CN112480299A - 一种高磁性抗菌纳米氧化铁丙烯酸树脂制备方法及应用 - Google Patents

一种高磁性抗菌纳米氧化铁丙烯酸树脂制备方法及应用 Download PDF

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Abstract

本发明属于环保型树脂汽车涂料技术领域，尤其为一种高磁性抗菌纳米氧化铁丙烯酸树脂制备方法及应用，该制备方法包括以下步骤：步骤S1、制备PDDA处理的FeOOH纳米粒子浆液；步骤S2、制备高度分散的FeOOH纳米粒子浆液；步骤S3、将经S2步骤制备的高速分散的FeOOH纳米粒子浆液进行喷雾包埋，干燥，制备双层核壳包埋的FeOOH纳米粒子；步骤S4、制得丙烯酸树脂体系；步骤S5、制备得到抗菌纳米氧化铁丙烯酸树脂物料；步骤S6、制备高磁性抗菌纳米氧化铁丙烯酸树脂。本发明有效防止氧化铁的团聚，提高了其比表面积，使纳米氧化铁均匀地分布于丙烯酸树脂涂料的表面，有效提高丙烯酸树脂成膜过程中的柔韧性和附着力，提高耐冲击性能，提高其光催化杀菌效能。

Description

一种高磁性抗菌纳米氧化铁丙烯酸树脂制备方法及应用
技术领域
本发明涉及环保型树脂汽车涂料技术领域，具体为一种高磁性抗菌纳米氧化铁丙烯酸树脂制备方法及应用。
背景技术
近年来，随着纳米技术的不断发展，性能稳定的纳米材料的问世，为高性能高分子聚合物的制备开辟了新的途径，其中纳米氧化铁具备高磁性，具有非常好的紫外光空穴-氧化铁吸附复合杀菌效果，一方面能够产生表面效应、体积效应、量子效应和宏观隧道效应等特殊性质，在紫外线或可见光的照射下，纳米氧化铁在水和空气中能自行分解出自由移动的带负电荷的电子，同时留下带正电荷的空穴，这种空穴效应可产生有极强化学活性的活性氧与大多数有机物发生反应达到杀菌目的，另一方面，纳米氧化铁的比表面积效应，可以快速吸附在细菌的细胞膜表面上，阻碍细胞膜正常的物质传送，改变细菌的生理功能，导致细菌死亡。同时利用丙烯酸酯类优异的耐光性及耐候性能和纳米材料的物理和机械性能，环保、无毒，开发出高磁性抗菌纳米氧化铁丙烯酸树脂的环保型汽车涂料，对新型抗菌型汽车表面新材料意义重大。
因此，实有必要提供一种高磁性抗菌纳米氧化铁丙烯酸树脂的制备方法及其应用解决上述技术问题。
发明内容
(一)解决的技术问题
针对现有技术的不足，本发明提供了一种高磁性抗菌纳米氧化铁丙烯酸树脂制备方法及应用，解决了现有的应用于汽车涂料的丙烯酸树脂缺乏抗菌、杀菌功能或功能较弱，以及制备的涂料环保性较差的问题。
(二)技术方案
为实现上述目的，本发明提供如下技术方案：一种高磁性抗菌纳米氧化铁丙烯酸树脂制备方法，该制备方法包括以下步骤：
步骤S1、向反应釜中一次性加入90～95重量份的水、2～3重量份羟基氧化铁，在600～800W超声波条件下分散15～20min，然后加入50重量份的聚二乙烯二甲基丙基氯化铵(PDDA)，继续搅拌3h，得到PDDA处理的FeOOH纳米粒子浆液；
步骤S2、将经S1步骤制备的PDDA处理的FeOOH纳米粒子浆液采用动态超高压微射流技术进行处理，处理压力为160～180MPa，处理次数为3～4次，温度为常温，得到高度分散的FeOOH纳米粒子浆液；
步骤S3、将经S2步骤制备的高速分散的FeOOH纳米粒子浆液进行喷雾包埋，一步喷雾为石墨烯，其质量分数为3％，喷雾流速为20ml/min，高速分散的FeOOH纳米粒子浆液质量分数为2％，喷雾流速为20ml/min；二步喷雾为氨基酸，其质量分数为5％，喷雾流速为20ml/min，同时用热风进行干燥，热风温度为180℃，干燥，制备得到双层核壳包埋的FeOOH纳米粒子；
