CN110551433A - 一种水性金属涂料及其制备方法 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种水性金属涂料及其制备方法，所述水性金属涂料包括：水性丙烯酸树脂30‑50份，纳米钛碳化硅改性丙烯酸树脂20‑70份，颜料15‑25份，流变助剂0.5‑1.0份，pH调节剂0.1‑0.2份，消泡剂0.5‑0.8份，成膜助剂3‑4份，防闪锈剂0.2‑0.8份，助溶剂5‑10份，润湿分散剂2‑4份，基材润湿剂0.5‑1份，增稠剂1‑2份和去离子水5‑10份。本发明提供的水性金属涂料具有附着力强、干燥速度快和耐腐蚀性能优异的优点，无需对金属表面喷砂处理或进行腐蚀粗糙化处理，即能达到与金属表面经过喷砂处理或进行腐蚀粗糙化处理后相同的效果，大大简化了施工难度，具有广阔的市场前景。

Description

一种水性金属涂料及其制备方法

技术领域

本发明涉及涂料技术领域，尤其涉及一种水性金属涂料及其制备方法。

背景技术

为了增强金属的耐候性和耐腐蚀性，延长其使用寿命并增加其美观性，通常需要对金属材料进行表面处理。金属表面处理技术有很多种，目前常用的金属表面处理技术主要有电镀、化学镀、涂层技术等。采用涂层技术对金属表面进行防护处理的方法由来已久，其中最为简洁有效的方法就是在金属表面涂覆有一定性能的涂料，待涂料中的溶剂蒸发以后，就可以在金属表面形成一层致密的保护膜。近年来，随着社会经济的高速发展，对金属涂料的需求量也与日俱增，同时，对于金属涂料性能的要求也越来越高。近年来，市面上出现了很多水性金属涂料，由于其具有低成本，及环保性能、表面装饰效果和施工性好的优点，因此受到了广泛的应用。

目前，市场的水性金属涂料普遍存在干燥速度慢，防腐性能与溶剂型涂料相比有一定的差距等问题。干燥速度快，防腐性能好的水性工业涂料是市场需求的一个大的方向。丙烯酸树脂涂料，具有干燥时间短，柔韧性好、耐候性好的优点，但是其附着力较差，尤其是对金属基底的附着力较差，导致其耐腐蚀性较差。因此，开发一种性能优越的兼具快干、附着力好、耐腐蚀性能优异的金属涂料是水性金属涂料发展行业的一种趋势。

发明内容

针对现有技术中目前现有的水性金属涂料不能兼具快干、附着力好和耐腐蚀性能好的问题，本发明提供一种水性金属涂料及其制备方法。

为解决上述技术问题，本发明提供的技术方案是：

一种水性金属涂料，包括如下质量份数的原料组分：水性丙烯酸树脂30-50份，纳米钛碳化硅改性丙烯酸树脂20-70份，颜料15-25份，流变助剂0.5-1.0份，pH调节剂0.1-0.2份，消泡剂0.5-0.8份，成膜助剂3-4份，防闪锈剂0.2-0.8份，助溶剂5-10份，润湿分散剂2-4份，基材润湿剂0.5-1份，增稠剂1-2份和去离子水15-20份。

相对于现有技术，本发明提供的金属涂料，选择水性丙烯酸树脂和纳米钛碳化硅改性丙烯酸树脂复配作为成膜物质，使得涂料在满足快干要求的同时，还显著提高了涂料对金属基底的附着力；配合其他助剂，使得本发明提供的涂料兼具干燥速度快、附着力好、硬度高、耐腐蚀性能优异等多重优点。且本发明提供的水性水性金属涂料VOC含量极低，可最大程度的减少对环境的污染和对人体的伤害，具有广阔的应用前景和发展潜力。

优选的，所述纳米钛碳化硅改性丙烯酸树脂包括如下质量份数的原料组分：甲基丙烯酸羟乙酯15-20份，甲基丙烯酸甲酯15-20份，丙烯酸丁酯10-15份，甲基丙烯酸0.5-1份，苯乙烯5-8份，硅烷偶联剂1-1.5份，引发剂0.2-0.4份，纳米钛碳化硅4-6份，表面活性剂0.3-0.5份，乳化剂1-1.5份，pH调节剂0.2-0.4份和去离子水30-40份。

