CN113234373A - 一种水性单组分涂料及其制备方法 - Google Patents

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Abstract

本申请涉及涂料领域，具体公开了一种水性单组分涂料及其制备方法。水性单组分涂料包括以下重量份数原料，改性丙烯酸乳液64‑69份，成膜助剂8‑12份，功能助剂3‑6份，去离子水12‑15份，纳米碳化硅1‑6份，分散剂2‑5份。水性单组分涂料的制备方法为：将功能助剂、去离子水、分散剂和纳米碳化硅搅拌混合；然后加入改性丙烯酸乳液混合均匀；调节PH和黏度获得成品。其具有提高涂层的耐磨性能的优点。

Description

一种水性单组分涂料及其制备方法
技术领域
本申请涉及涂料领域，更具体地说，它涉及一种水性单组分涂料及其制备方法。
背景技术
水性单组分涂料是用水作为溶剂或者分散介质的涂料，将溶剂型树脂溶解在有机溶剂中，然后在乳化剂的作用下依靠强烈的机械搅拌使树脂分散在水中形成乳液，在使用时用水作为稀释剂，与其它助剂混合形成水溶性涂料产品。水性单组分涂料使用水作为分散介质，减少了挥发性有机溶剂的使用，涂装工具后续也可以用水进行清洗，进一步减少了有机溶剂的使用，改善了施工人员的工作环境。
目前，水性单组分涂料主要由树脂乳液、湿润剂、流平剂和水经过搅拌等工艺调配而成，在制备过程中减少了VOC(挥发性有机物)的使用。
针对上述中的相关技术，发明人认为：虽然通过降低VOC的含量可以提高涂料的环保性能，但相应的VOC用量的降低会对涂层的耐磨性能产生一定的影响。
发明内容
为了提高涂层的耐磨性能，本申请提供一种水性单组分涂料及其制备方法。
本申请提供的一种水性单组分涂料采用如下的技术方案：
一种水性单组分涂料，包括以下重量份数原料，改性丙烯酸乳液64-69份，成膜助剂8-12 份，功能助剂3-6份，去离子水12-15份，纳米碳化硅1-6份，分散剂2-5份。
在一个实施方案中，所述纳米碳化硅的用量为3-6份，分散剂的用量为3.5-5份。
在一个实施方案中，所述纳米碳化硅的用量为3份，分散剂的用量为3.5份。
通过采用上述技术方案，纳米碳化硅具有较高的硬度和耐磨性能，可以对涂料进行填充，改善涂层的物理性能；分散剂可以改善纳米碳化硅在改性丙烯酸乳液中分散的分散状态，降低纳米碳化硅由于高表面活性而发生团聚的比例，提高纳米碳化硅分散的均匀度，提高涂层整体的硬度和耐磨性。
在一定的范围内，随着纳米碳化硅用量的增加，涂料的硬度、耐磨性能和抗冲击强度处于上升的趋势，但随着纳米碳化硅用量的进一步提高，涂层的耐磨性能和抗冲击性能降低，当纳米碳化硅用量为3份，分散剂的用量为3.5份时，涂层的硬度为H，10r时的质量损失为9.5mg，抗冲击强度为57.5kg.cm，此时涂层的耐磨性能和抗冲击性能均为最佳；当纳米碳化硅用量为6份，分散剂的用量为5份时，涂层的硬度为2H，10r时的质量损失为 9.7mg，抗冲击强度为55.2kg.cm，原因可能是随着碳化硅添加量的进一步提高，影响的涂层的韧性，涂层的耐磨性能是硬度和韧性共同作用的结果，涂层韧性的降低对涂层的耐磨性能也有一定的影响。
优选的，所述分散剂为聚乙二醇。
通过采用上述技术方案，聚乙二醇为非离子型表面活性剂，具有良好的水溶性和耐酸碱性，因而可以更好的与各种原料进行复配使用；此外，聚乙二醇具有包裹和连接颗粒的作用，因而可以限制纳米碳化硅颗粒由于高表面活性能发生团聚，提高纳米碳化硅颗粒分散的稳定性和均匀度，从而提高涂层的耐磨性能；并且，乙二醇具有排列规整的链结构，能够提高涂层的韧性。
优选的，所述水性单组分涂料还包括硅烷偶联剂，所述硅烷偶联剂为纳米碳化硅用量的0.5％-3％。
在一个实施方案中，所述硅烷偶联剂为纳米碳化硅用量的0.5％-1.5％。
在一个实施方案中，所述硅烷偶联剂为纳米碳化硅用量的1.5％。
