CN110484031A - 一种高附着力的超亲水涂料、其制备方法及应用 - Google Patents

一种高附着力的超亲水涂料、其制备方法及应用 Download PDF

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Abstract

本发明提供针对玻璃幕墙的一种高附着力的超亲水涂料，其中非晶纳米二氧化硅具有超亲水、增加粘结力作用；硅酸盐具有较强的亲水特性和使乳化体外部相的增稠能力；乙醇为溶剂，异丙醇为助溶剂，丙二醇甲醚为辅助成膜剂，正丙醇能够提高各项材料的相容性，有溶解、降低表面张力、便于流平，有助于涂料铺展成膜；硅烷偶联剂可以提高其粘连性，改进填料的分散性；二氧化钛溶液具有光催化性能，提高涂料的自清洁功能。本发明通过各原料之间相互配合，在使用过程中涂料与基材的交界面形成硅烷与涂料相互渗透的网状结构，增强了其内聚力和耐水侵蚀的稳定性，并使应力藉以由高模量的底材向低模量的涂料基转移，从而显著提高涂料涂层对底材的附着力。

Description

一种高附着力的超亲水涂料、其制备方法及应用
技术领域
本发明属于自清洁材料领域，具体涉及一种高附着力的超亲水涂料、其制备方法及应用。
背景技术
玻璃幕墙是一种美观新颖的建筑墙体装饰方法，是现代主义高层建筑时代的显著特征，通常有单层和双层玻璃两种。玻璃幕墙是指由支承结构体系可相对主体结构有一定位移能力、不分担主体结构所受作用的建筑外围护结构或装饰结构，目前，城市的环境污染在加剧，其中粉尘污染、气体污染尤为严重，建筑外墙特别是高层建筑，正在受到越来越严重的侵蚀，由于表面油污，很难清洗，清洁剂本身有腐蚀性、毒性等副作用导致清洗质量差且对基材造成损伤，降低了设计使用寿命和美观性。现有技术中对玻璃幕墙等高层建筑外墙的清洁主要还是靠人工清洗，而人工清洗法存在清洗效率低、清洗质量差、劳动强度大、清洗难度大、清洗成本高等缺点。纳米自清洁涂料的应用大大节省了人力、物力和财力，防静电抗污超亲水自洁涂层，一次涂刷后长期保持美观。然而现有光催化自清洁涂层存在的施工难度大，施工前处理工序繁琐，基材表面处理不干净影响自清洁涂层附着，从而影响施工质量，导致施工成本高；如何将自清洁材料在玻璃幕墙的施工简化并能保证涂层时效性是自清洁材料在实际应用上急需解决的问题。
发明内容
为了解决以上的技术问题，本发明针对玻璃幕墙提供一种具有良好的附着力和耐磨性的光催化自清洁涂料。
本发明的目的是提供一种高附着力的超亲水涂料。
本发明的另一目的是提供一种上述高附着力的超亲水涂料的制备方法。
本发明的再一目的是提供一种上述高附着力的超亲水涂料的在玻璃幕墙上的应用。
本发明提供的高附着力的超亲水涂料，包括以下重量份的原料：
乙醇30-35份，正丙醇25-30份，丙二醇甲醚20-30份，异丙醇1-5份，水5-10份，硅烷偶联剂1-5份，非晶纳米二氧化硅1-5份，硅酸盐0.3-0.5份和二氧化钛溶液3-10份。
