CN111718647B - 一种环保型水性uv涂料及其制备方法 - Google Patents

一种环保型水性uv涂料及其制备方法 Download PDF

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Abstract

本发明属于涂料领域，具体地说，涉及一种环保型水性UV涂料及制备方法。所述的环保型水性UV涂料包括如下重量份的原料制备而成：紫外光固化水性聚氨酯分散体40‑90份、丙烯酸酯乳液10‑60份、光引发剂0.1‑3份、硅烷偶联剂0‑2份、表面活性剂0.1‑1份，助剂0.5‑12份、光稳定剂0‑4份和水0‑50份。本发明的环保型水性UV涂料具有较强的耐候性及附着性，同时用水调整粘度，不必借助活性稀释剂来调节粘度，可解决VOC及毒性、刺激性问题，即开即用，无需加固化剂，同时本发明的涂料还可回收再使用。

Description

一种环保型水性UV涂料及其制备方法
技术领域
本发明属于涂料领域，具体地说，涉及一种环保型水性UV涂料及其制备方法。
背景技术
随着人类环保意识的增强，各国对VOC的排放相继制定了环保法规，且限定排放标准日趋严格，旨在推广绿色环保、节能减排的新产品。因此，在涂料涂装领域，安全无污染的涂料开发和应用势在必行。
UV涂料也称紫外光(Ultra-Violet Ray)固化涂料，主要是通过紫外灯照射使涂料固化成膜，工业用的紫外波长以200nm-450nm为其应用范围，UV涂料可通过滚涂、淋涂、喷涂等方法涂布，具有低VOC、绿色环保、固化快速、节约能源、易于工业化等优势。
由于水性UV涂料具有可实现技术途径多、安全等特点，近几年很受欢迎。与传统的溶剂型UV涂料相比，水性UV涂料的主要优点在于：不含活性稀释剂，可用廉价的水来调整粘度；不必借助活性稀释剂来调节粘度，可减少因大量使用活性稀释剂而引起的固化收缩，减少毒性和刺激性等问题；不含挥发性的有机溶剂，不易燃烧，比较安全；另外，盛装涂料的设备、容器等也容易清洗。
目前所用的外墙板涂料基本分为水性涂料和溶剂型双组份固化涂料，水性涂料干燥慢，性能较差；溶剂型涂料VOC含量高，不环保。
发明专利CN102206461A公开了一种水性UV涂料，由以下重量份的原料加工而成：聚氨酯丙烯酸酯树脂30-40份、甲基丙烯酸酯-丙烯酸酯丁酯共聚物5-15份、水性不饱和聚酯丙烯酸酯树脂20-40份、光引发剂1-1.5份、流平剂0.2-0.5份、助溶剂2-4份、水100-200份。该水性UV具有硬度好、耐磨性好、粘附力好、耐溶剂性能好的优点，但耐老化性、耐水煮性及耐沾污性能较差。
并且，目前水性UV涂料主要应用于木地板及家具领域，而在外墙用预制化一体板材上的应用，包括新型复合材料、柔性贴面材料、无机板材等，因存在一些应用难点，导致无法被广泛应用。主要原因在于，当在外墙用预制化一体板材上应用时，对水性UV涂料要求更高，具体表现为：1)由于用于户外，因此对耐候性(耐黄变、耐沾污)要求更高；2)由于一体板上的基材以平涂岩彩、质感岩彩、真石漆为主，平涂岩彩及质感岩彩表面的致密度要大大高于木材，相较于木材，水性UV涂料在此基材上更难渗透。并且，普通的水性UV仍然存在收缩问题，因而由于以上两点容易造成附着力差的现象。因此，需要提供一种环保型水性UV涂料以克服上述缺陷，从而开拓其应用领域。
有鉴于此，特提出本发明。
发明内容
本发明的目的是为了提供一种具有良好的耐候性(耐黄变、耐沾污)以及良好的附着力的一种环保高效的水性UV涂料。
本发明的目的是通过以下方案实现的：
Figure BDA0001999354510000021
优选的，所述的环保型水性UV涂料包括如下重量份的原料制备而成：
Figure BDA0001999354510000022
更优选的，所述的环保型水性UV涂料包括如下重量份的原料制备而成：