上述硅烷偶联剂可为本领域常规的硅烷偶联剂，如KH-550，KH-560等；上述引发剂可为本领域常规的引发剂，如异丙苯过氧化氢、二叔丁基过氧化物、过硫酸铵、过氧化苯甲酸叔丁酯、过氧化苯甲酰等；上述表面活性剂可为本领域常规的表面活性剂，如十二烷基磺酸钠等；上述乳化剂可为本领域常规的乳化剂，如OP-10等；pH调节剂为本领域常规的pH调节剂，如氢氧化钠、氢氧化钾、碳酸氢钠、氨水、二甲基乙醇胺、三乙胺等。

优选的，所述纳米钛碳化硅的粒径为50-100nm。

优选的，所述纳米钛碳化硅改性丙烯酸树脂的制备方法包括如下步骤：

步骤a、按照设计配比称取各组分，将称取的甲基丙烯酸羟乙酯、甲基丙烯酸甲酯、丙烯酸丁酯、甲基丙烯酸、苯乙烯、硅烷偶联剂和纳米钛碳化硅混合均匀，得混合分散液；

步骤b、将乳化剂、表面活性剂和pH调节剂加入到70-80wt％的去离子水中，得到复合乳化剂；

步骤c、将称取的引发剂溶于剩余的去离子水中，得到引发剂溶液；

步骤d、将所述复合乳化剂的40-60wt％和所述混合分散液的20-40wt％混合，升温至50-60℃后加入40-60wt％的所述引发剂溶液，在75-85℃的条件下反应2-3h，得到第一乳液；

步骤e、向所述第一乳液中加入剩余的混合分散液、剩余的复合乳化剂和剩余的引发剂溶液，在90-95℃的条件下反应1-2h，得所述纳米钛碳化硅改性丙烯酸树脂。

钛碳化硅是一种综合陶瓷材料，不仅具有耐高温、抗氧化和高强度的优点，还具有金属材料的导电、导热、可加工性和塑性的优点。但是纳米钛碳化硅是一种无机粒子，将其引入涂料体系中易形成团聚结构，不仅不会提高涂料的性能，反而会降低涂料的某些性能(如漆膜的均匀性和弹性等)。采用本发明提供的上述改性方法，巧妙的利用纳米钛碳化硅中的C与丙烯酸中的羟基、双键等发生化学键合，使无机纳米钛碳化硅接枝在有机丙烯酸树脂的结构中，不仅显著提高丙烯酸树脂的性能，还显著增强了无机纳米钛碳化硅与涂料中其他组分之间的相容性，进而提高了漆膜的均匀性和致密性。且纳米钛碳化硅中Ti可增强丙烯酸树脂对金属基底的润湿性，Si也可以与金属基材发生键合作用，使漆膜牢固的附着在基体表面。

优选的，所述水性丙烯酸乳液的玻璃化温度为60-64℃，酸值为40-44mgKOH/g，固含量为44-46％

更优选的，所述水性丙烯酸乳液为帝斯曼的A639。

优选的水性丙烯酸乳液具有高光泽度、高透明性、耐水性和耐酒精性优异的优点。优选的丙烯酸树脂与纳米钛碳化硅改性丙烯酸树脂复配可使涂料漆膜快干、附着力强和耐腐蚀性能优异等特性，极大改善涂料在金属尤其是铝基材表面的附着力。

优选的，所述流变助剂为不含溶剂和烷基酚聚氧乙烯醚的缔合型聚氨酯类流平剂。

更优选的，所述流变助剂为高泰的COAPUR 2025。

优选的流变助剂与丙烯酸树脂、纳米钛碳化硅改性丙烯酸树脂具有极强的缔合能力，可提高漆膜对金属基底的粘结强度，从而显著增强漆膜的致密性，提高漆膜与基底的附着力。

优选的，所述pH调节剂为N,N-二甲基乙醇胺。

优选的pH值调节剂不但具有调节pH值的效果，而且本身是有机物质，具有一定的辅助成膜的特性。

优选的，所述消泡剂为分子级消泡剂。

更优选的，所述消泡剂为FoamStar A10。

优选的消泡剂具有持久的消泡抑泡效果，且对漆膜外观和均匀性没有副作用，不会引起鱼眼、火山口等对漆膜外观有影响的现象的出现。将其应用于本体系中还能防止固化剂添加过程中产生泡沫。

