CN111500193A - 一种高性能自洁有机硅涂层组合物及其制备方法 - Google Patents

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Abstract

本发明公开了一种高性能自洁有机硅涂层组合物及其制备方法，属于涂料技术领域，由以下重量份数的原料组成：有机硅树脂乳液450‑500份、纤维素醚2‑6份、分散剂0.5‑3份、湿润剂0.5‑2份、成膜助剂10‑20份、纳米金红石型钛白粉350‑500份、纳米蒙脱石80‑120份。有机硅树脂类纳米涂料涂在基材表面，使其具有耐生物降解、耐热耐老化以及抗菌杀菌性能，另外由于涂料本身具有疏水特性，加上涂料可以填平我们肉眼看不见的凹凸不平的小孔和毛细孔，使得材料表面光滑均匀，对水也有很强的排斥作用，雨水在涂层表面会形成“荷叶效应”，雨水的滚动会带走涂层表面的灰尘，因此也具有自洁功能。

Description

一种高性能自洁有机硅涂层组合物及其制备方法
技术领域
本发明属于涂料技术领域，具体涉及一种高性能自洁有机硅涂层组合物及其制备方法。
背景技术
现阶段，市场上自洁、除甲醛、抗菌三合一或两合一等涂层均是采取以下方式获得：第一种方式为采取丙烯酸酯或其它树脂进行有机硅改性。采用该种方法是在丙烯酸酯树脂上接枝一定的有机硅，有一定的效果，但改性有限，究其原因是主链是碳链而非有机硅，其耐候性有限，又有机硅接枝度有限，其自洁，除甲醛，抗菌性能力有限；第二种方式为采取丙烯酸酯树脂和有机硅树脂物理混合的方法。采用该种方法在自洁，抗菌，除甲醛等方面具有一定的效果，但由于树脂间的相容性问题，会使涂层物理性能及耐候性方面得不到改善反而降低。
而具有生物降解和耐热耐老化不佳是有机树脂的特性，现有技术是采取添加抗菌剂和紫外吸收剂改善，但由于抗菌剂和紫外吸收剂的迁移造成局部缺陷，从而造成局部破坏；且树脂本身与颜填料、无机纤维的分散性和粘结性能不佳，需要采取添加若干助剂才能很好的分散浸润，但采取助剂分散浸润后，又造成机械性能的损失的问题。
发明内容
本发明的目的在于：针对上述存在的问题，本发明提供一种高性能自洁有机硅涂层组合物及其制备方法。
本发明采用的技术方案如下：
一种高性能自洁有机硅涂层组合物，由以下重量份数的原料组成：有机硅树脂乳液450-500份、纤维素醚2-6份、分散剂0.5-3份、湿润剂0.5-2份、成膜助剂10-20份、纳米金红石型钛白粉350-500份、纳米蒙脱石80-120份。
本发明的有机硅树脂类纳米涂料涂在基材表面，由于涂料本身具有疏水特性，加上涂料可以填平我们肉眼看不见的凹凸不平的小孔和毛细孔，使得材料表面光滑均匀，对水也有很强的排斥作用；雨水在涂层表面会形成“荷叶效应”，由于雨水的滚动会带走涂层表面的灰尘，即具有自洁功能；同时通过有机硅树脂乳液中封端多用途可调节抗菌性有机硅树脂中接枝季铵盐类杀菌基团与掺杂的无机抗菌材料纳米金红石型钛白粉和纳米蒙脱石等拉挤、成型成为具有抗菌功能的复合抗菌绿色建筑材料，增宽抗菌谱带。其中纳米金红石型钛白粉和纳米蒙脱石也可以是其他的无机抗菌材料例如氧化锌、二氧化钛等。
进一步的，本申请的成膜助剂为低分子有机物，如丙二醇甲醚醋酸酯，在树脂成膜过程中绝大部分挥发出去。
优选地，由以下重量份数的原料组成：有机硅树脂乳液479.5份、纤维素醚3.5份、分散剂1份、湿润剂1份、成膜助剂15份、纳米金红石型钛白粉399份、纳米蒙脱石100份。
优选地，所述有机硅树脂乳液由30-50重量份的封端多用途可调节抗菌性有机硅树脂、1.5-3重量份的复合乳化剂、50-70重量份的去离子水配制而成。