Figure BDA0001999354510000031
本发明以紫外光固化水性聚氨酯分散体和丙烯酸酯乳液为主要原料，以廉价的水为稀释剂，不仅可以方便地控制流变性，使得涂料可以用于各种涂装方式，如辊涂、淋涂、喷涂等，还避免了因大量使用活性稀释剂而引起的固化收缩，减少了毒性和刺激性等问题。同时，本发明添加少量的硅烷偶联剂，树脂在干燥成膜的过程中，硅氧烷水解、缩聚，可以在聚合物分子间与基材间形成牢固的交联网络(-Si-O-Si-)结构，使漆膜具有很强的附着力，并且又能提高耐水性。
所述的紫外光固化水性聚氨酯分散体为基于脂肪族聚氨酯丙烯酸酯的水性阴离子可UV交联的分散体，其固含量为39.0-41.0％，粘性为10-500mPas,其可以通过已知方法制备，如按照申请号201510442454.9的方法制得。或者包括一些优选的产品为市售可得的水性分散体，例如以商标名
Figure BDA0001999354510000032
(BASF SE德国)销售的产品，特别是产品LAROMER LR8949，UA 9060、UA 9095，LR 8963、LR 9005、UA 9059；例如以商标名
Figure BDA0001999354510000033
(BayerMaterial Scierce AG,Germany)销售的产品，特别是产品BAYHYDROL UV 2280、UV 2282、UV2317和UV 2689；例如以商标名
Figure BDA0001999354510000034
(DSM Coating Resins,LLC)销售的产品，特别是产品NEORAD R-441,R-448、UV-14、UV-20和UV-65；例如由Alberdingk Boley以商品名
Figure BDA0001999354510000035
LUX销售的产品，特别是产品LUX 339、225、250和260VP；或者以商标名
Figure BDA0001999354510000036
(Allnex)销售的商品，特别是产品UCECOAT 7177、7699/7733/7710/7689和7788。
所述的丙烯酸酯乳液为本领域已知的，所述的丙烯酸酯乳液包括纯丙乳液、硅丙乳液、苯丙乳液和醋丙乳液中的一种或多种。所述的丙烯酸乳液包括有机硅改性丙烯酸乳液，有机氟改性苯丙乳液，环氧树脂改性丙烯酸乳液，功能性单体改丙烯酸乳液，阳离子丙烯酸乳液。
所述的硅烷偶联剂为本领域公知的，包括环氧硅烷、含异氰酸酯基的硅烷、螯合性硅烷、含氟硅烷、乙烯基硅烷、叠氮化物、酸酐基、羧酸基、酯基、醛基、羟基、多官能团的聚合物硅烷和长链烷基硅烷等。
本发明的涂料还包含有常规涂料-光引发剂,合适的光引发剂在暴露于UV辐射时能够引发烯键式不饱和双键的聚合，优选的，所述的光引发剂为2-羟基-2-甲基-1-苯基-1-丙酮、1-羟基-环己基-苯基甲酮、2，4，6-三甲基苯甲酰基二苯基氧化膦、二苯甲酮、安息香双甲醚中的一种或多种。
本发明中，所述的光稳定剂包括二羟基二苯甲酮及其衍生物、苯并三唑及其衍生物、苯氧基三嗪及其衍生物，以及其他类型的光稳定剂如双(1,2,2,6,6-五甲基-4-哌啶)癸二酸酯、1-甲基-8-(1,2,2,6,6-五甲基-4-哌啶)癸二酸酯、聚合型光稳定剂如丁二酸与(4-羟基-2,2,6,6-四甲基-1-哌啶醇的聚合物)等。
本发明中，所述的助剂包括流平剂、流变助剂、成膜助剂、分散剂、消泡剂和/或消光剂或防回粘剂。
进一步的，发明中添加的表面活性剂包括特殊类型的表面活性剂，所述特殊类型表面活性剂可以提高本发明所述的环保型水性UV涂料的耐沾污性和/或附着力
进一步的，所述的特殊类型的表面活性剂为氟碳表面活性剂或有机硅表面活性剂，可进一步提高本发明的环保型水性UV涂料的耐沾污性。
