CN111100541A - 一种水性聚氨酯涂料及其制备方法 - Google Patents

一种水性聚氨酯涂料及其制备方法 Download PDF

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Abstract

本发明公开了一种水性聚氨酯涂料及其制备方法，属于化工涂料技术领域，一种水性聚氨酯涂料及其制备方法，水性聚氨酯涂料包括水性聚氨酯、改性酚醛树脂、颜料、复合抗菌剂、紫外光吸收剂和助剂，可以实现大幅提高聚氨酯涂料的强度和涂刷性能，并使得聚氨酯涂料具有高效杀菌的效果，对有机污染物的吸附能力得到提高，同时提高聚氨酯涂料的致密性，从而增强疏水性能，达到防水效果，另外能够有效提高聚氨酯涂料的理化性能和加工稳定性，加入了阻燃剂，能够有效提高涂料的阻燃性能，提高适用性，还具备一定的阻燃性能，抗氧化和抗老化效果好，另外水性聚氨酯涂料的制备方法制备工艺简单，可有效提高生产效率并降低成本，适合大规模的工业化生产。

Description

一种水性聚氨酯涂料及其制备方法
技术领域
本发明涉及化工涂料技术领域，更具体地说，涉及一种水性聚氨酯涂料及其制备方法。
背景技术
聚氨酯涂料是目前较常见的一类涂料，可以分为双组分聚氨酯涂料和单组分聚氨酯涂料。双组分聚氨酯涂料一般是由异氰酸酯预聚物(也叫低分子氨基甲酸酯聚合物)和含羟基树脂两部分组成，通常称为固化剂组分和主剂组分。这一类涂料的品种很多，应用范围也很广，根据含羟基组分的不同可分为丙烯酸聚氨酯、醇酸聚氨酯、聚酯聚氨酯、聚醚聚氨酯、环氧聚氨酯等品种。一般都具有良好的机械性能、较高的固体含量、各方面的性能都比较好。是目前很有发展前途的一类涂料品种。主要应用方向有木器涂料、汽车修补涂料、防腐涂料、地坪漆、电子涂料、特种涂料、聚氨酯防水涂料等。
由于在物理和化学方面有着独特和优异的性能，聚氨酯已经作为涂料和粘合剂有着广泛的应用。水性聚氨酯涂料的发展很大程度上是因为其优良的机械性能、耐火性、低毒性和低环境危害，但由于亲水基团例如在其分子链中的羧基，其具有一定的菌落生长环境。且聚氨酯涂料的附着力、特别是在粗糙表面的附着力较弱，另外现有的聚氨酯制品大多易发色变黄，不能长期保持白色，主要是由于聚氨酯制品的抗氧化和抗老化能力差。
发明内容
1.要解决的技术问题
针对现有技术中存在的问题，本发明的目的在于提供一种水性聚氨酯涂料及其制备方法，可以实现大幅提高聚氨酯涂料的强度和涂刷性能，并使得聚氨酯涂料具有高效杀菌的效果，对有机污染物的吸附能力得到提高，同时提高聚氨酯涂料的致密性，从而增强疏水性能，达到防水效果，另外能够有效提高聚氨酯涂料的理化性能和加工稳定性，加入了阻燃剂，能够有效提高涂料的阻燃性能，提高适用性，还具备一定的阻燃性能，抗氧化和抗老化效果好，另外水性聚氨酯涂料的制备方法制备工艺简单，可有效提高生产效率并降低成本，适合大规模的工业化生产。
2.技术方案
为解决上述问题，本发明采用如下的技术方案。
一种水性聚氨酯涂料，包括以下按重量份计的组份：
水性聚氨酯150-180份、改性酚醛树脂20-40份、颜料20-40份、复合抗菌剂10-20份、紫外光吸收剂5-15份、助剂30-40份。
进一步的，所述改性酚醛树脂为蓖麻油改性酚醛树脂。
进一步的，所述颜料为钛白和锌钡白的混合物，其中钛白和锌钡白的质量比为1-1.5：1。