步骤S4、向反应釜中一次性加入40～50重量份的含羟基的丙烯酸单体、20～30重量份羧基丙烯酸酯、10～20重量份羟基丙烯酸酯、10～20重量份的丙烯酸羟丙酯、VA-044引发剂、0.7重量份TPMS链转移剂混合液，恒温加热至100摄氏度，保持高速分散状态10～20min，制得丙烯酸树脂体系；
步骤S5、将经S3步骤制备的双层核壳包埋的FeOOH纳米粒子3～5重量份添加到95～97重量份的丙烯酸树脂体系(S4步骤制备)中，加入0.3重量份VA-044引发剂、0.7重量份TPMS链转移剂，在温度60～75℃条件下反应60～120min，制备得到抗菌纳米氧化铁丙烯酸树脂物料；
步骤S6、将经S5步骤所得物料在2～3T的强磁场内处理60～120min，且保持温度40～50℃，过滤出料，冷却，即得高磁性抗菌纳米氧化铁丙烯酸树脂。
作为本发明的一种优选技术方案，所述超声波条件可以根据实际需要进行功率和时间的调整，并保持温度为常温。
作为本发明的一种优选技术方案，所述喷雾配料为氨基酸，氨基酸为甘氨酸、丙氨酸、缬氨酸中的任意一种。
作为本发明的一种优选技术方案，所述含羟基的丙烯酸单体的羟化率为3.5％以上。
作为本发明的一种优选技术方案，所述羧基丙烯酸酯为羧基丙烯酸甲酯、羧基丙烯酸乙酯、羧基丙烯酸异冰片酯中的至少一种。
与相关技术相比，本发明根据当前汽车表面水性涂装的环保性和卫生性及现场施工的特殊要求，引入纳米氧化铁，制备出抗菌型环保型汽车用丙烯酸树脂，其中纳米氧化铁具有强磁性，有非常好的紫外光空穴-氧化铁吸附复合杀菌效果，一方面能够产生表面效应、体积效应、量子效应和宏观隧道效应等特殊性质，在紫外线或可见光的照射下，纳米氧化铁在水和空气中能自行分解出自由移动的带负电荷的电子，同时留下带正电荷的空穴，这种空穴效应可产生有极强化学活性的活性氧与大多数有机物发生反应达到杀菌目的，另一方面，纳米氧化铁的比表面积效应，可以快速吸附在细菌的细胞膜表面上，阻碍细胞膜正常的物质传送，改变细菌的生理功能，导致细菌死亡；同时利用丙烯酸酯类优异的耐光性及耐候性能和纳米材料的物理和机械性能，环保、无毒，开发出高磁性抗菌纳米氧化铁丙烯酸树脂的环保型汽车涂料，对新型抗菌型汽车表面新材料意义重大，填补了国内环保型树脂汽车涂料的空白，率先开发出纳米氧化铁粒子抗菌型环保型树脂汽车涂料，具有无毒、不污染环境、安全可靠、实操性强等优点，对汽车行业的健康和环保发展起到积极的推动作用。
本发明还提供了一种高磁性抗菌纳米氧化铁丙烯酸树脂的应用，所述高磁性抗菌纳米氧化铁丙烯酸树脂应用于环保型树脂汽车涂料中，这种应用为高磁性抗菌纳米氧化铁丙烯酸树脂汽车涂料，它包括：
采用高磁性抗菌纳米氧化铁丙烯酸树脂为基体，配加润湿剂、消泡剂、流平剂、去离子水、颜料、功能助溶剂和增稠剂，得到高磁性抗菌纳米氧化铁丙烯酸树脂涂料，其中各组分的添加量(按重量份)如下：高磁性抗菌纳米氧化铁丙烯酸树脂100份，润湿剂(Surfynol104EEvonik)0.5～1.5份，消泡剂(BYK024毕克公司)0.1～0.3份，流平剂(BYK346毕克公司)0.5～2份，增稠剂(BorchiGelPW-25德国Borchers)0.1～0.5份，颜料5～45份。
(三)有益效果
与现有技术相比，本发明提供了一种高磁性抗菌纳米氧化铁丙烯酸树脂制备方法及应用，具备以下有益效果：
1、该高磁性抗菌纳米氧化铁丙烯酸树脂制备方法及应用，基于氨基酸上羧基/氨基的两亲作用和高分散性能，通过二步喷雾阀可以实现纳米氧化铁的双壳包埋，制备纳米氧化铁粒子，防止氧化铁的团聚，提高了其比表面积。