本发明中，所述的氟碳表面活性剂包括阴离子氟表面活性剂、阳离子氟表面活性剂、非离子氟碳表面活性剂、两性氟碳表面活性剂，以及其他类型的氟碳表面活性剂如含硅氟碳表面活性剂、混杂型表面活性剂、长链型表面活性剂和/或无亲水基氟碳表面活性剂。
本发明中，所述的有机硅表面活性剂性剂包括阴离子型有机硅表面活性剂、阳离子型有机硅表面活性剂、两性有机硅表面活性剂和非离子型有机硅表面活性剂。
进一步的，所述紫外光固化水性聚氨酯分散体与丙烯酸酯乳液的添加比例为4:6～9:1。
本发明的另一目的在于提供所述的环保型水性UV涂料的制备方法，其中，所述的制备方法为：将所述重量份的紫外光固化水性聚氨酯分散体、丙烯酸酯乳液、硅烷偶联剂、表面活性剂、助剂和水混合后充分搅拌，再加入所述重量份的光引发剂和光稳定剂充分搅拌，即得。
由于光引发剂和光稳定剂对光敏感，需要避光保存，同样，在生产过程中也需要注意避光。为了避免因生产过程过长而意外见光，进而发生聚合反应，因此光引发剂和光稳定剂在最后加入。
采用上述技术方案后，本发明与现有技术相比具有以下有益效果：
1、本发明提供的环保型水性UV涂料具有良好的耐候性(耐黄变、耐沾污)以及良好的附着力，既可应用于木地板、家具、内墙新型复合板材，还可应用于对涂料性能要求极高的外墙用预制化一体化板上领域。
2、本发明提供的环保型水性UV涂料与溶剂型UV相比(同类型比较)，主要优点在于：不含活性稀释剂，可以用水调整粘度，而不必借助活性稀释剂来调节粘度，可解决VOC及毒性、刺激性问题；同时不含挥发性有机物，不燃烧，安全；另外，盛装涂料的设备、容器等也易于清洗。
3、本发明提供的环保型水性UV涂料与双组分聚氨酯相比(现有的外墙用预制化一体板材罩面清漆技术)，主要优点在于：本发明的水性UV涂料为单组份聚氨酯，其生产效率提高，从闪干到固化控制在55分钟以内(55度脱水闪干10～40分钟，UV固化10～20秒，80度后期热处理0-15分钟)，同时即开即用，无需加固化剂。而现有的双组分聚氨酯需要60度4小时的固化时间，并且使用前需添加固化剂再进行高速分散。另外，本发明的涂料开放时间较长可回收再使用，而双组分聚氨酯由于开放时间较短，因此不可回收再用。
具体实施方式
为使本发明实施例的目的、技术方案和优点更加清楚，下面将结合本发明实施例中，对实施例中的技术方案进行清楚、完整地描述，以下实施例用于说明本发明，但不用来限制本发明的范围。
实施例1
将40份紫外光固化水性聚氨酯分散体、10份丙烯酸酯乳液、0.3份硅烷偶联剂、0.1份表面活性剂，0.5份助剂和8份水一起混合后充分搅拌，再加入0.1份的光引发剂和0.5份的光稳定剂搅拌，即得环保型水性UV涂料。
实施例2-7按照实施例1的制备方法，并参照表1的配方进行配置制得环保型水性UV涂料。
表1：实施例2-7原料及具体重量份数
Figure BDA0001999354510000051
Figure BDA0001999354510000061
实施例1-7中涉及到的硅烷偶联剂、特殊类型的表面活性剂(氟碳表面活性剂、有机硅表面活性剂)、光稳定剂、光引发剂、紫外光固化水性聚氨酯分散体、丙烯酸酯乳液、助剂，其原料来源如表2所示。
表2：实施例1-7原料来源
涂料组分 公司名称 产品代号
硅烷偶联剂 道康宁 Z-6040
氟碳表面活性剂 森永化成 AZF-2003
有机硅表面活性剂 BYK BYK346
光引发剂 IGM Omnirad500
紫外光固化水性聚氨酯分散体 巴斯夫 LaromerUV9095
丙烯酸酯乳液 巴斯夫 Acronal7051
光稳定剂 巴斯夫 Tinuvin1130
助剂(消泡剂) 毕克 BYK093
助剂(流变助剂) 陶氏 Acrysol12W
助剂(消光剂) 赢创 TS100
助剂(成膜助剂) 伊士曼 Texanol
比较例1
该比较例与实施例1的区别在于，不含丙烯酸酯乳液，其制备方法参照实施例1。
比较例2
该比较例与实施例1的区别在于，不含硅烷偶联剂，其制备方法参照实施例1。