进一步的，所述复合抗菌剂为石墨烯/二氧化钛复合材料和光敏剂的混合物，其中石墨烯/二氧化钛复合材料和光敏剂的质量比为3-5：1。
进一步的，所述助剂包括流平剂、防沉剂、分散剂、消泡剂、偶联剂、阻燃剂和抗氧化剂，其中流平剂、防沉剂、分散剂、消泡剂、偶联剂、固化剂、阻燃剂和抗氧化剂的质量比为1-1.2：1-1.5：0.8-1.2：0.8-1.1：0.7-0.9：1.5-1.9：1.1-1.3。
进一步的，所述流平剂为聚甲基苯基硅氧烷和聚醚聚酯改性有机硅氧烷中的一种或两种的混合物；
所述防沉剂为有机膨润土、改性氢化蓖麻油和改性聚脲的N一甲基吡咯烷酮溶液中的一种；
所述分散剂为十二烷基磷酸酯和十二烷基硫酸钠的混合物；
所述消泡剂为聚氧乙烯甘油醚、聚二甲基硅氧烷和磷酸三丁酯中的一种或两种以上的混合物；
所述偶联剂为含有机硅烷偶联剂；
所述固化剂为2，4-二胺基-3，5-二甲硫基氯苯和二甲硫基甲苯二胺的混合物；
所述阻燃剂为二溴甲烷、三氯溴甲烷和羟基铝中的一种或两种以上的混合物；
所述抗氧化剂为N-苯基-N`-环己基对苯二胺和微晶石腊的混合物，其中N-苯基-N`-环己基对苯二胺和微晶石腊的质量比为1-2:1。
一种水性聚氨酯涂料的制备方法，其特征在于：包括以下步骤：
S1、根据组份配比取水性聚氨酯、颜料和紫外光吸收剂，置入搅拌机内进行搅拌，充分混合得混合液A；
S2、制备改性酚醛树脂，将改性酚醛树脂按照组份配比置入混合液A中，搅拌充分得混合液B；
S3、制备复合抗菌剂，将复合抗菌剂按照组份配比置入混合液B中，并将混合液B置入分散机中进行超声分散，得混合液C；
S4、按照组份配比取助剂，将助剂置入混合液C中，充分搅拌均匀，得到水性聚氨酯涂料。
进一步的，所述S2中，制备改性酚醛树脂的具体过程为：将苯酚、质量分数为38-42wt％的甲醛水溶液混合均匀后，升高温度至55-60℃，接着滴加质量分数为为39-44wt％的氨水，滴加时间为30min，继续升温至72-75℃，保温25min后，滴加蓖麻油，滴加时间为30min，继续升温至85-88℃，保温13-15h后，减压蒸馏后，降温至50℃，接着加入乙二醇，保温1h得到改性酚醛树脂。
进一步的，所述S3中，制备复合抗菌剂的过程包括以下步骤：
S31、制备氧化石墨烯：将石墨粉放入到容器中，并将容器放入冰水浴中，向容器中加入浓硫酸，搅拌10-15min；缓慢加入高锰酸钾，继续搅拌20-25min；接着将容器置于常温下搅拌21-26h；然后将容器放入冰水浴中，加入去离子水，保持冰水浴5-8min，逐滴滴加双氧水至无气泡产生；最后过滤，用盐酸洗涤，再用去离子水洗至中性，超声剥离后得氧化石墨烯；
S32、制备纳米二氧化钛：将无水乙醇缓慢滴加到钛酸丁酯中，在恒温水浴中搅拌得到均匀的混合溶液；然后加入盐酸，再缓慢滴加去离子水，继续搅拌得到钛酸丁酯溶液，接着将钛酸丁酯溶液进行干燥、高温煅烧得到淡黄色晶体；最后将淡黄色晶体与无水乙醇混合后进行研磨，即得纳二氧化钛；
S33、制备石墨烯/二氧化钛复合材料：将氧化石墨烯分散到无水乙醇中，加入纳米二氧化钛，在聚四氟乙烯反应釜中进行反应，冷却后除去溶剂，干燥研磨成粉，即得石墨烯/二氧化钛复合材料；
S34、制备复合抗菌剂：将石墨烯/二氧化钛复合材料和光引发剂按照质量配比溶于丙酮，利用旋转蒸发仪将溶剂蒸出，得到复合抗菌剂。
