CN109694592A - 一种有机硅包覆的水性铝颜料的制备方法及水性铝颜料 - Google Patents

一种有机硅包覆的水性铝颜料的制备方法及水性铝颜料 Download PDF

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Abstract

本发明公开了一种有机硅包覆的水性铝颜料的制备方法及铝颜料。方法包括：(1)铝粉表面的洗涤：(2)铝粉表面羟基化处理：经洗涤后的铝粉与有机溶剂2混合，加入处理液对铝粉表面羟基化；(3)有机硅包覆铝粉：羟基化处理后的铝粉、有机溶剂3与催化剂混合，将混合液滴加至含有活泼性反应基团的聚硅氧烷溶液中反应，过滤、洗涤、干燥获得包覆后的铝粉。本发明采用了具有反应活性的有机硅氧烷，在铝粉表面接枝、缩合交联，实现了铝粉的微胶囊化，制备的铝颜料具有耐水性好、抗腐蚀、光泽度高的特点，并与水性涂料乳液有良好的相容性。此技术反应简单、成本低，有产业化前景，属于环境友好型技术。

Description

一种有机硅包覆的水性铝颜料的制备方法及水性铝颜料
技术领域
本发明涉及涂料技术领域，进一步地说，是涉及一种有机硅包覆的水性铝颜料的制备方法及水性铝颜料。
背景技术
为满足人们对环保和生存条件不断提高的要求，以及国家新颁布的对VOCs限制排放的法规(环办大气函[2017]565号《涂料、油墨及胶黏剂工业大气污染物排放标准》)的要求，水性涂料取代溶剂型涂料势在必行。
铝颜料是提供涂料金属光泽的物质，其主要成分为微米级的片状铝粉，当水性树脂作为涂料的基材时，原来在溶剂型涂料中使用的铝颜料在水性涂料中将与水发生反应，产生氢气，成为不安全因素，同时造成铝粉表面腐蚀而失去金属光泽，导致普通铝颜料不适合在水性涂料中应用。
为了研制在水性涂料中使用的铝颜料(俗称水性铝颜料)通常采用两种方法：化学转化膜法和包覆法。化学转化膜法采用一些无机有机抑制剂抑制铝粉的表面腐蚀，通常采用铬酸盐、钼酸盐和磷酸盐，在铝粉表面生成钝化膜，提高铝粉在水性涂料中的抗腐蚀性。但是，铬酸盐作为一种有毒有害的化学物质，对人体和环境产生极大地伤害，被禁止使用；钼酸盐使用量大，且成本高、效果不理想。磷酸盐反应条件和钝化膜厚度难以控制，通常会降低铝颜料的光泽度。
包覆膜法为铝粉表面形成一层致密的膜层阻止水分子与铝粉表面接触，控制铝粉表面的腐蚀。如中国专利CN 105462297 A公开了一种自清洁的水性铝银浆及其制备方法，该方法利用钛酸四丁酯水解在铝粉表面生成TiO2薄膜，实现对铝粉表面改性。由于钛酸四丁酯在水中水解比较剧烈，反应过程不容易控制，导致铝粉表面薄膜包覆不致密，耐腐蚀作用一般。中国专利CN 105348869 A公开了一种纳米SiO2包覆铝颜料的制备方法，该方法利用正硅酸乙酯水解缩合在铝粉表面形成SiO2颗粒层。但这些方法操作过程长、条件苛刻、铝粉的光泽度下降严重、且成本高难以产业化。
因此，铝颜料在水性涂料中易发生腐蚀而失去光泽度是目前需要亟待解决的问题。
发明内容