优选地，所述有机硅树脂乳液具体的配制方法为：将称量的去离子水加入到分散容器中，加热至45-50℃，加入复合乳化剂，在200-400转/min的搅拌速度下搅拌分散3-8min，称量封端多用途可调节抗菌性有机硅树脂并加热至45-50℃，然后缓缓加入到分散容器中，在400-600转/min的搅拌速度下搅拌分散8-12min，冷却至室温，即得有机硅树脂乳液。
所述有机硅树脂乳液具体的配制方法的最佳条件是：所述有机硅树脂乳液具体的配制方法为：将称量的去离子水加入到分散容器中，加热至45-50℃，加入复合乳化剂，在300转/min的搅拌速度下搅拌分散5min，称量封端多用途可调节抗菌性有机硅树脂并加热至45-50℃，然后缓缓加入到分散容器中，在500转/min的搅拌速度下搅拌分散10min，冷却至室温，即得有机硅树脂乳液。
优选地，所述复合乳化剂为十六烷基溴化铵、十八烷基溴化铵及、壬基酚聚氧乙烯醚(EO＝15-20)，辛基酚聚氧乙烯醚(EO＝15-20)的一种或多种的混合物。
优选地，所述封端多用途可调节抗菌性有机硅树脂由以下重量份的原料制备而成：硅氧烷柔性单体0-100份、硅氧烷刚性单体0-100份、氨基硅烷5-10份、烷基化试剂W 5-12份、季铵化试剂5-12份。
优选地，所述硅氧烷柔性单体为六甲基环三硅氧烷、八甲基环四硅氧烷、十甲基环五硅氧烷、十二甲基环六硅氧烷、十四甲基环七硅氧烷、十六甲基环八硅氧烷和二甲基二甲氧基硅烷中任意一种或几种；所述刚性单体为甲基苯基二甲氧基硅烷或二苯基二甲氧基硅烷；所述氨基硅烷为
Figure BDA0002471652480000021
n为1，2或3；m为1，2或3；所述季铵化试剂为卤代苄或CH3CH2Cl；所述烷基化试剂为甲醇或乙醇和甲醛混合试剂，摩尔比(0.8-1)：1。
优选地，所述封端多用途可调节抗菌性有机硅树脂的制备包括以下步骤：
S1:先将硅氧烷柔性单体、硅氧烷刚性单体、氨基硅烷和碱性溶液加入到反应容器中，密封装置充惰性气体并开始加热，然后升温至80-86℃，反应3-5h，粘度达到1200-1400mpa.s，加酸中和至pH值6.8-7，保持80-86℃温度1.5-3.5h；减压蒸馏馏出低沸物，即封端多用途硅树脂；
S2:降温至80-86℃，滴加烷基化试剂W，回流2-2.5h后，滴加季铵化试剂，滴加完毕后，保持80-86℃温度回流反应5-7h，测pH值，pH值在6-6.5时即为反应终点；
S3:减压蒸馏除过量的季铵化试剂，得到热固性封端多用途抗菌性有机硅树脂。
优选地，步骤S1和S2减压蒸馏的条件是真空度小于20mmHg柱，温度为102-105℃。
优选地，步骤S1中的酸为分析纯的甲酸或醋酸。
优选地，所述碱性溶液的质量份数20-40％NaOH或是其他的强碱，加入的量为氨基硅烷的0.8-1.2倍。
对本发明制备的封端多用途可调节抗菌性有机硅树脂的反应原理，以二甲基二甲氧基硅烷为硅氧烷柔性单体、甲基苯基二甲氧基硅烷为刚性单体为例进行说明：
(1)二甲基二甲氧基硅烷为硅氧烷柔性单体、甲基苯基二甲氧基硅烷为刚性单体原料、氨基硅烷在碱性条件下的开环反应生成羟基硅油：
Figure BDA0002471652480000031
2)羟基硅油和羟基氨基硅油缩聚反应和封端酯化生成封端多用途有机硅树脂：
Figure BDA0002471652480000041
其中a为1-10；b为1-2；c为1-10；n为1，2或3；m为1，2或3；
(3)封端多用途有机硅树脂在烷基化试剂和季铵化试剂的作用下生成封端多用途抗菌性有机硅树脂：