比较例3
该比较例为传统溶剂型紫外光固化涂料，其原料组成及具体重量份数如下：
Figure BDA0001999354510000071
制备方法为：将以上重量份的脂肪族聚氨酯丙烯酸树脂、TMPTA、表面活性剂、助剂一起混合后充分搅拌，再加入所述重量份的光引发剂充分搅拌，即得。
比较例4
该比较例为双组份聚氨酯涂料，其原料组成及具体重量份数如下：
Figure BDA0001999354510000072
制备方法为：将以上重量份的水、羟基丙烯酸酯乳液、流平剂、消泡剂等助剂充分搅拌得到A组分。再在施工前，按一定配比添加B组分水性异氰酸酯固化剂，充分高速分散均匀，即可。
试验例1
该试验例为实施例1-7制作得的水性UV涂料固化成膜后的技术指标与比较例1-4制得涂料的技术指标性能对比，结果如表3所示。
表3：各实施例及比较例制得的环保型水性UV涂料的性能指标
Figure BDA0001999354510000073
Figure BDA0001999354510000081
从上述试验结果可以看出，本发明实施例1-7制得的环保型水性UV涂料各项性能优良。比较例1中未添加丙烯酸乳液，导致涂料成膜后的附着力下降，色差明显。比较例2中未添加硅烷偶联剂，导致涂料成膜后的耐水煮性下降，附着力也有所降低。比较例3为传统溶剂型紫外光固化涂料，其附着力以及色差的等级均不及实施例1-7的涂料产品，比较例4为双组聚氨酯涂料，其耐水煮性和附着力不及实施例1-7的涂料产品。
试验例2
该试验例考察了硅烷偶联剂的用量对所制得的涂料的性能的影响，在涂料配置过程中加入不同重量份的硅烷偶联剂，其余组分按照实施例1进行配置，硅烷偶联剂的具体用量参照表4。
表4：硅烷偶联剂用量对涂料性能的影响
Figure BDA0001999354510000082
Figure BDA0001999354510000091
从上述实验结果可以看出，当硅烷偶联剂重量份为0-2重量份时，制得的环保型水性UV的附着力、耐水煮性能和热储存稳定性较好，且当硅烷偶联剂重量份为0.5-1.5重量份时，制得的环保型水性UV的附着力、耐水煮性能和热储存稳定性最好。
试验例3
本试验例考察了表面活性剂的用量对所制得的涂料的性能的影响，在涂料配置过程中加入不同重量份的表面活性剂，其余组分按照实施例1进行配置，表面活性剂的具体用量参照表5。
表5：表面活性剂的用量对涂料性能的影响
表面活性剂用量(重量份) 0 0.1 0.3 0.5 1 1.2
耐沾污性(国标)≤2级 2级 1级 1级 1级 1级 1级
户外暴晒6个月结果，色差(≤4) 3.5 2.2 2.2 2.5 3 3.8
由上述实验结果可知，当表面活性剂以重量份计为0.1-1重量份时，其耐污性能较好，且当表面活性剂以重量份计为0.1-0.3重量份时，其耐污性能最好。
试验例4
本试验例考察了紫外光固化水性聚氨酯分散体(简称UV PUD)与丙烯酸酯乳液的不同配比对所制得的涂料的性能的影响，在涂料配置过程中加入不同配比的UV PUD和丙烯酸酯乳液，其余组分按照实施例1进行配置，UV PUD和丙烯酸酯乳液的配比参照表6。
表6：UV PUD与丙烯酸酯乳液不同配比对涂料性能的影响
Figure BDA0001999354510000092
Figure BDA0001999354510000101
由上述实验结果可知，当紫外光固化水性聚氨酯分散体与丙烯酸酯乳液的比例为4:6～9:1时，其附着力、耐水煮性及耐候性都较好，尤其当紫外光固化水性聚氨酯分散体与丙烯酸酯乳液的比例为4:6～7:3时，其附着力、耐水煮性及耐候性最好。
试验例5
该试验例考察了GB/T 9755-2014《合成树脂乳液外墙涂料》的面漆优等品标准性能与本发明实施例1性能比较。具体性能对比参照表7。
表7：面漆优等品标准与实施例1性能对比