进一步的，所述S4中，搅拌过程具体为：先以600-700r/min的转速搅拌1-2h，静置5-10min，再以800-1000r/min的转速搅拌2-3h，静置15-30min。
3.有益效果
相比于现有技术，本发明的优点在于：
(1)本发明的涂料中添加了改性酚醛树脂，在酚醛树脂制取过程添加蓖麻油进行改性，能够将蓖麻油中的不饱和键引入到酚醛树脂分子结构中，并交联成立体网状结构，从而大幅提高本发明的强度和涂刷性能，同时提高本发明的致密性，从而增强疏水性能，达到防水效果。
(2)本发明加入了由钛白和锌钡白组成的颜料，显著提高了涂料的白度，钛白和锌钡白的组合具有较高的遮盖特性和一定的防锈蚀作用，效提高了装饰性，可以广泛应用于木器和金属表面。
(3)本发明的涂料中加入了由石墨烯/二氧化钛复合材料制成的复合抗菌剂，纳米二氧化钛具有强烈的光催化氧化效应，能够快速、高效地分解有机物，生成二氧化碳和水，光催化反应主要由高效光触媒其强氧化能力可以破坏细菌的结构并分解出细菌体，凝固病毒蛋白质，控制病毒的活性，以达到高效杀菌目的；石墨烯复合到二氧化钛形成复合材料，在两者的协同作用下，能够增强材料对有机污染物的光催化性能，并且石墨烯界面形成的异质结使得光生电子与空穴间的复合得到了改善，复合材料比表面积的增大使材料对有机污染物的吸附能力得到提高。
(4)本发明以流平剂、防沉剂、分散剂、消泡剂、偶联剂构成聚氨酯涂料加工润滑稳定体系，提高聚氨酯涂料的理化性能和加工稳定性，加入了阻燃剂，能够有效提高涂料的阻燃性能，提高适用性。
(5)本发明加入了由N-苯基-N`-环己基对苯二胺和微晶石腊组成的抗氧化剂，N-苯基-N`-环己基对苯二胺为有机苯胺盐防老剂，热稳定性高，结合能力强，能够促进聚氨酯氧化链式反应的终止，从而有效抑制自动氧老化过程，另外苯胺还原性强，可以与氧反应从而阻止氧老化过程；微晶石蜡为防老协效剂，促进N-苯基-N`-环己基对苯二胺与氧反应速度，显著提高防老化效率。
(6)本发明的制备方法制备工艺简单，可有效提高生产效率并降低成本，适合大规模的工业化生产。
附图说明
图1为本发明中水性聚氨酯涂料制备方法的流程图。
具体实施方式
下面将结合本发明实施例中的附图；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在没有做出创造性劳动前提下所获得的所有其他实施例；都属于本发明保护的范围。
在本发明的描述中，需要说明的是，术语“上”、“下”、“内”、“外”、“顶/底端”等指示的方位或位置关系为基于附图所示的方位或位置关系，仅是为了便于描述本发明和简化描述，而不是指示或暗示所指的装置或元件必须具有特定的方位、以特定的方位构造和操作，因此不能理解为对本发明的限制。此外，术语“第一”、“第二”仅用于描述目的，而不能理解为指示或暗示相对重要性。
在本发明的描述中，需要说明的是，除非另有明确的规定和限定，术语“安装”、“设置有”、“套设/接”、“连接”等，应做广义理解，例如“连接”，可以是固定连接，也可以是可拆卸连接，或一体地连接；可以是机械连接，也可以是电连接；可以是直接相连，也可以通过中间媒介间接相连，可以是两个元件内部的连通。对于本领域的普通技术人员而言，可以具体情况理解上述术语在本发明中的具体含义。
实施例1：
请参阅图1，一种水性聚氨酯涂料，包括以下按重量份计的组份：
水性聚氨酯150-180份、改性酚醛树脂20-40份、颜料20-40份、复合抗菌剂10-20份、紫外光吸收剂5-15份、助剂30-40份。