Figure BDA0002471652480000042
其中a为1-10；b为1-2；c为1-10；n为1，2或3；m为1，2或3。
优选地，还包括水性颜料、填料。所述的颜料还有填料根据具体的需要进行添加。
一种高性能自洁有机硅涂层组合物的制备方法，包括以下步骤：将有机硅树脂乳液加入到带分散盘的容器中，在200-400转/min的搅拌速度的状态下加入分散剂，湿润剂，搅拌3min，再缓缓加入纤维素醚，加完后增加搅拌速度至500-700转/min搅拌8-15min，降低搅拌速度至200-400转/min，加入成膜助剂，搅拌2-5min后，缓缓加入纳米金红石型钛白粉后，提高搅拌速度至1100-1300转/min，搅拌12-18min后中加入水性颜料，各种填料，100-300转/min转速搅拌8-12min，即得高性能自洁有机硅涂层。
优选地，一种高性能自洁有机硅涂层组合物的制备方法，包括以下步骤：将有机硅树脂乳液加入到带分散盘的容器中，在300转/min的搅拌速度的状态下加入分散剂，湿润剂，搅拌3min，再缓缓加入纤维素醚，加完后增加搅拌速度至600转/min搅拌10min，降低搅拌速度至300转/min，加入成膜助剂，搅拌3min后，缓缓加入纳米金红石型钛白粉后，提高搅拌速度至1200转/min，搅拌15min后中加入水性颜料，各种填料，200转/min转速搅拌10min，即得高性能自洁有机硅涂层。
相较于现有技术，本发明的有益效果是：
(1)耐生物降解和耐热耐老化性能：有机硅本身兼具有机高分子和无机材料的特性，具有耐生物降解和耐热耐老化的特性，在其主链上接枝抗菌杀菌基团后，其耐生物降解和耐热耐老化性能显著提高的同时不存在局部缺陷；同时，掺杂的纳米金红石型钛白粉和纳米蒙脱石与封端多用途可调节抗菌性有机硅树脂主链上接枝抗菌杀菌基团通过拉挤、成型为具有抗菌功能的复合抗菌绿色建筑材料，增宽抗菌谱带；
(2)涂层表面超疏水性能：有机硅树脂类纳米涂料涂在基材表面，由于涂料本身具有疏水特性，加上涂料可以填平我们肉眼看不见的凹凸不平的小孔和毛细孔，使得材料表面光滑均匀，对水也有很强的排斥作用；
(3)自洁功能：由于涂层的超疏水性，雨水在涂层表面会形成“荷叶效应”，由于雨水的滚动会带走涂层表面的灰尘，即具有自洁功能。
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，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用以解释本发明，并不用于限定本发明，即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。
实施例1
(1)有机硅树脂乳液的制备
封端多用途可调节抗菌性有机硅树脂45份、复合乳化剂：2.5份、去离子水：52.5份。
其中：封端多用途可调节抗菌性有机硅树脂为
Figure BDA0002471652480000051
其中a为4；b为1；c为6；n为1；m为1。
复合乳化剂：为十六烷基溴化铵、十八烷基溴化铵及、壬基酚聚氧乙烯醚(EO＝15-20)，辛基酚聚氧乙烯醚(EO＝15-20)的一种或多种的混合物。
工艺：
将去离子水称量加入到分散容器中，加热至45-50℃，加入复合乳化剂，在300转/min的搅拌速度下搅拌分散5min，称量封端多用途可调节抗菌性有机硅树脂并加热至45-50℃，然后缓缓加入到分散容器中，在500转/min的搅拌速度下搅拌分散10min，冷却至室温，即得。
(2)一种高性能自洁有机硅涂层组合物的制备