为解决现有技术中出现的问题，本发明提供了一种有机硅包覆的水性铝颜料的制备方法及水性铝颜料。本发明采用了具有反应活性的有机硅氧烷，在铝粉表面接枝、缩合交联，实现了铝粉的微胶囊化，制备的铝颜料具有耐水性好、抗腐蚀、光泽度高的特点，并与水性涂料乳液有良好的相容性。此技术反应简单、成本低，有产业化前景，属于环境友好型技术。
本发明的目的之一是提供一种有机硅包覆的水性铝颜料的制备方法。
包括：
(1)铝粉表面的洗涤：
铝粉依次用酸性洗涤剂和有机溶剂1洗涤；
所述酸性洗涤剂为磷酸醇溶液或硼酸醇溶液；
所述有机溶剂1为丙酮，正己烷、四氢呋喃中一种或组合；
(2)铝粉表面羟基化处理：
经洗涤后的铝粉与有机溶剂2混合，加入处理液对铝粉表面羟基化；
所述处理液为三乙醇胺、氨水、过氧化氢和碳酸钠混合溶液中的一种或组合；
所述有机溶剂2为甲醇、乙醇、异丙醇、正丙醇、正丁醇、异丁醇以及丙酮中的一种或组合；
(3)有机硅包覆铝粉：
羟基化处理后的铝粉、有机溶剂3与催化剂混合，将混合液滴加至含有活泼性反应基团的聚硅氧烷溶液中反应，过滤、洗涤、干燥获得包覆后的铝粉；活泼性反应基团指的是Si-H,Si-OH,Si-OCH3基团；
所述有机溶剂3为四氢呋喃、丙酮、甲苯、二甲苯；
所述催化剂为氯铂酸，二月桂酸二丁基锡、金属氢氧化物(氢氧化钠、氢氧化钾)，有机碱(四甲基氢氧化铵)或氨水中的一种。
其中，优选：
步骤(1)中，洗涤温度20～60℃，洗涤时间10～60min。
步骤(2)中处理液的浓度为0.01～0.1mol/L，羟基化处理过程的温度为20～60℃，处理时间20～80min。
过氧化氢和碳酸钠混合溶液中过氧化氢与碳酸钠的质量比为1:1～1:10。
步骤(3)的催化剂，金属氢氧化物为氢氧化钠或氢氧化钾；
有机碱为四甲基氢氧化铵。
步骤(3)中，含活泼性反应基团聚硅氧烷为以下一种或组合：
R1为烷基、烷氧基或氢；
R2为烷基、烷氧基、羟基或氢。
步骤(3)中，催化剂与有机硅质量比为0.001～0.5；
铝粉和有机硅摩尔比2～10。
所述步骤(3)中，铝粉和催化剂混溶液滴加速度控制在1滴/3秒～2滴/秒。
步骤(3)，反应温度20～80℃，反应时间3～6h。
本发明的目的之二是提供一种所述的方法制备的水性铝颜料。
本发明具体可采用以下技术方案：
(1)铝粉表面的洗涤：将铝粉分散至酸性洗涤剂中，在一定温度下搅拌洗涤；然后再用有机溶剂1洗涤，进一步清洗铝粉表面疏水的脂肪酸层和铝粉表面残留的酸性洗涤剂。
(2)铝粉表面羟基化处理：将步骤(1)中洗涤完的铝粉与有机溶剂2加入反应容器中混合搅拌分散，随后，在一定温度下加入一定浓度的处理液对铝粉表面羟基化处理；处理完后，将混合液过滤，洗涤。
(3)有机硅包覆铝粉：将步骤(2)羟基化处理后的铝粉与有机溶剂3以及催化剂混合，随后，将混合液滴加至含有活泼性反应基团的聚硅氧烷溶液中，在一定温度下，混合搅拌一段时间，溶剂洗涤处理，最后在热湿空气下干燥，获得包覆后的铝粉。
优选：
所述步骤(1)中，酸性洗涤剂为：磷酸醇溶液，硼酸醇溶液，有机溶剂1为丙酮，正己烷、四氢呋喃中的一种或多种。
所述步骤(1)中，所述步骤(1)中，所述的洗涤条件洗涤温度20～60℃，10min～60min。
所述步骤(2)中，羟基化处理液可以为三乙醇胺、氨水、过氧化氢和碳酸钠混合溶液中的一个或多个；其中羟基化处理液的浓度为0.01～0.1mol/L，其中过氧化氢与碳酸钠的比例1:1～1:10。。