改性酚醛树脂为蓖麻油改性酚醛树脂。
颜料为钛白和锌钡白的混合物，其中钛白和锌钡白的质量比为1-1.5：1。
复合抗菌剂为石墨烯/二氧化钛复合材料和光敏剂的混合物，其中石墨烯/二氧化钛复合材料和光敏剂的质量比为3-5：1。
助剂包括流平剂、防沉剂、分散剂、消泡剂、偶联剂、阻燃剂和抗氧化剂，其中流平剂、防沉剂、分散剂、消泡剂、偶联剂、固化剂、阻燃剂和抗氧化剂的质量比为1-1.2：1-1.5：0.8-1.2：0.8-1.1：0.7-0.9：1.5-1.9：1.1-1.3。
流平剂为聚甲基苯基硅氧烷和聚醚聚酯改性有机硅氧烷中的一种或两种的混合物；
防沉剂为有机膨润土、改性氢化蓖麻油和改性聚脲的N一甲基吡咯烷酮溶液中的一种；
分散剂为十二烷基磷酸酯和十二烷基硫酸钠的混合物；
消泡剂为聚氧乙烯甘油醚、聚二甲基硅氧烷和磷酸三丁酯中的一种或两种以上的混合物；
偶联剂为含有机硅烷偶联剂；
固化剂为2，4-二胺基-3，5-二甲硫基氯苯和二甲硫基甲苯二胺的混合物；
阻燃剂为二溴甲烷、三氯溴甲烷和羟基铝中的一种或两种以上的混合物；
抗氧化剂为N-苯基-N`-环己基对苯二胺和微晶石腊的混合物，其中N-苯基-N`-环己基对苯二胺和微晶石腊的质量比为1-2:1。
本发明的涂料中添加了改性酚醛树脂，在酚醛树脂制取过程添加蓖麻油进行改性，能够将蓖麻油中的不饱和键引入到酚醛树脂分子结构中，并交联成立体网状结构，从而大幅提高本发明的强度和涂刷性能，同时提高本发明的致密性，从而增强疏水性能，达到防水效果。
本发明加入了由钛白和锌钡白组成的颜料，显著提高了涂料的白度，钛白和锌钡白的组合具有较高的遮盖特性和一定的防锈蚀作用，效提高了装饰性，可以广泛应用于木器和金属表面。
本发明的涂料中加入了由石墨烯/二氧化钛复合材料制成的复合抗菌剂，纳米二氧化钛具有强烈的光催化氧化效应，能够快速、高效地分解有机物，生成二氧化碳和水，光催化反应主要由高效光触媒其强氧化能力可以破坏细菌的结构并分解出细菌体，凝固病毒蛋白质，控制病毒的活性，以达到高效杀菌目的；石墨烯复合到二氧化钛形成复合材料，在两者的协同作用下，能够增强材料对有机污染物的光催化性能，并且石墨烯界面形成的异质结使得光生电子与空穴间的复合得到了改善，复合材料比表面积的增大使材料对有机污染物的吸附能力得到提高。
本发明以流平剂、防沉剂、分散剂、消泡剂、偶联剂构成聚氨酯涂料加工润滑稳定体系，提高聚氨酯涂料的理化性能和加工稳定性，加入了阻燃剂，能够有效提高涂料的阻燃性能，提高适用性；另外加入了由N-苯基-N`-环己基对苯二胺和微晶石腊组成的抗氧化剂，N-苯基-N`-环己基对苯二胺为有机苯胺盐防老剂，热稳定性高，结合能力强，能够促进聚氨酯氧化链式反应的终止，从而有效抑制自动氧老化过程，另外苯胺还原性强，可以与氧反应从而阻止氧老化过程；微晶石蜡为防老协效剂，促进N-苯基-N`-环己基对苯二胺与氧反应速度，显著提高防老化效率。
一种水性聚氨酯涂料的制备方法，包括以下步骤：
S1、根据组份配比取水性聚氨酯、颜料和紫外光吸收剂，置入搅拌机内进行搅拌，充分混合得混合液A；
S2、制备改性酚醛树脂，将改性酚醛树脂按照组份配比置入混合液A中，搅拌充分得混合液B；
S3、制备复合抗菌剂，将复合抗菌剂按照组份配比置入混合液B中，并将混合液B置入分散机中进行超声分散，得混合液C；
S4、按照组份配比取助剂，将助剂置入混合液C中，充分搅拌均匀，得到水性聚氨酯涂料。