优选的，所述成膜助剂为质量比为1-3:1的三丙二醇甲醚和二丙二醇丁醚的混合物。

选用高沸点的三丙二醇甲醚和二丙二醇丁醚以特定比例复配，可有效降低漆膜的最低成膜温度，改善漆膜的成膜性能，提高漆膜的干燥速度、强度和耐候性。

优选的，所述助溶剂为乙二醇丁醚或丙二醇甲醚中的一种或两种。

优选的助溶剂与上述成膜助剂配合，可使涂料具有合适的表干速度，避免干燥速度过快，漆膜收缩过快，导致漆膜与金属基底不能充分结合，导致漆膜与基底粘附强度较低。优选的成膜助剂可使涂料在快干和附着力上达到最佳，呈现一种平衡状态。

优选的，所述润湿分散剂为带颜料亲和基团的高分子量嵌段共聚物溶液。

更优选的，所述润湿分散剂为迪高的Tego-760W。

优选的润湿分散剂可增强涂料中各组分之间的相容性，使涂料中各组分均匀地分散于体系中，有利于使涂料均匀牢固的附着在金属基底上，且优选的润湿分散剂还可通过空间位阻使颜料解絮凝，解絮凝后的颜料颗粒很少，从而增强漆膜的光泽度和强度。

优选的，所述基材润湿剂为聚醚改性聚硅氧烷类润湿剂。

更优选的，所述基材润湿剂为德国毕克的BYK-331。

聚醚改性聚硅氧烷具有醚类和有机硅类两种物质的优点，具有优异的底材润湿性，优良的流动促进性，高相容性，并具有提高抗划伤能力，可防止缩孔和颜料浮色，且不会产生泡沫稳定化，也不会增加表面滑爽，不会损害涂料的可重涂性。本发明优选的基材润湿剂和流变助剂、润湿分散剂协同作用，使涂料中各组分均匀地分散于涂料体系中，并增强了涂料对金属基材的粘结力，以及漆膜的致密性，从而进一步增强了涂料的耐腐蚀性能。

优选的，所述增稠剂为碱溶胀缔合型增稠剂。

更优选的，所述增稠剂为罗门哈斯的RW-8M。

碱溶胀缔合型增稠剂具有一定的表面活性剂性能，增稠剂大分子形成的网状交联结构高剪切速率下脱开，使黏度降低，剪切除去后交联结构又重新形成，使黏度恢复，但重新缔合需要时间，所以粘度的恢复不像纤维素类那样快，有利于流平，有利于光泽的提高，同时在一般情况下，它是团缩在一起，遇碱膨胀开来，与本发明中流变助剂协同配合，大幅度提高了涂料的流平性，有利于提高涂料的可施工性。

本发明还提供一种水性金属涂料的制备方法，所述制备方法至少包括以下步骤：

步骤a，按照上述金属涂料的设计配比称取各组分，将称取的水性丙烯酸树脂、助溶剂、润湿分散剂、消泡剂和颜料搅拌均匀，研磨至细度≤25μm，得混合浆料；

步骤b，将称取的纳米钛碳化硅改性丙烯酸树脂、成膜助剂、防闪锈剂、基材润湿剂、流变助剂和去离子水，加入所述混合浆料中，搅拌混合均匀，加入增稠剂，调整粘度至25℃的斯托默粘度计为85-95KU，得所述水性金属涂料。

上述制备方法操作简单，无复杂工序，也无需特殊的设备，成本低，适合工业化大规模生产，制备的水性金属涂料具有附着力强、干燥速度快和耐腐蚀性能优异的优点，无需对金属表面喷砂处理或进行腐蚀粗糙化处理，即能达到与金属表面经过喷砂处理或进行腐蚀粗糙化处理后相同的效果，大大简化了施工难度，具有广阔的市场前景。

具体实施方式

为了使本发明的目的、技术方案及优点更加清楚明白，以下结合实施例，对本发明进行进一步详细说明。应当理解，此处所描述的具体实施例仅仅用以解释本发明，并不用于限定本发明。