所述步骤(2)中，有机溶剂2可选为甲醇、乙醇、异丙醇、正丙醇、正丁醇、异丁醇以及丙酮的一个或多个混合。
所述步骤(2)中，所述步骤(2)中羟基化处理过程所需的温度为20～60℃，处理时间20min～80min。
所述步骤(3)中，含活泼性反应基团聚硅氧烷可以为以下一种或多种混合物：
R1为烷基、烷氧基或氢；
R2为烷基、烷氧基、羟基或氢。
所述步骤(3)中，有机溶剂3为四氢呋喃、丙酮、甲苯、二甲苯。
所述步骤(3)中，反应过程所需的催化剂为氯铂酸，二月桂酸二丁基锡、金属氢氧化物(优选：氢氧化钠、氢氧化钾)，有机碱(优选：四甲基氢氧化铵)或氨水中的一种。
所述步骤(3)中，铝粉和有机硅摩尔比2～10，催化剂与有机硅用量比0.001～0.5；
所述步骤(3)中，铝粉与含活泼性反应基团的聚硅氧烷包覆的反应条件为：反应温度20-80℃，反应时间4-6h，铝粉和催化剂混溶液滴加速度控制在1滴/3秒～2滴/秒。
本发明的有益效果为：
(1)本发明的有机硅树脂改性铝粉表面的制备方法，操作简单，容易实现。
(2)本发明通过铝粉的洗涤，在碱性催化剂作用下，有利于铝粉与有机硅树脂实现羟基-羟基的缩合，铝粉表面的包覆层更加致密，抗腐蚀性能得到明显提升。
(3)本发明制备的有机硅树脂包覆膜均匀，铝粉表面的光泽性好，可广泛应用于汽车漆，工业涂料，塑料装饰涂料等众多涂料中，具有广阔的市场前景和应用价值。
具体实施方式
下面结合实施例，进一步说明本发明。
实施例1
一种有机硅包覆的水性铝颜料的制备方法，步骤如下：
(1)铝粉表面的洗涤：将100g铝粉分散至500ml浓度为5％的磷酸醇洗涤剂中，在25℃温度下高速搅拌洗涤60min；然后再用丙酮溶剂洗涤，进一步清洗铝粉表面疏水的脂肪酸层和铝粉表面残留的酸性洗涤剂。
(2)铝粉表面羟基化处理：将步骤(1)中洗涤完的100g铝粉与500ml乙醇加入反应容器中混合搅拌分散；随后，加入2.24g的三乙醇胺在60℃下对铝粉表面羟基化处理；处理20min完后，将混合液过滤，丙酮溶剂洗涤。
(3)有机硅包覆铝粉：将步骤(2)羟基化处理后的100g铝粉、50ml丙酮、0.5g氯铂酸混合搅拌半小时；随后，将上述混合液以1滴/秒加至含有160g活泼性反应基团的聚硅氧烷(结构如下)和500ml丙酮混合溶液中，在80℃温度下，混合搅拌反应3h；反应完后，丙酮溶剂洗涤处理，最后在热湿空气下动态干燥，获得包覆后的铝粉。
实施例2
一种有机硅包覆的水性铝颜料的制备方法，步骤如下：
(1)铝粉表面的洗涤：将100g铝粉分散至500ml浓度为5％硼酸醇洗涤剂中，在60℃温度下高速搅拌洗涤10min；然后再用四氢呋喃溶剂洗涤，进一步清洗铝粉表面疏水的脂肪酸层和铝粉表面残留的酸性洗涤剂。
(2)铝粉表面羟基化处理：将步骤(1)中洗涤完的100g铝粉与500ml乙醇加入反应容器中混合搅拌分散；随后，加入1.7g的氨水在40℃下对铝粉表面羟基化处理；处理40min完后，将混合液过滤，四氢呋喃溶剂洗涤。