本发明将不同类型的原料进行组合得到的材料克服现有技术中光催化自清洁涂料的附着难题，提高材料的附着力，增加材料的耐磨性能，方便施工。本发明提供的高附着力的超亲水涂料中非晶纳米二氧化硅具有超亲水、增加粘结力作用；硅酸盐具有较强的亲水特性和使乳化体外部相的增稠能力；乙醇为溶剂，异丙醇为助溶剂，丙二醇甲醚为辅助成膜剂，正丙醇能够提高各项材料的相容性，有溶解、降低表面张力、便于流平，有助于涂料铺展成膜；硅烷偶联剂可以提高其粘连性，可以提高其粘连性、保持其湿度、化学性、防紫外线和增强性；改进填料的分散性；二氧化钛溶液具有光催化性能，提高涂料的自清洁功能。本发明通过纳米二氧化硅和纳米二氧化钛表面含有的丰富的羟基吸附空气中的水分，增加涂料膜材表面的吸湿性能，在涂料表层形成微薄的水膜，泄漏电荷，抑制静电的发生，使得灰尘不易附着在涂层表面；通过二氧化钛溶液增加涂料的光催化活性，进一步提升涂料的清洁功能，通过其他原料的组合，提升涂料的流平性、成膜性、分散性；通过硅烷偶联剂提高涂料写粘连性，提升有机树脂之间的相容性，促进涂料在玻璃、金属等表面的附着。本发明各原料通过组合得到的涂料，具有较高的附着力，能够在玻璃表面进行长期的附着，且其耐磨性能优异。本发明提供的涂料与基材的交界面，形成硅烷与涂料相互渗透的网状结构，增强了其内聚力和耐水侵蚀的稳定性，并使应力藉以由高模量的底材向低模量的漆基转移，从而显著提高对底材的附着力。
本发明采用的硅烷偶联剂在此涂料中可以提高其粘连性，硅烷偶联剂真难过的硅原子的共价键具有结合有机物和无机物独一无二的能力，硅氧键内部与生俱来的稳定结构，可以提高其粘连性、保持其湿度、化学性、防紫外线和增强性；能够改进填料的分散性。
优选地，所述硅烷偶联剂为烷氧基硅烷。
烷氧基硅烷可以与众多的有机树脂相容。在有机聚合物和无机物的表面，无机烷氧官能团以共价键的形式偶联大量的有机基团，从而将涂料牢固附着在玻璃、金属等物体的表面。同时将本发明提供的涂料涂覆在玻璃、金属等物体的表面之后，其中的硅烷会迁移到涂料与基材的界面，与界面上的水发生反应，水解为硅醇，进而与基材表面的羟基形成氢键或缩合成—Si—M，其中M为无机表面，同时硅烷各分子间的硅醇基又相互缩合、齐聚形成网状结构的膜覆盖在底材表面。即使在水浸条件下，硅烷偶联剂改性的涂料在各种无机底材表面附着良好。
优选地，所述高附着力的超亲水涂料，包括以下重量份的原料：
乙醇32份，正丙醇28份，丙二醇甲醚25份，异丙醇3份，水7.5份，硅烷偶联剂3份，非晶纳米二氧化硅3份，硅酸盐0.4份和二氧化钛溶液6份。
优选地，所述硅酸盐为硅酸镁铝。硅酸镁铝具有强的亲水性和乳化增稠能偶，是能够稳定各种油脂和阴离子、非离子型表面活性剂的乳化体，并且可以提供展布性，增加涂料的粘度和成膜性能，硅酸镁铝体系能够悬浮多种粉状物质，控制水分，避免悬浮体的沉淀。
优选地，所述非晶纳米二氧化硅的粒径为1-10nm。非晶纳米二氧化硅表面含有丰富的羟基，羟基为极性基团，能够吸附空气中的水分，促进水分在涂料表层形成水膜，提高涂料的自清洁能力。
优选地，所述二氧化钛溶液中二氧化钛为锐钛型二氧化钛，所述锐钛型二氧化钛的粒径为1-10nm。本发明提供的锐钛型二氧化钛颗粒粒径较小，可大大提高光催化率，在紫外光的照射下，锐钛型纳米二氧化钛其价带电子被激发到导带，形成了电子和空穴与吸附于其表面的O2和H2O作用，可以生成氧化性极强的羟基自由基，这些自由基能够氧化降解有机物，使其转化为CO2、H2O以及无机物，降解速度快，无二次污染，提高涂料的自清洁功效。
进一步优选地，所述二氧化钛溶液中锐钛型二氧化钛的含量为10wt％。
本发明提供上述高附着力的超亲水涂料的制备方法，包括以下步骤：
(1)将非晶纳米二氧化硅、水、异丙醇、硅烷偶联剂、丙二醇甲醚依次加入到分散器中，进行搅拌，得到混合分散液；
(2)将硅酸盐、正丙醇、二氧化钛溶液、乙醇依次加入到步骤(1)得到的混合分散液中，搅拌均匀，得到所述高附着力的超亲水涂料。