实施例1

本发明实施例提供一种水性金属涂料，包括如下质量份数的原料组分：水性丙烯酸树脂30份，纳米钛碳化硅改性丙烯酸树脂70份，颜料20份，流变助剂0.8份，pH调节剂0.1份，消泡剂0.8份，成膜助剂3份，防闪锈剂0.8份，助溶剂8份，润湿分散剂2份，基材润湿剂0.5份，增稠剂1份和去离子水20份。

其中，所述水性丙烯酸乳液为帝斯曼的A639；所述流变助剂为高泰的2025；所述颜料为金红石型钛白粉R-996；所述pH调节剂为N,N-二甲基乙醇胺；所述消泡剂为FoamStarA10；所述成膜助剂为质量比为2:1的三丙二醇甲醚和二丙二醇丁醚的混合物；所述防闪锈剂为美国的Halox515防闪锈剂；所述助溶剂为丙二醇甲醚；所述润湿分散剂为迪高的Tego-760W；所述基材润湿剂为德国毕克的BYK-331；所述增稠剂为罗门哈斯的RW-8M。

其中，所述纳米钛碳化硅改性丙烯酸树脂包括如下质量份数的原料组分：甲基丙烯酸羟乙酯15份，甲基丙烯酸甲酯20份，丙烯酸丁酯13份，甲基丙烯酸0.8份，苯乙烯7份，KH-560 1份，过氧化苯甲酰0.4份，纳米钛碳化硅4份，十二烷基磺酸钠0.5份，OP-10 1份，氢氧化钾0.2份和去离子水40份。

上述纳米钛碳化硅改性丙烯酸树脂的制备方法包括如下步骤：

步骤a、按照设计配比称取各组分，将称取的甲基丙烯酸羟乙酯、甲基丙烯酸甲酯、丙烯酸丁酯、甲基丙烯酸、苯乙烯、KH-560和纳米钛碳化硅混合均匀，得到混合分散液；

步骤b、将OP-10、十二烷基磺酸钠和氢氧化钾加入到75wt％的去离子水中，得到复合乳化剂；

步骤c、将称取的过氧化苯甲酰溶于剩余的去离子水中，得到引发剂溶液；

步骤d、将所述复合乳化剂的50wt％和所述混合分散液的30wt％混合，升温至50℃后加入40wt％的所述引发剂溶液，在80℃的条件下反应2.5h，得到第一乳液；

步骤e、向所述第一乳液中加入剩余的混合分散液、剩余的复合乳化剂和剩余的引发剂溶液，在92℃的条件下反应1.5h，得所述纳米钛碳化硅改性丙烯酸树脂。

上述水性金属涂料的制备步骤如下：

步骤a，按照所述水性金属涂料的设计配比称取各组分，将称取的水性丙烯酸树脂、助溶剂、润湿分散剂、消泡剂和颜料搅拌均匀，研磨至细度≤25μm，得混合浆料；

步骤b，将称取的纳米钛碳化硅改性丙烯酸树脂、成膜助剂、防闪锈剂、基材润湿剂、流变助剂和去离子水，加入所述混合浆料中，搅拌混合均匀，加入增稠剂，调整粘度至25℃的斯托默粘度计为85-95KU，得所述水性金属涂料。

实施例2

本发明实施例提供一种水性金属涂料，包括如下质量份数的原料组分：水性丙烯酸树脂40份，纳米钛碳化硅改性丙烯酸树脂45份，颜料25份，流变助剂1.0份，pH调节剂0.2份，消泡剂0.5份，成膜助剂3.5份，防闪锈剂0.2份，助溶剂10份，润湿分散剂3份，基材润湿剂1份，增稠剂2份和去离子水18份。

上述各组分的牌号与实施例1相同，不同的是：所述成膜助剂为质量比为1:1的三丙二醇甲醚和二丙二醇丁醚的混合物；所述助溶剂为质量比为1:1的乙二醇丁醚和丙二醇甲醚中的混合物。

其中，所述纳米钛碳化硅改性丙烯酸树脂包括如下质量份数的原料组分：甲基丙烯酸羟乙酯18份，甲基丙烯酸甲酯15份，丙烯酸丁酯10份，甲基丙烯酸1份，苯乙烯5份，KH-560 1.5份，过硫酸铵0.3份，纳米钛碳化硅6份，十二烷基磺酸钠0.3份，OP-10 1.2份，碳酸氢钠0.3份和去离子水35份。

