酸钠加入到水性聚氨酯树脂中，以200r/min的搅拌速度，超声频率为60W，搅拌超声分散20min，得到混合溶液；
(2)然后向步骤(1)中加入流平剂BYK-333、消泡剂DAB-420和成膜剂十二碳醇酯，以250r/min的速度继续搅拌40min；最后加入增稠剂Rheovis AS 1130，调节制备的水性聚氨酯涂料的粘度为700mpa.s，即得水性聚氨酯光扩散涂料。
实施例6
一种用于LED灯管的水性聚氨酯光扩散涂料，按质量份数计由以下组分制成：50份水性聚氨酯树脂、15份实施例1制备的有机硅微球的悬浮液、3份流平剂BYK-333、1份分散剂焦磷酸钠、0.5份消泡剂BYK-024、5份成膜剂丙二醇丁醚、0.5份增稠剂Rheovis AS 1130。
制备步骤如下：
(1)将制备的有机硅微球的悬浮液和分散剂焦磷酸钠加入到水性聚氨酯树脂中，以200r/min的搅拌速度，超声频率为100W，搅拌超声分散10min，得到混合溶液；
(2)然后向步骤(1)中加入流平剂BYK-333、消泡剂BYK-024和成膜剂丙二醇丁醚，以200r/min的速度继续搅拌20min；最后加入增稠剂Rheovis AS 1130，调节制备的水性聚氨酯涂料的粘度为800mpa.s，即得水性聚氨酯光扩散涂料。
实施例7
一种用于LED灯管的水性聚氨酯光扩散涂料，按质量份数计由以下组分制成：70份水性聚氨酯树脂、15份实施例1制备的有机硅微球的悬浮液、2份流平剂BYK-333、0.8份分散剂磷酸三钠、0.5份消泡剂DAB-420、2份成膜剂十二碳醇酯、3份增稠剂Rheovis AS 1130。
制备步骤如下：
(1)将制备的有机硅微球的悬浮液和分散剂焦磷酸钠加入到水性聚氨酯树脂中，以250r/min的搅拌速度，超声频率为90W，搅拌超声分散20min，得到混合溶液；
(2)然后向步骤(1)中加入流平剂BYK-333、消泡剂DAB-420和成膜剂十二碳醇酯，以200r/min的速度继续搅拌20min；最后加入增稠剂Rheovis AS 1130，调节制备的水性聚氨酯涂料的粘度为1000mpa.s，即得水性聚氨酯光扩散涂料。
实施例8
(1)将LED灯管的一端分别浸没在实施例1～7制备的水性聚氨酯光扩散涂料中，然后另一端通过真空吸气的方式将水性聚氨酯光扩散涂料吸到上端管口，保持真空吸气10s后恢复常压，灯管内水性聚氨酯光扩散涂料自动流下，在内壁上留下涂层；
(2)取出灯管以速度为5r/min进行旋转，双端以频率为10min/次，交替送出30min温度为70℃的热风烘干涂层，即制得7种具有不同内部涂层的LED灯管。
作为对照组，将PU-2960和市售的动盈TDS 602水性光扩散涂料采用相同的方法制备得到具有内部涂层的LED灯管。
按照国家标准GB2410-2008进行透光率和雾度测试，测量结果如表1所示。
表1实施例1～7、PU-2960和市售水性光扩散涂料的性能测试结果
测试性能 实施例1 实施例2 实施例3 实施例4 实施例5 实施例6 实施例7 PU-2960 市售
透光率％ 88.5％ 87.6％ 87.8％ 88.2％ 87.3％ 85.6％ 88.7％ 93.2％ 82.1％
雾度％ 88.1％ 90.6％ 93.4％ 91.3％ 93.7％ 94.6％ 93.5％ 4.1％ 83.6％
从表1中可以看出，本发明中制备的水性聚氨酯光扩散涂料的透光率和雾度较市场购买的水性光扩散涂料有明显性能的提升，本发明制备的水性聚氨酯光扩散涂料由于加入了有机硅微球悬浮液的光扩散剂，其透光率较纯PU-2960有些许降低，但是雾度却急剧提升，雾度越高透射出来的光线越柔和、不刺眼，从而更好的满足消费者的需求，市场潜力巨大。