由以下重量份数的原料组成：有机硅树脂乳液479.5份、纤维素醚3.5份、分散剂1份、湿润剂1份、成膜助剂15份、纳米金红石型钛白粉399份、纳米蒙脱石100份。
水性颜料：各种颜色
填料：各种粒径配合
工艺：
将去离子水加入到带分散盘的容器中，在300转/min的搅拌速度的状态下加入分散剂，湿润剂，搅拌3min，再缓缓加入纤维素醚，加完后增加搅拌速度至600转/min搅拌10min，降低搅拌速度至300转/min，加入成膜助剂，搅拌3min后，缓缓加入纳米金红石型钛白粉后，提高搅拌速度至1200转/min，搅拌15min后中加入水性颜料，各种填料，200转/min转速搅拌10min，颜色即得各种涂层--平涂，质感，仿花岗岩等。
实施例2-6
与实施例1相比，实施例2-6除了有机硅树脂乳液、纤维素醚、分散剂、湿润剂、成膜助剂、纳米金红石型钛白粉、纳米蒙脱石各组分的含量不一样，其余与是实施例1同。
表1实施例2-6各组分的含量表
Figure BDA0002471652480000061
实施例7-12
实施例7-12除了封端多用途可调节抗菌性有机硅树脂的与实施例1不同外，其余均与实施例1相同。所述的封端多用途可调节抗菌性有机硅树脂的结构为
Figure BDA0002471652480000071
其中a为1-10；b为1-2；c为1-10；n为1，2或3；m为1，2或3。
表2实施例7-12封端多用途可调节抗菌性有机硅树脂中a、b、c、n以及m的具体的取值
实施例 a b c n m
7 4 1 6 2 2
8 4 2 6 3 2
9 3 1 7 2 2
10 6 1 4 2 2
11 6 1 4 3 2
12 6 2 4 2 2
实验部分
说明：硬度按照GB/T 6739-2006测试；抗菌率按照GB/T21866-2008测试；氙灯老化按照GB/T16422.2-2014/ISO 4892-2:2006测试；紫外灯老化(有无变黄)按照GB/T16422.3-2014/ISO 4892-3:2006测试；自洁性中的耐沾污性评定以及雨水污痕评定分别按照GB/T31815-2015，GB/T9780-2013测定。
表3实施例1-12性能测试值
Figure BDA0002471652480000072
Figure BDA0002471652480000081
由表3可知，通过对本申请的高性能自洁有机硅涂层组合物的硬度、抗菌率、氙灯老化、紫外灯老化以及自洁性的耐沾污性评定以及雨水污痕评定的测试可以证明本申请的专利具有优异的耐生物降解、耐热耐老化、抗菌性以及自洁性能，且通过调整封端多用途可调节抗菌性有机硅树脂的结构其硬度可以实现调控。
以上所述实施例仅表达了本申请的具体实施方式，其描述较为具体和详细，但并不能因此而理解为对本申请保护范围的限制。应当指出的是，对于本领域的普通技术人员来说，在不脱离本申请技术方案构思的前提下，还可以做出若干变形和改进，这些都属于本申请的保护范围。

Claims (10)

1.一种高性能自洁有机硅涂层组合物，其特征在于，由以下重量份数的原料组成：有机硅树脂乳液450-500份、纤维素醚2-6份、分散剂0.5-3份、湿润剂0.5-2份、成膜助剂10-20份、纳米金红石型钛白粉350-500份、纳米蒙脱石80-120份。
2.根据权利要求1所述的一种高性能自洁有机硅涂层组合物，其特征在于，由以下重量份数的原料组成：有机硅树脂乳液479.5份、纤维素醚3.5份、分散剂1份、湿润剂1份、成膜助剂15份、纳米金红石型钛白粉399份、纳米蒙脱石100份。