上述纳米钛碳化硅改性丙烯酸树脂的制备方法包括如下步骤：

步骤a、按照设计配比称取各组分，将称取的甲基丙烯酸羟乙酯、甲基丙烯酸甲酯、丙烯酸丁酯、甲基丙烯酸、苯乙烯、KH-560和纳米钛碳化硅混合均匀，得到混合分散液；

步骤b、将OP-10、十二烷基磺酸钠和碳酸氢钠加入到70wt％的去离子水中，得到复合乳化剂；

步骤c、将称取的过硫酸铵溶于剩余的去离子水中，得到引发剂溶液；

步骤d、将所述复合乳化剂的60wt％和所述混合分散液的40wt％混合，升温至55℃后加入50wt％的所述引发剂溶液，在85℃的条件下反应2h，得到第一乳液；

步骤e、向所述第一乳液中加入剩余的混合分散液、剩余的复合乳化剂和剩余的引发剂溶液，在90℃的条件下反应2h，得所述纳米钛碳化硅改性丙烯酸树脂。

上述水性金属涂料的制备方法与实施例1相同，此处不再赘述。

实施例3

本发明实施例提供一种水性金属涂料，包括如下质量份数的原料组分：水性丙烯酸树脂50份，纳米钛碳化硅改性丙烯酸树脂20份，颜料15份，流变助剂0.5份，pH调节剂0.15份，消泡剂0.6份，成膜助剂4份，防闪锈剂0.6份，助溶剂5份，润湿分散剂4份，基材润湿剂0.8份，增稠剂1.5份和去离子水15份。

上述各组分的牌号与实施例1相同，不同的是：所述成膜助剂为质量比为3:1的三丙二醇甲醚和二丙二醇丁醚的混合物；所述助溶剂为乙二醇丁醚。

其中，所述纳米钛碳化硅改性丙烯酸树脂包括如下质量份数的原料组分：甲基丙烯酸羟乙酯20份，甲基丙烯酸甲酯18份，丙烯酸丁酯15份，甲基丙烯酸0.5份，苯乙烯8份，KH-550 1.2份，过硫酸铵0.2份，纳米钛碳化硅5份，十二烷基磺酸钠0.4份，OP-10 1.5份，三乙胺0.4份和去离子水30份。

上述纳米钛碳化硅改性丙烯酸树脂的制备方法包括如下步骤：

步骤a、按照设计配比称取各组分，将称取的甲基丙烯酸羟乙酯、甲基丙烯酸甲酯、丙烯酸丁酯、甲基丙烯酸、苯乙烯、KH-550和纳米钛碳化硅混合均匀，得到混合分散液；

步骤b、将OP-10、十二烷基磺酸钠和三乙胺加入到80wt％的去离子水中，得到复合乳化剂；

步骤c、将称取的过硫酸铵溶于剩余的去离子水中，得到引发剂溶液；

步骤d、将所述复合乳化剂的40wt％和所述混合分散液的20wt％混合，升温至60℃后加入60wt％的所述引发剂溶液，在75℃的条件下反应3h，得到第一乳液；

步骤e、向所述第一乳液中加入剩余的混合分散液、剩余的复合乳化剂和剩余的引发剂溶液，在95℃的条件下反应1h，得所述纳米钛碳化硅改性丙烯酸树脂。

上述水性金属涂料的制备方法与实施例1相同，此处不再赘述。

对比例1

本发明对比例提供一种水性金属涂料，涂料的配方以及制备方法均与实施例1相同。不同的是将实施例1中的纳米钛碳化硅改性丙烯酸树脂替换为纳米氮化钛改性丙烯酸树脂。所述纳米氮化钛改性丙烯酸树脂的原料组分、制备方法均与纳米钛碳化硅改性丙烯酸树脂相同，不同的是将纳米钛碳化硅替换为纳米氮化钛。

为了更好的体现本发明实施例制备的水性金属涂料的性能，将上述实施例1-3和对比例1制备的水性金属涂料直接喷涂于仅经过表面除污处理，未经喷砂或腐蚀粗糙化处理的铝基材表面，进行性能测试，结果见表1。

