CN109825175A - 一种涂料及其制备方法和应用 - Google Patents
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Abstract
本发明提供了一种涂料及其制备方法和应用，通过将前驱体树脂、溶剂、导电填料、助剂、水性树脂混合来制备涂料。本发明采用超亲水的前驱体树脂作为基体材料，实现了对灰尘等有机污染物的自清洁能力，同时选用合适的导电填料来维持涂料的良好的导电性能，可广泛地应用于空气环境中有较多灰尘等有机污染物颗粒的场景，例如航空航天、石油化工等，这些应用场景基本上都不容易对涂层表面做清理，且易在表面积累电荷，使用该涂料可以降低维护保养成本，同时可以及时将表面累积的电荷排走，防止静电累积，并且效果明显优于表面疏水的导电涂料。此外，本发明提供的制备方法简单，易于工业化生产。
Description
技术领域
本发明涉及涂料领域，具体而言，一种导电自清洁涂料及其制备方法和应用。
背景技术
导电涂料是一种具有良好的导电作用的涂料，由于其具有一定的传导电流和消散静电荷能力，因此，将其涂覆在物体的表面，能起到防静电和屏蔽电磁波的作用。但是，导电涂料容易在表面积累灰尘等污染物，时间久了会在导电涂层外面形成不导电的污染层，降低涂料的导电能力。
为了改善导电涂料的自清洁能力，目前也有一些尝试。例如，现有技术提供了一种双涂层的自清洁导电涂料，底漆使用环氧树脂作为粘结剂，面漆使用改性纳米银线溶液，其中银线表面含有含氟或含硅功能基团，通过氟或硅的疏水性实现自清洁功能，但是氟和硅的功能基团能够疏水，但是却很容易吸附空气中的有机物颗粒，时间久了有机物颗粒堆积影响涂层导电性能，涂层耐用性不佳。
发明内容
针对相关技术中的问题，本发明研究了一种涂料的制备方法，以提供一种不仅导电效果好且具备良好的自清洁功能的涂料。
本发明提供的涂料的制备方法，包括：按质量份数，将55～65份前驱体树脂、10～15份溶剂、18～23份导电填料、1～3份助剂、5～8份水性树脂混合，充分搅拌，研磨，得到涂料。
在上述制备方法中，所述前驱体树脂由钛源、无水乙醇、二乙醇胺、聚乙二醇、去离子水通过凝胶溶胶法制成。
在上述制备方法中，制备所述前驱体树脂的所述凝胶溶胶法的步骤包括：将1/8～3/8体积的所述无水乙醇、去离子水混合均匀，配成第一溶液；将所述钛源、所述二乙醇胺与另外5/8～7/8体积的所述无水乙醇混合并充分搅拌，配成第二溶液；将所述第一溶液滴加到搅拌下的所述第二溶液中；再滴加所述聚乙二醇，滴加完后继续搅拌1.5～3小时；以及陈化45～50小时，得到所述前驱体树脂。
在上述制备方法中，所述钛源、所述无水乙醇、所述二乙醇胺、所述聚乙二醇与去离子水的质量比为1～3：15～20：0.5～1.5：15～25：55～65。
在上述制备方法中，所述溶剂为去离子水与C1-C4醇的混合溶剂，其中，所述C1-C4醇的体积分数为10％-30％。
在上述制备方法中，所述助剂包括分散剂、消泡剂和流平剂。
在上述制备方法中，所述分散剂为聚乙烯吡咯酮、乙烯基双硬脂酰胺、聚乙二醇中的一种或多种的组合，所述消泡剂为聚二甲基硅氧烷、聚氧乙烯聚氧丙醇胺醚、乳化硅油、聚氧丙烯、聚氧丙烯甘油醚中的一种或多种的组合，所述流平剂为二苯基聚硅氧烷、聚甲基苯基硅氧烷、聚二甲基硅氧烷、聚氨酯中的一种或多种的组合。
在上述制备方法中，所述水性树脂为水性环氧树脂、水性丙烯酸树脂、水性聚氨酯树脂中的一种或多种的组合。
由上述方法制备的涂料。
由上述方法制备的涂料在航空航天领域和石油化工领域的应用。