3.根据权利要求1或2所述的一种高性能自洁有机硅涂层组合物，其特征在于，所述有机硅树脂乳液由30-50重量份的封端多用途可调节抗菌性有机硅树脂、1.5-3重量份的复合乳化剂、50-70重量份的去离子水配制而成。
4.根据权利要求3所述的一种高性能自洁有机硅涂层组合物，其特征在于，所述有机硅树脂乳液具体的配制方法为：将称量的去离子水加入到分散容器中，加热至45-50℃，加入复合乳化剂，在200-400转/min的搅拌速度下搅拌分散3-8min，称量封端多用途可调节抗菌性有机硅树脂并加热至45-50℃，然后缓缓加入到分散容器中，在400-600转/min的搅拌速度下搅拌分散8-12min，冷却至室温，即得有机硅树脂乳液。
5.根据权利要求3所述的一种高性能自洁有机硅涂层组合物，其特征在于，所述复合乳化剂为十六烷基溴化铵、十八烷基溴化铵及、壬基酚聚氧乙烯醚，辛基酚聚氧乙烯醚的一种或多种的混合物。
6.根据权利要求1所述的一种高性能自洁有机硅涂层组合物，其特征在于，所述封端多用途可调节抗菌性有机硅树脂由以下重量份的原料制备而成：硅氧烷柔性单体0-100份、硅氧烷刚性单体0-100份、氨基硅烷5-10份、烷基化试剂W 5-12份、季铵化试剂5-12份。
7.根据权利要求6所述的一种高性能自洁有机硅涂层组合物，其特征在于，所述硅氧烷柔性单体为六甲基环三硅氧烷、八甲基环四硅氧烷、十甲基环五硅氧烷、十二甲基环六硅氧烷、十四甲基环七硅氧烷、十六甲基环八硅氧烷和二甲基二甲氧基硅烷中任意一种或几种；所述刚性单体为甲基苯基二甲氧基硅烷或二苯基二甲氧基硅烷；所述氨基硅烷为
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n为1，2或3；m为1，2或3；所述季铵化试剂为卤代苄或CH3CH2Cl；所述烷基化试剂为甲醇或乙醇和甲醛混合试剂，摩尔比(0.8-1)：1。
8.根据权利要求6所述的一种高性能自洁有机硅涂层组合物，其特征在于，所述封端多用途可调节抗菌性有机硅树脂的制备包括以下步骤：
S1:先将硅氧烷柔性单体、硅氧烷刚性单体、氨基硅烷和碱性溶液加入到反应容器中，密封装置充惰性气体并开始加热，然后升温至80-86℃，反应3-5h，粘度达到1200-1400mpa.s，加酸中和至pH值6.8-7，保持80-86℃温度1.5-3.5h；减压蒸馏馏出低沸物，即封端多用途硅树脂；
S2:降温至80-86℃，滴加烷基化试剂W，回流2-2.5h后，滴加季铵化试剂，滴加完毕后，保持80-86℃温度回流反应5-7h，测pH值，pH值在6-6.5时即为反应终点；
S3:减压蒸馏除过量的季铵化试剂，得到热固性封端多用途抗菌性有机硅树脂。
9.根据权利要求1所述的一种高性能自洁有机硅涂层组合物，其特征在于，还包括水性颜料、填料。
10.基于权利要求1-9任一项所述的一种高性能自洁有机硅涂层组合物的制备方法，其特征在于，包括以下步骤：将有机硅树脂乳液加入到带分散盘的容器中，在200-400转/min的搅拌速度的状态下加入分散剂，湿润剂，搅拌3min，再缓缓加入纤维素醚，加完后增加搅拌速度至500-700转/min搅拌8-15min，降低搅拌速度至200-400转/min，加入成膜助剂，搅拌2-5min后，缓缓加入纳米金红石型钛白粉后，提高搅拌速度至1100-1300转/min，搅拌12-18min后中加入水性颜料，各种填料，100-300转/min转速搅拌8-12min，即得高性能自洁有机硅涂层。
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