表1

注：粘结强度采用Elcometer测定法。

以上所述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、等同替换或改进等，均应包含在本发明的保护范围之内。

Claims (10)

1.一种水性金属涂料，其特征在于，包括如下质量份数的原料组分：水性丙烯酸树脂30-50份，纳米钛碳化硅改性丙烯酸树脂20-70份，颜料15-25份，流变助剂0.5-1.0份，pH调节剂0.1-0.2份，消泡剂0.5-0.8份，成膜助剂3-4份，防闪锈剂0.2-0.8份，助溶剂5-10份，润湿分散剂2-4份，基材润湿剂0.5-1份，增稠剂1-2份和去离子水5-10份。

2.如权利要求1所述的水性金属涂料，其特征在于，所述纳米钛碳化硅改性丙烯酸树脂包括如下质量份数的原料组分：甲基丙烯酸羟乙酯15-20份，甲基丙烯酸甲酯15-20份，丙烯酸丁酯10-15份，甲基丙烯酸0.5-1份，苯乙烯5-8份，硅烷偶联剂1-1.5份，引发剂0.2-0.4份，纳米钛碳化硅4-6份，表面活性剂0.3-0.5份，乳化剂1-1.5份，pH调节剂0.2-0.4份和去离子水30-40份。

3.如权利要求2所述的水性金属涂料，其特征在于，所述纳米钛碳化硅改性丙烯酸树脂的制备方法包括如下步骤：

步骤a、按照设计配比称取各组分，将称取的甲基丙烯酸羟乙酯、甲基丙烯酸甲酯、丙烯酸丁酯、甲基丙烯酸、苯乙烯、硅烷偶联剂和纳米钛碳化硅混合均匀，得混合分散液；

步骤b、将乳化剂、表面活性剂和pH调节剂加入到70-80wt％的去离子水中，得到复合乳化剂；

步骤c、将称取的引发剂溶于剩余的去离子水中，得到引发剂溶液；

步骤d、将所述复合乳化剂的40-60wt％和所述混合分散液的20-40wt％混合，升温至50-60℃后加入40-60wt％的所述引发剂溶液，在75-85℃的条件下反应2-3h，得到第一乳液；

步骤e、向所述第一乳液中加入剩余的混合分散液、剩余的复合乳化剂和剩余的引发剂溶液，在90-95℃的条件下反应1-2h，得所述纳米钛碳化硅改性丙烯酸树脂。

4.如权利要求1所述的水性金属涂料，其特征在于，所述水性丙烯酸乳液的玻璃化温度为60-64℃，酸值为40-44mgKOH/g，固含量为44-46％。

5.如权利要求1所述的水性金属涂料，其特征在于，所述流变助剂为不含溶剂和烷基酚聚氧乙烯醚的缔合型聚氨酯类流平剂。

6.如权利要求1所述的水性金属涂料，其特征在于，所述pH调节剂为N,N-二甲基乙醇胺；和/或

所述消泡剂为分子级消泡剂。

7.如权利要求1所述的水性金属涂料，其特征在于，所述成膜助剂为质量比为1-3:1的三丙二醇甲醚和二丙二醇丁醚的混合物。

8.如权利要求1所述的水性金属涂料，其特征在于，所述助溶剂为乙二醇丁醚或丙二醇甲醚中的一种或两种；和/或

所述润湿分散剂为带颜料亲和基团的高分子量嵌段共聚物溶液。

9.如权利要求1所述的水性金属涂料，其特征在于，所述基材润湿剂为聚醚改性聚硅氧烷类润湿剂；和/或

所述增稠剂为碱溶涨型增稠剂。

10.一种水性金属涂料的制备方法，其特征在于，至少包括以下步骤：

步骤a，按照权利要求1-9任一项所述水性金属涂料的设计配比称取各组分，将称取的水性丙烯酸树脂、助溶剂、润湿分散剂、消泡剂和颜料搅拌均匀，研磨至细度≤25μm，得混合浆料；

步骤b，将称取的纳米钛碳化硅改性丙烯酸树脂、成膜助剂、防闪锈剂、基材润湿剂、流变助剂和去离子水，加入所述混合浆料中，搅拌混合均匀，加入增稠剂，调整粘度至25℃的斯托默粘度计为85-95KU，得所述水性金属涂料。