本发明提供的涂料的制备方法，通过将前驱体树脂、溶剂、导电填料、助剂、水性树脂混合来制备涂料。本发明通过在具有超亲水功能的前驱体树脂里面添加导电填料实现导电能力的同时保持自清洁性能，采用超亲水的前驱体树脂，使涂层本身具有自清洁能力，降低了导电涂层的维护成本，延长导电涂层的使用时间，拓宽了导电涂层的使用场景。此外，本发明提供的制备方法简单，易于工业化生产，可广泛地应用于航空航天、石油化工等，其中，航空航天领域主要是航空器油箱内外表面等部位，石油化工领域主要包括航空燃油罐及仓库、运输管道内外表面、石油存储设备内外表面等方面。这些应用场景基本上都不容易对涂层表面做清理，且易在表面积累电荷，但是使用本发明提供的涂料可以降低维护保养成本，同时保证导电能力，能及时将表面累积的电荷排走，防止静电累积。
具体实施方式
下面将结合本发明的实施例，对本发明实施例中的技术方案进行清楚、完整地描述，显然，所描述的实施例仅仅是本发明一部分实施例，而不是全部的实施例。基于本发明中的实施例，本领域普通技术人员所获得的所有其他实施例，都属于本发明保护的范围。
本发明提供的涂料的制备方法，包括以下步骤：
制备前驱体树脂：由钛源、无水乙醇、二乙醇胺、聚乙二醇、去离子水通过凝胶溶胶法制成的。在该步骤中，制备前驱体树脂的凝胶溶胶法包括：将1/8～3/8体积的无水乙醇、去离子水混合均匀，配成第一溶液，将钛源、二乙醇胺与另外5/8～7/8体积的无水乙醇混合并充分搅拌25～35min，以将上述物质混合均匀，从而配成第二溶液，然后将第一溶液滴加到强烈搅拌下的第二溶液中，然后再滴加聚乙二醇，采用滴加的方式使得第一溶液和聚乙二醇可以与第二溶液缓慢反应并充分反应，滴加完后继续搅拌1.5～3小时，可以使得反应更加充分，然后经过陈化45～50小时，可以使得溶胶的胶粒间缓慢聚合，从而得到前驱体树脂，其中，钛源、无水乙醇、二乙醇胺、聚乙二醇与去离子水的质量比为1～3：15～20：0.5～1.5：15～25：55～65，第二溶液的搅拌速度为1000～1200r/min，强烈的搅拌速度可以也可以使溶液充分接触并反应，钛源为钛酸丁酯、钛酸四异丙酯、四氯化钛、三氯化钛、二氯二茂钛中的一种或多种的组合。
制备涂料：按质量份数，将55～65份前驱体树脂、10～15份溶剂、18～23份导电填料、1～3份助剂、5～8份水性树脂混合，充分搅拌均匀后，研磨，得到涂料。在该步骤中，研磨的时间为25～35min，细度为20～30微米，充分地研磨可以使涂料的细度更小，涂料的质地更加均匀，从而可以使制备的涂层更加平整，不仅可以增加涂料与基体的结合力而且可以使涂层更加美观。在该步骤中，溶剂为去离子水与C1～C4醇的混合溶剂，其中，C1～C4醇为甲醇、乙醇、乙二醇、丙醇、异丙醇、正丁醇中的一种或多种的组合，C1-C4醇的体积分数为10％～30％。在该步骤中，导电填料为碳纳米管、金属微粉、导电钛白粉、导电炭黑、碳纤维、石墨烯中的一种或多种的组合，其中，金属微粉包括铜金属微粉、银金属微粉、铝金属微粉中的一种或多种的组合，导电炭黑包括乙炔炭黑、导电槽黑、导电炉法碳黑、超导电炉法碳黑、特导电炉法碳黑中的一种或多种的组合，碳纤维可以是纳米碳纤维。在该步骤中，助剂包括分散剂、消泡剂和流平剂，其中，分散剂为聚乙烯吡咯酮、乙烯基双硬脂酰胺、聚乙二醇中的一种或多种的组合，分散剂用于使得水性树脂、导电填料等固体物质在溶剂中处于分散的状态，从而防止团聚；消泡剂为聚二甲基硅氧烷、聚氧乙烯聚氧丙醇胺醚、乳化硅油、聚氧丙烯、聚氧丙烯甘油醚中的一种或多种的组合，消泡剂主要用于抑制涂料中气泡的产生，并加速已产生的气泡的破灭，使涂料更加均匀；流平剂为二苯基聚硅氧烷、聚甲基苯基硅氧烷、聚二甲基硅氧烷、聚氨酯中的一种或多种的组合，流平剂主要用于增加涂料的渗透性和流动性，减少涂料在刷涂时产生斑点和斑痕的可能性，增加覆盖性，使得涂层更加均匀、自然。在该步骤中，水性树脂为水性环氧树脂、水性丙烯酸树脂、水性聚氨酯树脂中的一种或多种的组合，使用水性树脂，不仅可以减少对环境的危害，并且可以降低对使用者健康的危害，从而实现了涂料的环保化。在该步骤中，前驱体树脂在配方中主要是作为基体负载导电填料，同时提供超亲水自清洁的能力，导电填料主要作用是在涂料内部构筑导电网络，实现导电性能，导电填料的用量和外观形貌直接影响涂料的导电性能。