(3)有机硅包覆铝粉：将步骤(2)羟基化处理后的100g铝粉、50ml四氢呋喃、2g二月桂酸二月丁锡混合搅拌半小时；随后，将上述混合液以1滴/秒加至含有330g活泼性反应基团的聚硅氧烷(结构式如下)和500ml四氢呋喃混合溶液中，在50℃温度下，混合搅拌反应4h；反应完后，丙酮溶剂洗涤处理，最后在热湿空气动态干燥，获得包覆后的铝粉。
实施例3
一种有机硅包覆的水性铝颜料的制备方法，步骤如下：
(1)铝粉表面的洗涤：将100g铝粉分散至500ml浓度为5％的磷酸醇洗涤剂中，在45℃温度下高速搅拌洗涤30min；然后再用丙酮溶剂洗涤，进一步清洗铝粉表面疏水的脂肪酸层和铝粉表面残留的酸性洗涤剂。
(2)铝粉表面羟基化处理：将步骤(1)中洗涤完的100g铝粉与500ml乙醇加入反应容器中混合搅拌分散；随后，加入4.27g的过氧化氢和碳酸钠的混合液(二者质量比为1:5)在25℃下对铝粉表面羟基化处理；处理60min完后，将混合液过滤，丙酮溶剂洗涤。
(3)有机硅包覆铝粉：将步骤(2)羟基化处理后的100g铝粉、50ml甲苯、1.5g四甲基氢氧化铵溶液混合搅拌半小时；随后，将上述混合液以1滴/3秒加至含有73g活泼性反应基团的聚硅氧烷(结构式如下)和500ml甲苯混合溶液中，在50℃温度下，混合搅拌反应4h；反应完后，甲苯溶剂洗涤处理，最后在热湿空气下动态干燥，获得包覆后的铝粉。
实施例4
一种有机硅包覆的水性铝颜料的制备方法，步骤如下：
(1)铝粉表面的洗涤：将100g铝粉分散至500ml浓度为5％硼酸醇洗涤剂中，在45℃温度下高速搅拌洗涤20min；然后再用四氢呋喃溶剂洗涤，进一步清洗铝粉表面疏水的脂肪酸层和铝粉表面残留的酸性洗涤剂。
(2)铝粉表面羟基化处理：将步骤(1)中洗涤完的100g铝粉与500ml乙醇加入反应容器中混合搅拌分散；随后，加入0.5g的氨水在30℃下对铝粉表面羟基化处理；处理60min完后，将混合液过滤，四氢呋喃溶剂洗涤。
(3)有机硅包覆铝粉：将步骤(2)羟基化处理后的100g铝粉、50ml四氢呋喃、15g氨水混合搅拌半小时；随后，将上述混合液以1滴/秒加至含有110g活泼性反应基团的聚硅氧烷(结构式如下)和500ml四氢呋喃混合溶液中，在40℃温度下，混合搅拌反应6h；反应完后，丙酮溶剂洗涤处理，最后在热湿空气动态干燥，获得包覆后的铝粉。
实施例5
一种有机硅包覆的水性铝颜料的制备方法，步骤如下：
(1)铝粉表面的洗涤：铝粉表面的洗涤：将100g铝粉分散至500ml浓度为5％的磷酸醇洗涤剂中，在50℃温度下高速搅拌洗涤20min；然后再用正己烷溶剂洗涤，进一步清洗铝粉表面疏水的脂肪酸层和铝粉表面残留的酸性洗涤剂。
(2)铝粉表面羟基化处理：将步骤(1)中洗涤完的100g铝粉与500ml乙醇加入反应容器中混合搅拌分散；随后，加入7.45g的三乙醇胺在50℃下对铝粉表面羟基化处理；处理20min完后，将混合液过滤，四氢呋喃溶剂洗涤。
(3)有机硅包覆铝粉：将步骤(2)羟基化处理后的100g铝粉、50ml四氢呋喃、1g氢氧化钾混合搅拌半小时；随后，将上述混合液以2滴/秒加至含有167g活泼性反应基团的聚硅氧烷(结构式如下)和500ml四氢呋喃混合溶液中，在30℃温度下，混合搅拌反应6h；反应完后，丙酮溶剂洗涤处理，最后在热湿空气动态干燥，获得包覆后的铝粉。