优选地，步骤(1)中，搅拌的速率为1500-2000rpm，搅拌的时间为25-35min。
优选地，步骤(2)中，搅拌的速率为400-800rpm，搅拌的时间为25-35min。
上述的高附着力的超亲水涂料在能够应用于玻璃幕墙上。
本发明提供的高附着力的超亲水涂料具有良好的自清洁功能也附着能力，能够在玻璃幕墙等玻璃体的表面实现良好的附着，本发明提供的高附着力的超亲水涂料可以采用喷涂、淋涂、浸涂、滚涂或刷涂的方式进行，其中优选喷涂的方法，具体的步骤为：清洗玻璃表面的污物，用0.8-1.0mm口径的喷枪均匀喷涂在玻璃表面，自然风干，即可。
本发明的有益效果为：
1.本发明提供的高附着力的超亲水涂料，其中非晶纳米二氧化硅具有超亲水、增加粘结力作用；硅酸盐具有较强的亲水特性和使乳化体外部相的增稠能力；乙醇为溶剂，异丙醇为助溶剂，丙二醇甲醚为辅助成膜剂，正丙醇能够提高各项材料的相容性，有溶解、降低表面张力、便于流平，有助于涂料铺展成膜；硅烷偶联剂可以提高其粘连性，可以提高其粘连性、保持其湿度、化学性、防紫外线和增强性；改进填料的分散性；二氧化钛溶液具有光催化性能，提高涂料的自清洁功能。本发明通过各原料之间相互配合，达到在玻璃表面长期良好附着、光催化自清洁以及超耐磨的效果。
2.本发明提供的涂料与基材的交界面形成硅烷与涂料相互渗透的网状结构，增强了其内聚力和耐水侵蚀的稳定性，并使应力藉以由高模量的底材向低模量的涂料基转移，从而显著提高涂料对底材的附着力。
具体实施方式
为使本发明的目的、技术方案和优点更加清楚，下面将对本发明的技术方案进行详细的描述。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在没有做出创造性劳动的前提下所得到的所有其它实施方式，都属于本发明所保护的范围。
本发明提供的以下实施例中每1重量份对应100g。
实施例1
一种高附着力的超亲水涂料，包括以下重量份的原料：
乙醇35份，正丙醇30份，丙二醇甲醚30份，异丙醇5份，水10份，硅烷偶联剂5份，非晶纳米二氧化硅5份，硅酸镁铝0.5份和二氧化钛溶液10份；
所述非晶纳米二氧化硅的粒径为1-10nm；
所述二氧化钛溶液中二氧化钛为锐钛型二氧化钛，所述锐钛型二氧化钛的粒径为1-10nm；所述二氧化钛溶液中锐钛型二氧化钛的含量为10wt％。
上述高附着力的超亲水涂料的制备方法，包括以下步骤：
(1)将非晶纳米二氧化硅、水、异丙醇、硅烷偶联剂、丙二醇甲醚依次加入到高速分散器中，进行高速搅拌，搅拌的速率为2000rpm，搅拌的时间为25min，得到混合分散液；
(2)将硅酸镁铝、正丙醇、二氧化钛溶液、乙醇依次加入到步骤(1)得到的混合分散液中，搅拌均匀，搅拌的速率为400rpm，搅拌的时间为35min得到所述高附着力的超亲水涂料。
实施例2
一种高附着力的超亲水涂料，包括以下重量份的原料：
乙醇30份，正丙醇25份，丙二醇甲醚20份，异丙醇1份，水5份，硅烷偶联剂1份，非晶纳米二氧化硅1份，硅酸镁铝0.3份和二氧化钛溶液3份；
所述非晶纳米二氧化硅的粒径为1-10nm；
所述二氧化钛溶液中二氧化钛为锐钛型二氧化钛，所述锐钛型二氧化钛的粒径为1-10nm；所述二氧化钛溶液中锐钛型二氧化钛的含量为10wt％。
上述高附着力的超亲水涂料的制备方法，包括以下步骤：