S2中，制备改性酚醛树脂的具体过程为：将苯酚、质量分数为38-42wt％的甲醛水溶液混合均匀后，升高温度至55-60℃，接着滴加质量分数为为39-44wt％的氨水，滴加时间为30min，继续升温至72-75℃，保温25min后，滴加蓖麻油，滴加时间为30min，继续升温至85-88℃，保温13-15h后，减压蒸馏后，降温至50℃，接着加入乙二醇，保温1h得到改性酚醛树脂。
S3中，制备复合抗菌剂的过程包括以下步骤：
S31、制备氧化石墨烯：将石墨粉放入到容器中，并将容器放入冰水浴中，向容器中加入浓硫酸，搅拌10-15min；缓慢加入高锰酸钾，继续搅拌20-25min；接着将容器置于常温下搅拌21-26h；然后将容器放入冰水浴中，加入去离子水，保持冰水浴5-8min，逐滴滴加双氧水至无气泡产生；最后过滤，用盐酸洗涤，再用去离子水洗至中性，超声剥离后得氧化石墨烯；
S32、制备纳米二氧化钛：将无水乙醇缓慢滴加到钛酸丁酯中，在恒温水浴中搅拌得到均匀的混合溶液；然后加入盐酸，再缓慢滴加去离子水，继续搅拌得到钛酸丁酯溶液，接着将钛酸丁酯溶液进行干燥、高温煅烧得到淡黄色晶体；最后将淡黄色晶体与无水乙醇混合后进行研磨，即得纳二氧化钛；
S33、制备石墨烯/二氧化钛复合材料：将氧化石墨烯分散到无水乙醇中，加入纳米二氧化钛，在聚四氟乙烯反应釜中进行反应，冷却后除去溶剂，干燥研磨成粉，即得石墨烯/二氧化钛复合材料；
S34、制备复合抗菌剂：将石墨烯/二氧化钛复合材料和光引发剂按照质量配比溶于丙酮，利用旋转蒸发仪将溶剂蒸出，得到复合抗菌剂。
S4中，搅拌过程具体为：先以600-700r/min的转速搅拌1-2h，静置5-10min，再以800-1000r/min的转速搅拌2-3h，静置15-30min。
本发明的制备方法制备工艺简单，可有效提高生产效率并降低成本，适合大规模的工业化生产。
以上所述；仅为本发明较佳的具体实施方式；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；根据本发明的技术方案及其改进构思加以等同替换或改变；都应涵盖在本发明的保护范围内。

Claims (10)

1.一种水性聚氨酯涂料，其特征在于：包括以下按重量份计的组份：
水性聚氨酯150-180份、改性酚醛树脂20-40份、颜料20-40份、复合抗菌剂10-20份、紫外光吸收剂5-15份、助剂30-40份。
2.根据权利要求1所述的一种水性聚氨酯涂料，其特征在于：所述改性酚醛树脂为蓖麻油改性酚醛树脂。
3.根据权利要求1所述的一种水性聚氨酯涂料，其特征在于：所述颜料为钛白和锌钡白的混合物，其中钛白和锌钡白的质量比为1-1.5：1。
4.根据权利要求1所述的一种水性聚氨酯涂料，其特征在于：所述复合抗菌剂为石墨烯/二氧化钛复合材料和光敏剂的混合物，其中石墨烯/二氧化钛复合材料和光敏剂的质量比为3-5：1。
5.根据权利要求1所述的一种水性聚氨酯涂料，其特征在于：所述助剂包括流平剂、防沉剂、分散剂、消泡剂、偶联剂、阻燃剂和抗氧化剂，其中流平剂、防沉剂、分散剂、消泡剂、偶联剂、固化剂、阻燃剂和抗氧化剂的质量比为1-1.2：1-1.5：0.8-1.2：0.8-1.1：0.7-0.9：1.5-1.9：1.1-1.3。
6.根据权利要求5所述的一种水性聚氨酯涂料，其特征在于：所述流平剂为聚甲基苯基硅氧烷和聚醚聚酯改性有机硅氧烷中的一种或两种的混合物；