Figure BDA0001999354510000102
Figure BDA0001999354510000111
从上述实验结果可以看出，本实施例1的产品较GB/T 9755-2014《合成树脂乳液外墙涂料》的面漆优等品标准在性能上有了很大的提升。
经试验验证，其他实施例的产品与GB/T 9755-2014《合成树脂乳液外墙涂料》的面漆优等品标准比较的结果与实施例1相同。
试验例6
本试验例考察了光稳定剂的加入对所制得的涂料的性能的影响，具体用量参照表8。
表8：光稳定剂比对涂料性能的影响
光稳定剂加入量(重量份) QUV 1000h，ΔE QUV 2000h，ΔE
/ 2.18 3.32
1 1.11 2.09
2 1.83 2.11
3 2.25 3.40
4 2.43 3.66
4.5 3.53 4.5
由上述实验结果可知，稳定剂添加量在1-4之间人工耐老虎实验色差值变化值较小，耐黄变性能较好，且当添加量在0-2重量份时耐黄变性能最好，同时在此范围内，加入光稳定剂的耐黄变性能较不加耐黄变性能要好。
试验例7
该试验例考察了不同紫外光固化水性聚氨酯分散体(简称UV PUD)添加量和光引发剂添加量对所制得的涂料的性能的影响，在涂料配置过程中加入不同重量份的UV PUD和光引发剂，其余组分按照实施例1进行配置，UV PUD和光引发剂的具体用量参照表9。
表9：UV PUD及光引发剂添加量的影响
Figure BDA0001999354510000112
Figure BDA0001999354510000121
由上述实验结果可知，说明紫外光固化水性聚氨酯分散体添加量在40-90重量份之间，光引发剂加量在0.1-3重量份之间，双键转换率为80％以上，人工耐老化性能较好，且当紫外光固化水性聚氨酯分散体添加量在40-65重量份之间，光引发剂加量在0.3-2重量份之间时，双键转换率为90％以上，耐人工老化性能最好。
试验例8
该试验例考察了实施例1的产品与比较例4双组分聚氨酯涂料在涂布施工工艺上的比较，结果如表10所示。
表10：实施例1与比较例4的涂布工艺效率比较
Figure BDA0001999354510000122
从上述实验结果可以看出，本实施例1的产品较比较例4在涂布施工工艺上的生产时间显著缩短，生产效率得到了很大的提升。
以上所述仅是本发明的较佳实施例而已，并非对本发明作任何形式上的限制，虽然本发明已以较佳实施例揭露如上，然而并非用以限定本发明，任何熟悉本发明的技术人员在不脱离本发明技术方案范围内，当可利用上述提示的技术内容作出些许变动或修饰为等同变化的等效实施例，但凡是未脱离本发明技术方案的内容，依据本发明的技术实质对以上实施例所作的任何简单修改、等同变化与修饰，均仍属于本发明方案的范围内。

Claims (4)

1.一种环保型水性UV涂料，其特征在于，所述的环保型水性UV涂料由如下重量份的原料制备而成：
Figure FDA0003494200500000011
所述环保型水性UV涂料应用于外墙用预制化一体板材。
2.根据权利要求1所述的一种环保型水性UV涂料，其特征在于，所述的环保型水性UV涂料中的表面活性剂包括特殊类型的表面活性剂，所述的特殊类型的表面活性剂为氟碳表面活性剂或有机硅表面活性剂中的一种或多种。
3.根据权利要求1所述的一种环保型水性UV涂料，其特征在于，所述紫外光固化水性聚氨酯分散体与丙烯酸酯乳液的添加比例为4:6～7:3。
4.一种权利要求1-3任意所述环保型水性UV涂料的制备方法，其特征在于，所述的制备方法为：将所述重量份的紫外光固化水性聚氨酯分散体、丙烯酸酯乳液、硅烷偶联剂、表面活性剂、助剂和水混合后充分搅拌，再加入所述重量份的光引发剂和光稳定剂充分搅拌，即得。
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