2、该高磁性抗菌纳米氧化铁丙烯酸树脂制备方法及应用，通过将纳米氧化铁粒子引入到丙烯酸树脂，利用石墨烯和氨基酸的高分散性能，使纳米氧化铁均匀地分布于丙烯酸树脂涂料的表面，有效提高丙烯酸树脂成膜过程中的柔韧性和附着力，提高耐冲击性能，提高其光催化杀菌效能。
3、该高磁性抗菌纳米氧化铁丙烯酸树脂制备方法及应用，纳米氧化铁粒子具有较高的磁性，有非常好的紫外光空穴-氧化铁吸附复合杀菌效果，一方面能够产生表面效应、体积效应、量子效应和宏观隧道效应等特殊性质，在紫外线或可见光的照射下，纳米氧化铁粒子在水和空气中能自行分解出自由移动的带负电荷的电子，同时留下带正电荷的空穴，这种空穴效应可产生有极强化学活性的活性氧与大多数有机物发生反应达到杀菌目的，另一方面，纳米氧化铁粒子的比表面积效应，可以快速吸附在细菌的细胞膜表面上，阻碍细胞膜正常的物质传送，改变细菌的生理功能，导致细菌死亡，同时利用丙烯酸酯类优异的耐光性及耐候性能和纳米材料的物理和机械性能，环保、无毒，开发出高磁性抗菌纳米氧化铁丙烯酸树脂的环保型汽车涂料，对新型抗菌型汽车表面新材料意义重大。
4、该高磁性抗菌纳米氧化铁丙烯酸树脂制备方法及应用，在高磁性抗菌纳米氧化铁丙烯酸树脂的制备过程中，使单体溶液与羟基含量高的纳米氧化铁粒子充分分散混合均匀，利用聚合物分子上有效官能基团与氨基酸上羧基的聚合，使纳米氧化铁粒子均匀嵌入聚合物网状结构中，大大降低了纳米氧化铁粒子的团聚程度，提高了树脂的杀菌效能，此类产品的开发不仅填补了国内水性汽车涂料的空白，而且实现了汽车涂料涂装的节能清洁，市场前景广阔。
5、该高磁性抗菌纳米氧化铁丙烯酸树脂制备方法及应用，该环保型丙烯酸树脂汽车涂料产品的由百分之百成膜物质组成，几乎零VOC排放量，其所含挥发性、易燃性、有毒有害有机溶剂的含量极低，属于环境友好型涂料，固化速率快，能耗低，促进了涂料的环保性和卫生性，而且漆膜综合性能优异。
附图说明
图1为本发明高磁性抗菌纳米氧化铁丙烯酸树脂制备方法的流程示意图。
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。
实施例1
请参阅图1，本发明提供以下技术方案：一种高磁性抗菌纳米氧化铁丙烯酸树脂制备方法，该制备方法包括以下步骤：
步骤S1、向反应釜中一次性加入90重量份的水、3重量份羟基氧化铁，在700W超声波条件下分散20min，然后加入50重量份的聚二乙烯二甲基丙基氯化铵(PDDA)，继续搅拌3h，得到PDDA处理的FeOOH纳米粒子浆液；
步骤S2、将经S1步骤制备的PDDA处理的FeOOH纳米粒子浆液采用动态超高压微射流技术进行处理，处理压力为180MPa，处理次数为4次，温度为常温，得到高度分散的FeOOH纳米粒子浆液；
步骤S3、将经S2步骤制备的高速分散的FeOOH纳米粒子浆液进行喷雾包埋，一步喷雾为石墨烯，其质量分数为3％，喷雾流速为20ml/min，高速分散的FeOOH纳米粒子浆液质量分数为2％，喷雾流速为20ml/min；二步喷雾为氨基酸，其质量分数为5％，喷雾流速为20ml/min，同时用热风进行干燥，热风温度为180℃，干燥，制备得到双层核壳包埋的FeOOH纳米粒子；
步骤S4、向反应釜中一次性加入50重量份的含羟基的丙烯酸单体、20重量份羧基丙烯酸酯、10重量份羟基丙烯酸酯、10重量份的丙烯酸羟丙酯、VA-044引发剂、0.7重量份TPMS链转移剂混合液，恒温加热至100摄氏度，保持高速分散状态20min，制得丙烯酸树脂体系；