各实施例的反应条件如表1所示：
表1
铝颜料性能的评测：根据《中华人民共和国化工行业标准-涂料用铝颜料第5部分：水性铝银浆：HG/T2456.5-2016》
一种有机硅包覆的水性铝颜料稳定性测试，其步骤如下：
根据国家标准评测方法，取实施例制备的1g包覆后的铝粉与200ml去离子水放入析氢测试瓶中，混合搅拌，在100℃下煮沸两个小时，观察发现并没有氢气的产出，说明包覆后的铝颜料具有优异的耐腐蚀性能，且能保持良好的光泽性。

Claims (10)

1.一种有机硅包覆的水性铝颜料的制备方法，其特征在于所述方法包括：
(1)铝粉表面的洗涤：
铝粉依次用酸性洗涤剂和有机溶剂1洗涤；
所述酸性洗涤剂为磷酸醇溶液或硼酸醇溶液；
所述有机溶剂1为丙酮，正己烷、四氢呋喃中一种或组合；
(2)铝粉表面羟基化处理：
经洗涤后的铝粉与有机溶剂2混合，加入处理液对铝粉表面羟基化；
所述处理液为三乙醇胺、氨水、过氧化氢和碳酸钠混合溶液中的一种或组合；
所述有机溶剂2为甲醇、乙醇、异丙醇、正丙醇、正丁醇、异丁醇以及丙酮中的一种或组合；
(3)有机硅包覆铝粉：
羟基化处理后的铝粉、有机溶剂3与催化剂混合，将混合液滴加至含有活泼性反应基团的聚硅氧烷溶液中反应，过滤、洗涤、干燥获得包覆后的铝粉；
所述有机溶剂3为四氢呋喃、丙酮、甲苯、二甲苯；
所述催化剂为氯铂酸，二月桂酸二丁基锡、金属氢氧化物、有机碱或氨水。
2.如权利要求1所述的有机硅包覆的水性铝颜料的制备方法，其特征在于：
步骤(1)中，洗涤温度20～60℃，洗涤时间10min～60min。
3.如权利要求1所述的有机硅包覆的水性铝颜料的制备方法，其特征在于：
步骤(2)中处理液的浓度为0.01～0.1mol/L，羟基化处理过程的温度为20～60℃，处理时间20min～80min。
4.如权利要求3所述的有机硅包覆的水性铝颜料的制备方法，其特征在于：
过氧化氢和碳酸钠混合溶液中过氧化氢与碳酸钠的质量比为1:1～1:10。
5.如权利要求1所述的有机硅包覆的水性铝颜料的制备方法，其特征在于：
步骤(3)的催化剂为氯铂酸、二月桂酸二丁基锡、金属氢氧化物为氢氧化钠或氢氧化钾、有机碱为四甲基氢氧化铵中的一种。
6.如权利要求1所述的有机硅包覆的水性铝颜料的制备方法，其特征在于：
步骤(3)中，含活泼性反应基团聚硅氧烷为以下一种或组合：
R1为烷基、烷氧基或氢；
R2为烷基、烷氧基、羟基或氢。
7.如权利要求6所述的有机硅包覆的水性铝颜料的制备方法，其特征在于：
步骤(3)中，催化剂与有机硅质量比为0.001～0.5；
铝粉和有机硅摩尔比2～10。
8.如权利要求7所述的有机硅包覆的水性铝颜料的制备方法，其特征在于：
所述步骤(3)中，铝粉和催化剂混溶液滴加速度控制在1滴/3秒～2滴/秒。
9.如权利要求1所述的有机硅包覆的水性铝颜料的制备方法，其特征在于：
步骤(3)，反应温度20～80℃，反应时间3～6h。
10.一种由权利要求1～9之一所述的方法制备的水性铝颜料。
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