(1)将非晶纳米二氧化硅、水、异丙醇、硅烷偶联剂、丙二醇甲醚依次加入到高速分散器中，进行高速搅拌，搅拌的速率为1500rpm，搅拌的时间为35min，得到混合分散液；
(2)将硅酸镁铝、正丙醇、二氧化钛溶液、乙醇依次加入到步骤(1)得到的混合分散液中，搅拌均匀，搅拌的速率为800rpm，搅拌的时间为25min得到所述高附着力的超亲水涂料。
实施例3
一种高附着力的超亲水涂料，包括以下重量份的原料：
乙醇32份，正丙醇28份，丙二醇甲醚25份，异丙醇3份，水7.5份，硅烷偶联剂3份，非晶纳米二氧化硅3份，硅酸镁铝0.4份和二氧化钛溶液6份；
所述非晶纳米二氧化硅的粒径为1-10nm；
所述二氧化钛溶液中二氧化钛为锐钛型二氧化钛，所述锐钛型二氧化钛的粒径为1-10nm；所述二氧化钛溶液中锐钛型二氧化钛的含量为10wt％。
上述高附着力的超亲水涂料的制备方法，包括以下步骤：
(1)将非晶纳米二氧化硅、水、异丙醇、硅烷偶联剂、丙二醇甲醚依次加入到高速分散器中，进行高速搅拌，搅拌的速率为1800rpm，搅拌的时间为30min，得到混合分散液；
(2)将硅酸镁铝、正丙醇、二氧化钛溶液、乙醇依次加入到步骤(1)得到的混合分散液中，搅拌均匀，搅拌的速率为600rpm，搅拌的时间为30min得到所述高附着力的超亲水涂料。
试验例
1.将本发明实施例3中得到的高附着力和超亲水涂料喷涂在玻璃表面，在玻璃表面形成50-100nm后的涂层，自然风干48h，得到含有涂层的玻璃。根据GB/T31815-2015中5.4.3按GB/T23764-2009的规定测定玻璃外墙表面的水接触角、表面电阻值、根据GB/T31815-2015中5.4.4的规定抗污分解有机物的能力，分解有机物为甲基红。
水接触角的测试结果为：水接触角<7°。
表面电阻值测试结果为：109-10Ω；
分解有机物(甲基红)的测试结果为：ΔE*＝2.2。
2.附着性、耐磨性试验
2.1根据GB/T31815-2015第5.4.10节和GB/T9286-1998测试试验例1中得到的含有涂层的玻璃材料上的涂层在玻璃上的附着力。
测试条件：划格间距：5mm；测试胶带：3M 600(Scotch)。
测试结果为：附着力等级为0级。等级评价参考GB/T9286-1998，附着力等级0级为最好，5级为最差。
从测试的结果可以看出，本发明提供的涂料涂覆在玻璃表面形成的膜层，能够牢固的附着于玻璃表面，附着力达到测试最优等级。
2.2将试验例1中得到的含有涂层的玻璃材料在湿毛巾上荷重1kg往返擦拭1000次，试验后，测量水接触角、表面电阻值。
其中水接触角的测试结果为：水接触角<30°；
表面电阻值测试结果为：109-10Ω。
测试结果表明，本发明提供的涂料涂覆在玻璃表面，经过多次的荷重擦拭之后，仍然具有较小的水接触角和较大的表面电阻值，这说明本发明提供的涂料能够牢固的附着在玻璃的表面，其超亲水性和防静电性能也能够得到良好的维持。
3.耐性试验
将试验例1中得到得到的含有涂层的玻璃材料暴露在广州地区的户外环境中，自然暴晒、雨水冲刷，经过1年之后，测试水接触角和表面电阻值。
其中水接触角的测试结果为：水接触角<15°；
表面电阻值测试结果为：109-10Ω。
这说明本分明提供的涂料能够在玻璃表面形成稳定的涂层，能够经受长期的恶劣的自然环境而不脱落，同时保证其超亲水性和防静电性能。
4.耐酸性测试
将试验例1中得到得到的含有涂层的玻璃材料浸泡在5％的硫酸溶液中1h，然后观察涂层的变化。