步骤S5、将经S3步骤制备的双层核壳包埋的FeOOH纳米粒子3重量份添加到96重量份的丙烯酸树脂体系(S4步骤制备)中，加入0.3重量份VA-044引发剂、0.7重量份TPMS链转移剂，在温度70℃条件下反应90min，制备得到抗菌纳米氧化铁丙烯酸树脂物料；
步骤S6、将经S5步骤所得物料在3T的强磁场内处理90min，且保持温度45℃，过滤出料，冷却，即得高磁性抗菌纳米氧化铁丙烯酸树脂。
具体的，所述超声波条件可以根据实际需要进行功率和时间的调整，并保持温度为常温。
具体的，所述喷雾配料为氨基酸，氨基酸为甘氨酸。
具体的，所述含羟基的丙烯酸单体的羟化率为3.5％以上。
具体的，所述羧基丙烯酸酯为羧基丙烯酸甲酯。
由本实施例制备的高磁性抗菌纳米氧化铁丙烯酸树脂性能指标如下表：
Figure BDA0002815981170000071
实施例2
产品的用途应用实施例(以红色为例)高磁性抗菌纳米氧化铁丙烯酸树脂环保型汽车涂料的制备及性能指标。
采用实施例一制得的高磁性抗菌纳米氧化铁丙烯酸树脂为基体，配加润湿剂、消泡剂、流平剂、去离子水、颜料、功能助溶剂和增稠剂，得到高磁性抗菌纳米氧化铁丙烯酸树脂涂料，其中各组分的添加量(按重量份)如下：高磁性抗菌纳米氧化铁丙烯酸树脂100份，润湿剂(Surfynol104EEvonik)1份，消泡剂(BYK024毕克公司)0.2份，流平剂(BYK346毕克公司)1份，增稠剂(BorchiGelPW-25德国Borchers)0.5份，颜料(PR48巴斯夫)10份。
使用涂料领域中常用测试方法对实施例2制得的高性能抗菌型水性汽车涂料进行测试，获得该水性汽车涂料的相关性能结果如下：
Figure BDA0002815981170000072
Figure BDA0002815981170000081
根据表格测试结果可知：该水性汽车涂料产品的VOC含量降低于1.5％，完全符合最严格的环保要求，对环境极其友好，促进了涂料的环保性和卫生性，而且漆膜综合性能优异。
基于氨基酸上羧基/氨基的两亲作用和高分散性能，通过二步喷雾阀可以实现纳米氧化铁的双壳包埋，制备纳米氧化铁粒子，防止氧化铁的团聚，提高了其比表面积。
通过将纳米氧化铁粒子引入到丙烯酸树脂，将利用石墨烯和甘氨酸的高分散性能，使纳米氧化铁均匀地分布于丙烯酸树脂涂料的表面，有效提高丙烯酸树脂成膜过程中的柔韧性和附着力，提高耐冲击性能，提高其光催化杀菌效能。
纳米氧化铁粒子具有较高的磁性，有非常好的紫外光空穴-氧化铁吸附复合杀菌效果，一方面能够产生表面效应、体积效应、量子效应和宏观隧道效应等特殊性质，在紫外线或可见光的照射下，纳米氧化铁粒子在水和空气中能自行分解出自由移动的带负电荷的电子，同时留下带正电荷的空穴，这种空穴效应可产生有极强化学活性的活性氧与大多数有机物发生反应达到杀菌目的，另一方面，纳米氧化铁粒子的比表面积效应，可以快速吸附在细菌的细胞膜表面上，阻碍细胞膜正常的物质传送，改变细菌的生理功能，导致细菌死亡，同时利用丙烯酸酯类优异的耐光性及耐候性能和纳米材料的物理和机械性能，环保、无毒，开发出高磁性抗菌纳米氧化铁丙烯酸树脂的环保型汽车涂料，对新型抗菌型汽车表面新材料意义重大。
在高磁性抗菌纳米氧化铁丙烯酸树脂的制备过程中，使单体溶液与羟基含量高的纳米氧化铁粒子充分分散混合均匀，利用聚合物分子上有效官能基团与氨基酸上羧基的聚合，使纳米氧化铁粒子均匀嵌入聚合物网状结构中，大大降低了纳米氧化铁粒子的团聚程度，提高了树脂的杀菌效能。此类产品的开发不仅填补了国内水性汽车涂料的空白，而且实现了汽车涂料涂装的节能清洁，市场前景广阔。