性能测试：
(1)涂层厚度的测定
在涂层完全干燥后，按照国家标准GB1764-89(79)测定干膜厚度，样板规格50×100×0.2～0.3mm3。测试仪器：CM10FH涂层测厚仪，沈阳宇时先锋检测仪器有限公司。
(2)涂层润湿性的分析
通过接触角测定仪，测定水在不同涂层上的接触角(CA)。滴液经微注射器排出，滴量为2～4μL/滴，滴液平衡时间以接触角读数基本不变为准，每个试样测定点为5个，取平均值。
测试仪器：德国Dataphysics公司的OCA-15型。
(3)漆膜附着力的测定
参照《漆膜附着力的测定法》(GB5210-85)，在3块50×100×0.2～0.3mm3规格的马口铁板或铝板上制备漆膜，待漆膜实干后，在恒温恒湿条件下用附着力测定仪测定。
测试仪器：QFI-Ⅱ型漆膜附着力试验仪，天津市精科材料试验机厂。
(4)漆膜电性能测定
将涂料涂覆在长75mm，宽为25mm的基材，固化后使用ZC36型1017Q超高阻10-11A微电流测试仪上测试电阻。
测试仪器：ZC36型微电流测试仪。
实施例1
制备前驱体树脂：将1/8体积的18份无水乙醇、60份去离子水混合均匀，配成第一溶液，将2份钛酸丁酯、1份二乙醇胺与另外7/8体积的18份无水乙醇混合并充分搅拌35min，以将上述物质混合均匀，配成第二溶液，然后将第一溶液滴加到在1000r/min的搅拌速度下搅拌的第二溶液中，然后再滴加19份聚乙二醇，滴加完后继续搅拌1.5小时，然后经过陈化45小时，使得溶胶的胶粒间缓慢聚合，从而得到前驱体树脂。
制备涂料：将55份前驱体树脂、8份水性丙烯酸树脂、23份导电填料(7份石墨烯、8份碳纳米管、8份导电槽黑)、2份助剂(0.5份聚乙烯吡咯酮、1份聚二甲基硅氧烷、0.5份二苯基聚硅氧烷)、15份溶剂(溶剂为去离子水和乙醇的混合溶液，其中，溶剂中乙醇的体积分数为10％)、混合，充分搅拌均匀后，研磨25min，得到涂料，细度为30微米。
然后将通过本发明制备的涂料喷涂在基板上，400℃烘烤2小时，测得涂层的厚度为40微米。
实施例2
制备前驱体树脂：将3/8体积的15份无水乙醇、55份去离子水混合均匀，配成第一溶液，将1份钛酸四异丙酯、0.5份二乙醇胺与另外5/8体积的15份无水乙醇混合并充分搅拌25min，以将上述物质混合均匀，配成第二溶液，然后将第一溶液滴加到在1200r/min的搅拌速度下搅拌的第二溶液中，然后再滴加15份聚乙二醇，滴加完后继续搅拌2小时，然后经过陈化50小时，使得溶胶的胶粒间缓慢聚合，从而得到前驱体树脂。
制备涂料：将60份前驱体树脂、5份水性环氧树脂、22份导电填料(7份金属微粉、5份碳纳米管、10份导电钛白粉)、3份助剂(1份乙烯基双硬脂酰胺、1份聚氧乙烯聚氧丙醇胺醚、1份聚甲基苯基硅氧烷)、10份溶剂(溶剂为去离子水和乙二醇的混合溶液，其中，溶剂中乙二醇的体积分数为30％)，混合，充分搅拌均匀后，研磨35min，得到涂料，细度为20微米。
然后将通过本发明制备的涂料喷涂在基板上，400℃烘烤2小时，测得涂层的厚度为40微米。
实施例3
制备前驱体树脂：将1/4体积的20份无水乙醇、65份去离子水混合均匀，配成第一溶液，将3份四氯化钛、1.5份二乙醇胺与另外3/4体积的20份无水乙醇混合并充分搅拌30min，以将上述物质混合均匀，配成第二溶液，然后将第一溶液滴加到在1100r/min的搅拌速度下搅拌的第二溶液中，然后再滴加25份聚乙二醇，滴加完后继续搅拌2小时，然后经过陈化48小时，使得溶胶的胶粒间缓慢聚合，从而得到前驱体树脂。