上述实施例为本发明较佳的实施方式，但本发明的实施方式并不受上述实施例的限制，其他的任何未背离本发明的精神实质与原理下所作的改变、修饰、替代、组合、简化，均应为等效的置换方式，都包含在本发明的保护范围之内。

Claims (10)

1.一种水性聚氨酯光扩散涂料，其特征在于，按质量份数计包括以下组分：
2.根据权利要求1所述的一种水性聚氨酯光扩散涂料，其特征在于：
所述水性聚氨酯光扩散涂料的粘度为500～1000mpa.s。
3.根据权利要求1所述的一种水性聚氨酯光扩散涂料，其特征在于：
所述水性聚氨酯树脂的固含量为40～50wt％，粘度为200～500mpa.s；
所述有机硅微球的悬浮液的溶剂为水，其浓度为5～20wt％；
所述流平剂为水性流平剂；
所述分散剂为磷酸三钠、焦磷酸钠和六偏磷酸钠中至少一种；
所述消泡剂为水性消泡剂；
所述成膜剂为乙二醇、丙二醇、苯甲醇、乙二醇丁醚、丙二醇丁醚、丙二醇苯醚和十二碳醇酯中的至少一种；
所述增稠剂为聚氨酯类增稠剂。
4.根据权利要求1所述的一种水性聚氨酯光扩散涂料，其特征在于：
所述有机硅微球的悬浮液的浓度为10～15wt％；
所述流平剂为BYK-333；
所述消泡剂为DAB-420和BYK-024中的至少一种；
所述增稠剂为Rheovis AS 1130。
5.根据权利要求1所述的一种水性聚氨酯光扩散涂料，其特征在于，所述的有机硅微球悬浮液具体由以下方法制备得到：
按质量份数计，将5～12份硅烷和60～90份的水混合并加热搅拌一段时间后，向其中加入0.04～0.1份酸性催化剂，搅拌至得到无色透明溶液；再向其中加入0.2～0.5份碱性催化剂，继续搅拌至得到浑浊溶液，即得到有机硅微球的悬浮液。
6.根据权利要求5所述的一种水性聚氨酯光扩散涂料，其特征在于：
所述硅烷为甲基三甲氧基硅烷、甲基三乙氧基硅烷、二甲基二甲氧基硅烷、二甲基二乙氧基硅烷、苯基三甲氧基硅烷、苯基三乙氧基硅烷和乙烯基三甲氧基硅烷中的至少一种；
所述的酸性催化剂为盐酸的水溶液、磷酸的水溶液、硫酸的水溶液、甲酸的水溶液、乙酸的水溶液和草酸的水溶液中的至少一种；
所述的碱性催化剂为氢氧化钠的水溶液、氢氧化钾的水溶液、三乙胺的水溶液、二乙胺的水溶液和氨水中的至少一种；
所述的加热搅拌一段时间是指在40～60℃下，以速度为200～300r/min，搅拌5～30s。
7.一种根据权利要求1～6任一项所述的水性聚氨酯光扩散涂料的制备方法，其特征在于，具体包括以下步骤：
(1)将有机硅微球的悬浮液、分散剂和水性聚氨酯树脂混合，超声搅拌分散得到混合溶液；
(2)将步骤(1)制备的混合溶液、流平剂、消泡剂和成膜剂混合，继续搅拌；再加入增稠剂搅拌均匀即得水性聚氨酯光扩散涂料。
8.根据权利要求7所述的一种水性聚氨酯光扩散涂料的制备方法，其特征在于：
步骤(1)中所述超声的频率为60～100W，搅拌速度为150～300r/min，超声搅拌的时间为10～40min；
步骤(2)所述的搅拌的速度为200～250r/min，搅拌时间为10～20min。
9.根据权利要求1～6任一项所述水性聚氨酯光扩散涂料在光学板材或光学膜材上的应用。
10.根据权利要求1～6任一项所述水性聚氨酯光扩散涂料在LED灯管中的应用。
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