所述防沉剂为有机膨润土、改性氢化蓖麻油和改性聚脲的N一甲基吡咯烷酮溶液中的一种；
所述分散剂为十二烷基磷酸酯和十二烷基硫酸钠的混合物；
所述消泡剂为聚氧乙烯甘油醚、聚二甲基硅氧烷和磷酸三丁酯中的一种或两种以上的混合物；
所述偶联剂为含有机硅烷偶联剂；
所述固化剂为2，4-二胺基-3，5-二甲硫基氯苯和二甲硫基甲苯二胺的混合物；
所述阻燃剂为二溴甲烷、三氯溴甲烷和羟基铝中的一种或两种以上的混合物；
所述抗氧化剂为N-苯基-N`-环己基对苯二胺和微晶石腊的混合物，其中N-苯基-N`-环己基对苯二胺和微晶石腊的质量比为1-2:1。
7.一种如权利要求1-6任意一项所述的水性聚氨酯涂料的制备方法，其特征在于：包括以下步骤：
S1、根据组份配比取水性聚氨酯、颜料和紫外光吸收剂，置入搅拌机内进行搅拌，充分混合得混合液A；
S2、制备改性酚醛树脂，将改性酚醛树脂按照组份配比置入混合液A中，搅拌充分得混合液B；
S3、制备复合抗菌剂，将复合抗菌剂按照组份配比置入混合液B中，并将混合液B置入分散机中进行超声分散，得混合液C；
S4、按照组份配比取助剂，将助剂置入混合液C中，充分搅拌均匀，得到水性聚氨酯涂料。
8.根据权利要求7所述的一种水性聚氨酯涂料的制备方法，其特征在于：所述S2中，制备改性酚醛树脂的具体过程为：将苯酚、质量分数为38-42wt％的甲醛水溶液混合均匀后，升高温度至55-60℃，接着滴加质量分数为为39-44wt％的氨水，滴加时间为30min，继续升温至72-75℃，保温25min后，滴加蓖麻油，滴加时间为30min，继续升温至85-88℃，保温13-15h后，减压蒸馏后，降温至50℃，接着加入乙二醇，保温1h得到改性酚醛树脂。
9.根据权利要求7所述的一种水性聚氨酯涂料的制备方法，其特征在于：所述S3中，制备复合抗菌剂的过程包括以下步骤：
S31、制备氧化石墨烯：将石墨粉放入到容器中，并将容器放入冰水浴中，向容器中加入浓硫酸，搅拌10-15min；缓慢加入高锰酸钾，继续搅拌20-25min；接着将容器置于常温下搅拌21-26h；然后将容器放入冰水浴中，加入去离子水，保持冰水浴5-8min，逐滴滴加双氧水至无气泡产生；最后过滤，用盐酸洗涤，再用去离子水洗至中性，超声剥离后得氧化石墨烯；
S32、制备纳米二氧化钛：将无水乙醇缓慢滴加到钛酸丁酯中，在恒温水浴中搅拌得到均匀的混合溶液；然后加入盐酸，再缓慢滴加去离子水，继续搅拌得到钛酸丁酯溶液，接着将钛酸丁酯溶液进行干燥、高温煅烧得到淡黄色晶体；最后将淡黄色晶体与无水乙醇混合后进行研磨，即得纳二氧化钛；
S33、制备石墨烯/二氧化钛复合材料：将氧化石墨烯分散到无水乙醇中，加入纳米二氧化钛，在聚四氟乙烯反应釜中进行反应，冷却后除去溶剂，干燥研磨成粉，即得石墨烯/二氧化钛复合材料；
S34、制备复合抗菌剂：将石墨烯/二氧化钛复合材料和光引发剂按照质量配比溶于丙酮，利用旋转蒸发仪将溶剂蒸出，得到复合抗菌剂。
10.根据权利要求7所述的一种水性聚氨酯涂料的制备方法，其特征在于：所述S4中，搅拌过程具体为：先以600-700r/min的转速搅拌1-2h，静置5-10min，再以800-1000r/min的转速搅拌2-3h，静置15-30min。
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