制备涂料：65份前驱体树脂、5份水性环氧树脂、18份导电填料(5份铜金属微粉、10份特导电炉法碳黑、3份纳米碳纤维)、1份助剂(0.4份聚乙二醇、0.3份乳化硅油、0.3份聚二甲基硅氧烷)、11份溶剂(溶剂为去离子水和丙醇的混合溶液，其中，溶剂中丙醇的体积分数为20％)，混合，充分搅拌均匀后，研磨28min，得到涂料，细度为27微米。
然后将通过本发明制备的涂料喷涂在基板上，400℃烘烤2小时，测得涂层的厚度为40微米。
实施例4
制备前驱体树脂：将1/5体积的16份无水乙醇、57份去离子水混合均匀，配成第一溶液，将1.5份三氯化钛、1份二乙醇胺与另外4/5体积的16份无水乙醇混合并充分搅拌28min，以将上述物质混合均匀，配成第二溶液，然后将第一溶液滴加到在1200r/min的搅拌速度下搅拌的第二溶液中，然后再滴加18份聚乙二醇，滴加完后继续搅拌3小时，然后经过陈化50小时，使得溶胶的胶粒间缓慢聚合，从而得到前驱体树脂。
制备涂料：58份前驱体树脂、6份水性丙烯酸树脂、20份导电填料(5份银金属微粉、10份乙炔炭黑、5份碳纤维)、1.5份助剂(0.5份聚乙二醇、0.5份聚氧丙烯、0.5份聚氨酯)、12份溶剂(溶剂为去离子水和甲醇的混合溶液，其中，溶剂中甲醇的体积分数为15％)，混合，充分搅拌均匀后，研磨29min，得到涂料，细度为26微米。
然后将通过本发明制备的涂料喷涂在基板上，400℃烘烤2小时，测得涂层的厚度为35微米。
实施例5
制备前驱体树脂：将1/8体积的18份无水乙醇、64份去离子水混合均匀，配成第一溶液，将2.5份二氯二茂钛、1.5份二乙醇胺与另外7/8体积的18份无水乙醇混合并充分搅拌32min，以将上述物质混合均匀，配成第二溶液，然后将第一溶液滴加到在1000r/min的搅拌速度下搅拌的第二溶液中，然后再滴加24份聚乙二醇，滴加完后继续搅拌3小时，然后经过陈化48小时，使得溶胶的胶粒间缓慢聚合，从而得到前驱体树脂。
制备涂料：62份前驱体树脂、7份水性聚氨酯树脂、21份导电填料(7份铝金属微粉、10份碳纳米管、4份超导电炉法碳黑)、2.5份助剂(1份聚乙烯吡咯酮、0.5份聚氧丙烯、1份聚二甲基硅氧烷)、14份溶剂(溶剂为去离子水和异丙醇的混合溶液，其中，溶剂中异丙醇的体积分数为25％)，混合，充分搅拌均匀后，研磨30min，得到涂料，细度为25微米。
然后将通过本发明制备的涂料喷涂在基板上，400℃烘烤2小时，测得涂层的厚度为42微米。
实施例6
制备前驱体树脂：将3/8体积的19份无水乙醇、62份去离子水混合均匀，配成第一溶液，将2份钛酸丁酯、0.5份二乙醇胺与另外5/8体积的19份无水乙醇混合并充分搅拌35min，以将上述物质混合均匀，配成第二溶液，然后将第一溶液滴加到在1200r/min的搅拌速度下搅拌的第二溶液中，然后再滴加22份聚乙二醇，滴加完后继续搅拌1.5小时，然后经过陈化46小时，使得溶胶的胶粒间缓慢聚合，从而得到前驱体树脂。
制备涂料：60份前驱体树脂、7份水性聚氨酯树脂、23份导电填料(8份铜金属微粉、10份导电钛白粉、5份导电炉法碳黑)、2份助剂(0.5份聚乙二醇、1份聚氧丙烯甘油醚、0.5份聚甲基苯基硅氧烷)、15份溶剂(溶剂为去离子水和正丁醇的混合溶液，其中，溶剂正丁醇的体积分数为20％)，混合，充分搅拌均匀后，研磨32min，得到涂料，细度为23微米。
然后将通过本发明制备的涂料喷涂在基板上，400℃烘烤2小时，测得涂层的厚度为38微米。
采用上述性能测试方法对实施例1～6制备的涂料进行性能测试：分别测试涂层润湿性、附着力以及电性能，测试结果如表1所示。
表1涂料的性能测试
| 实施例 | 接触角/° | 附着力 | 厘米电阻/Ω*cm |
| 实施例1 | 5 | 1级 | 0.27 |
| 实施例2 | 4 | 1级 | 0.34 |
| 实施例3 | 8 | 1级 | 0.29 |
| 实施例4 | 6 | 1级 | 0.30 |