结果为：经过硫酸溶液浸泡之后，玻璃材料的涂层图剥离，无气泡，无可见开缝。
结果说明本发明提供的涂料在玻璃表面能够形成稳定的涂层，能够经受酸性环境的腐蚀而不剥落，具有良好的耐酸性和附着力。
5.耐人工气候老化性能测试
测试方法根据GB/T 31815-2015第5.4.14节中按照GB/T1865-2009循环A的规定进行，结果的评定按GB/T1766-2008和ISO4628-6:2001对试验例1得到的含有涂层的玻璃材料进行测试，测试结果如表1所示。
表1 耐人工气候老化性能的测试结果
其中，ΔE*ab用积分球分光光度计测量，使用D65标准光源，10°观察角，结果为全透射测量，22mm孔径。
变色等级的评定参照GB/T1766-2008表5。
粉化等级参照GB/T1766-2008第4.3.2节和ISO 4628-6：2011，0级最好5级最差。
结果说明，本发明提供的涂料在玻璃表面形成的膜层在耐人工气候老化性能测试中仅发生了变色，并不发生粉化，说明本发明提供的涂料在玻璃表面成膜之后经耐人工气候老化测试时，成膜物质并没有发生降解和老化，粘接性能良好。
以上所述，仅为本发明的具体实施方式，但本发明的保护范围并不局限于此，任何熟悉本技术领域的技术人员在本发明揭露的技术范围内，可轻易想到变化或替换，都应涵盖在本发明的保护范围之内。因此，本发明的保护范围应以所述权利要求的保护范围为准。

Claims (10)

1.一种高附着力的超亲水涂料，其特征在于，包括以下重量份的原料：
乙醇30-35份，正丙醇25-30份，丙二醇甲醚20-30份，异丙醇1-5份，水5-10份，硅烷偶联剂1-5份，非晶纳米二氧化硅1-5份，硅酸盐0.3-0.5份和二氧化钛溶液3-10份。
2.根据权利要求1所述的高附着力的超亲水涂料，其特征在于，包括以下重量份的原料：
乙醇32份，正丙醇28份，丙二醇甲醚25份，异丙醇3份，水7.5份，硅烷偶联剂3份，非晶纳米二氧化硅3份，硅酸盐0.4份和二氧化钛溶液6份。
3.根据权利要求1或2所述的高附着力的超亲水涂料，其特征在于，所述硅酸盐为硅酸镁铝。
4.根据权利要求3所述的高附着力的超亲水涂料，其特征在于，所述非晶纳米二氧化硅的粒径为1-10nm。
5.根据权利要求4所述的高附着力的超亲水涂料，其特征在于，所述二氧化钛溶液中二氧化钛为锐钛型二氧化钛，所述锐钛型二氧化钛的粒径为1-10nm。
6.根据权利要求5所述的高附着力的超亲水涂料，其特征在于，所述二氧化钛溶液中锐钛型二氧化钛的含量为10wt％。
7.权利要求1-6任一所述的高附着力的超亲水涂料的制备方法，其特征在于，包括以下步骤：
(1)将非晶纳米二氧化硅、水、异丙醇、硅烷偶联剂、丙二醇甲醚依次加入到分散器中，进行搅拌，得到混合分散液；
(2)将硅酸盐、正丙醇、二氧化钛溶液、乙醇依次加入到步骤(1)得到的混合分散液中，搅拌均匀，得到所述高附着力的超亲水涂料。
8.根据权利要求7中所述的高附着力的超亲水涂料的制备方法，其特征在于，步骤(1)中，搅拌的速率为1500-2000rpm，搅拌的时间为25-35min。
9.根据权利要求7所述的高附着力的超亲水涂料的制备方法，其特征在于，步骤(2)中，搅拌的速率为400-800rpm，搅拌的时间为25-35min。
10.权利要求1-6任一所述的高附着力的超亲水涂料在玻璃幕墙上的应用。
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