该环保型丙烯酸树脂汽车涂料产品的由百分之百成膜物质组成，几乎零VOC排放量，其所含挥发性、易燃性、有毒有害有机溶剂的含量极低，属于环境友好型涂料，固化速率快，能耗低，促进了涂料的环保性和卫生性，而且漆膜综合性能优异。
最后应说明的是：以上所述仅为本发明的优选实施例而已，并不用于限制本发明，尽管参照前述实施例对本发明进行了详细的说明，对于本领域的技术人员来说，其依然可以对前述各实施例所记载的技术方案进行修改，或者对其中部分技术特征进行等同替换。凡在本发明的精神和原则之内，所作的任何修改、等同替换、改进等，均应包含在本发明的保护范围之内。

Claims (6)

1.一种高磁性抗菌纳米氧化铁丙烯酸树脂制备方法，其特征在于：该制备方法包括以下步骤：
步骤S1、向反应釜中一次性加入90～95重量份的水、2～3重量份羟基氧化铁，在600～800W超声波条件下分散15～20min，然后加入50重量份的聚二乙烯二甲基丙基氯化铵(PDDA)，继续搅拌3h，得到PDDA处理的FeOOH纳米粒子浆液；
步骤S2、将经S1步骤制备的PDDA处理的FeOOH纳米粒子浆液采用动态超高压微射流技术进行处理，处理压力为160～180MPa，处理次数为3～4次，温度为常温，得到高度分散的FeOOH纳米粒子浆液；
步骤S3、将经S2步骤制备的高速分散的FeOOH纳米粒子浆液进行喷雾包埋，一步喷雾为石墨烯，其质量分数为3％，喷雾流速为20ml/min，高速分散的FeOOH纳米粒子浆液质量分数为2％，喷雾流速为20ml/min；二步喷雾为氨基酸，其质量分数为5％，喷雾流速为20ml/min，同时用热风进行干燥，热风温度为180℃，干燥，制备得到双层核壳包埋的FeOOH纳米粒子；
步骤S4、向反应釜中一次性加入40～50重量份的含羟基的丙烯酸单体、20～30重量份羧基丙烯酸酯、10～20重量份羟基丙烯酸酯、10～20重量份的丙烯酸羟丙酯、VA-044引发剂、0.7重量份TPMS链转移剂混合液，恒温加热至100摄氏度，保持高速分散状态10～20min，制得丙烯酸树脂体系；
步骤S5、将经S3步骤制备的双层核壳包埋的FeOOH纳米粒子3～5重量份添加到95～97重量份的丙烯酸树脂体系(S4步骤制备)中，加入0.3重量份VA-044引发剂、0.7重量份TPMS链转移剂，在温度60～75℃条件下反应60～120min，制备得到抗菌纳米氧化铁丙烯酸树脂物料；
步骤S6、将经S5步骤所得物料在2～3T的强磁场内处理60～120min，且保持温度40～50℃，过滤出料，冷却，即得高磁性抗菌纳米氧化铁丙烯酸树脂。
2.根据权利要求1所述的一种高磁性抗菌纳米氧化铁丙烯酸树脂制备方法，其特征在于：所述超声波条件可以根据实际需要进行功率和时间的调整，并保持温度为常温。
3.根据权利要求1所述的一种高磁性抗菌纳米氧化铁丙烯酸树脂制备方法，其特征在于：所述喷雾配料为氨基酸，氨基酸为甘氨酸、丙氨酸、缬氨酸中的任意一种。
4.根据权利要求1所述的一种高磁性抗菌纳米氧化铁丙烯酸树脂制备方法，其特征在于：所述含羟基的丙烯酸单体的羟化率为3.5％以上。
5.根据权利要求1所述的一种高磁性抗菌纳米氧化铁丙烯酸树脂制备方法，其特征在于：所述羧基丙烯酸酯为羧基丙烯酸甲酯、羧基丙烯酸乙酯、羧基丙烯酸异冰片酯中的至少一种。
6.一种如权力要求1-5任一项所述的高磁性抗菌纳米氧化铁丙烯酸树脂的应用，其特征在于，所述高磁性抗菌纳米氧化铁丙烯酸树脂应用于环保型树脂汽车涂料中。
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