| 实施例5 | 9 | 1级 | 0.31 |
| 实施例6 | 7.5 | 1级 | 0.30 |
由上表可以看出，通过上述实施例制备的涂层的接触角在4°～9°之间，说明涂料具有良好的亲水性，这主要是由于使用超亲水性的前驱体树脂作为基体材料，可以提高涂料的浸润性，从而增强对灰尘等有机污染物的自清洁能力。也可以看到，本发明提供的涂料制备的涂层的附着力都是1级，说明涂层具有较好的平整度和机械强度。同时可以看到，所制备的涂料形成的涂层的厘米电阻都比较小，说明由于导电填料的填充使得涂料具有良好的导电性能。
本发明提供的涂料的制备方法，通过将前驱体树脂、溶剂、导电填料、助剂、水性树脂混合来制备涂料。本发明采用超亲水的前驱体树脂作为基体材料，实现了对灰尘等有机污染物的自清洁能力，通过选用合适的导电填料来使得涂料具备良好的导电能力，同时还能保证清洁效果明显优于疏水的导电涂料。此外，通过对涂料的性能测试也可以看到，本发明制备的涂料具有良好的附着力，这主要得益于涂料较小的细度和均匀的质地。本发明制备的涂料可以广泛地应用于空气环境中有较多灰尘等有机污染物颗粒的场景，例如航空航天、石油化工等，这些应用场景基本上都不容易对涂层表面做清理，且易在表面积累电荷，使用本发明提供的导电涂料不仅能清洁有机污染物，而且能将表面累积的电荷排走，防止静电累积，从而降低维护保养成本，延长导电涂层的使用时间，并且还拓宽了导电涂层的使用场景。此外，本发明提供的制备方法简单，易于工业化生产。
以上仅为本发明的较佳实施例而已，并不用以限制本发明，凡在本发明的精神和原则之内，所作的任何修改、等同替换、改进等，均应包含在本发明的保护范围之内。
Claims (10)
1.一种涂料的制备方法，其特征在于，包括：
按质量份数，将55～65份前驱体树脂、10～15份溶剂、18～23份导电填料、1～3份助剂、5～8份水性树脂混合，充分搅拌，研磨，得到涂料。
2.根据权利要求1所述的制备方法，其特征在于，所述前驱体树脂由钛源、无水乙醇、二乙醇胺、聚乙二醇、去离子水通过凝胶溶胶法制成。
3.根据权利要求2所述的制备方法，其特征在于，制备所述前驱体树脂的所述凝胶溶胶法的步骤包括：
将1/8～3/8体积的所述无水乙醇、去离子水混合均匀，配成第一溶液；
将所述钛源、所述二乙醇胺与另外5/8～7/8体积的所述无水乙醇混合并充分搅拌，配成第二溶液；
将所述第一溶液滴加到搅拌下的所述第二溶液中；
再滴加所述聚乙二醇，滴加完后继续搅拌1.5～3小时；以及
陈化45～50小时，得到所述前驱体树脂。
4.根据权利要求3所述的制备方法，其特征在于，所述钛源、所述无水乙醇、所述二乙醇胺、所述聚乙二醇与去离子水的质量比为1～3：15～20：0.5～1.5：15～25：55～65。
5.根据权利要求1所述的制备方法，其特征在于，所述溶剂为去离子水与C1-C4醇的混合溶剂，其中，所述C1-C4醇的体积分数为10％-30％。
6.根据权利要求1所述的制备方法，其特征在于，所述助剂包括分散剂、消泡剂和流平剂。
7.根据权利要求6所述的制备方法，其特征在于，所述分散剂为聚乙烯吡咯酮、乙烯基双硬脂酰胺、聚乙二醇中的一种或多种的组合，所述消泡剂为聚二甲基硅氧烷、聚氧乙烯聚氧丙醇胺醚、乳化硅油、聚氧丙烯、聚氧丙烯甘油醚中的一种或多种的组合，所述流平剂为二苯基聚硅氧烷、聚甲基苯基硅氧烷、聚二甲基硅氧烷、聚氨酯中的一种或多种的组合。
8.根据权利要求1所述的制备方法，其特征在于，所述水性树脂为水性环氧树脂、水性丙烯酸树脂、水性聚氨酯树脂中的一种或多种的组合。
9.一种根据权利要求1～8任一项所述的制备方法制备的涂料。
10.权利要求9所述的涂料在航空航天领域和石油化工领域的应用。
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