通过采用上述技术方案，硅烷偶联剂中的有机官能团与改性丙烯酸乳液具有良好的相容性，硅烷偶联剂中的硅氧烷基与纳米碳化硅中的硅原子具有良好相容性，因而可以使纳米碳化硅能更好的与原料涂层进行结合，同时可以阻止纳米碳化硅之间发生团聚，从而进一步改善纳米碳化硅在涂层中的分布状态，提高涂层的耐磨性能。
随着硅烷偶联剂用量的增加，涂层的耐磨性能处于上升的趋势，当硅烷偶联剂用量为纳米碳化硅用量的0.5％时，涂层的硬度为H，10r时的质量损失为8.6mg，抗冲击强度为57.4kg.cm，当硅烷偶联剂用量为纳米碳化硅用量的1.5％时，涂层的硬度为H，10r时的质量损失为7.7mg，抗冲击强度为57.5kg.cm；当硅烷偶联剂用量为纳米碳化硅用量的3％时，涂层的硬度为H，10r时的质量损失为7.9mg，抗冲击强度为57.7kg.cm，可以看出随着硅烷偶联剂用量的进一步提高，涂层的耐磨性能和抗冲击强度变化不大。
优选的，所述水性单组分涂料还包括偏铝酸钠，所述偏铝酸钠和纳米碳化硅的重量比为0.5～3：1。
通过采用上述技术方案，偏铝酸钠作为一种无机电解质，可以溶于水中并发生电离，离子可以吸附在纳米碳化硅的表面，提高粉体颗粒表面的电势，从而产生静电稳定效应，进一步提高纳米碳化硅颗粒在乳液中分散的稳定性和均匀度，进而提高涂料的性能。
此外，涂料涂抹完成后，涂料的PH趋向中性，偏铝酸钠吸收涂层中的水分以及空气中的二氧化碳，既可以加快涂层中水分的消耗，提高涂料的干燥速率，还可以生成部分氢氧化铝颗粒，氢氧化铝在高温下会发生分解反应，从而提高涂层的耐火性能。
但随着氢氧化铝的生成，对于涂料的耐磨性能和抗冲击性能会产生一定的影响，因此需要控制偏铝酸钠和纳米碳化硅的用量关系，使偏铝酸钠对碳化硅分散性能的影响强于氢氧化铝对于涂层韧性的影响，在一个实施方案中，所述偏铝酸钠和纳米碳化硅的重量为 1.5:1，此时涂层的硬度为H，10r时的质量损失为6.1mg，抗冲击强度为56.7kg.cm，涂层的耐磨性能和抗冲击性能最佳。
优选的，所述功能助剂包括湿润剂、流平剂、水性蜡和增稠剂，按功能助剂的重量份数计，湿润剂：流平剂：水性蜡：增稠剂＝(0.5-1.5):(1-2):(1-2.5):(1.5-2.5)。
通过采用上述技术方案，湿润剂可以改善涂料的表面张力和渗透性，从而使涂料能够更好的湿润地材，提高涂料的附着力；流平剂可以降低涂料的表面张力，提高其流平性和均匀性，使涂料在干燥成膜过程中形成一个平整、光滑、均匀的涂膜，减少刷涂时产生斑点和斑痕的可能性；水性单组分涂料受到成膜机理的限制，存在干燥速度慢的问题，容易发生粘连和回粘，水性蜡可以迁移到涂层表面，减小膜之间的粘合力；增稠剂可以改善涂料的整体稠度，减缓涂料在储存期间发生沉淀和结块。
第一方面，本申请提供一种水性单组分涂料的制备方法，采用如下的技术方案：
一种水性单组分涂料的制备方法，包括以下步骤:
S1.将去离子水、成膜助剂、流平剂、湿润剂和分散剂，按比例投入搅拌筒中搅拌均匀，然后将纳米碳化硅按比例投入搅拌筒中搅拌使纳米碳化硅分散均匀，制成半成品A；
S2.将改性丙烯酸乳液和投入搅拌筒中，搅拌制成半成品B；
S3.将水性蜡按比例投入半成品B中，搅拌获得半成品C；
S4.将PH调节剂加入半成品C中，调节半成品C的PH至8.0-8.5，获得半成品D；
S5.将增稠剂滴入半成品D中搅拌，调节半成品D的黏度至55KU-65KU，获得成品。
通过采用上述技术方案，将各种原料按照一定的顺序和配比进行调配，使涂料达到预计的效果。
优选的，所述PH调节剂为氨水。
通过采用上述技术方案，氨水具有挥发性，涂料涂抹完成后，随着涂抹的干燥过程氨水逐渐挥发。
优选的，在步骤S2中加入改性丙烯酸乳液的同时加入硅烷偶联剂。
通过采用上述技术方案，可以使纳米碳化硅、硅烷偶联剂和改性丙烯酸乳液充分混合并发生反应，提高纳米碳化硅分散的均匀度并提高纳米碳化硅和硅烷偶联剂结合的稳定性。
优选的，在步骤S4中PH调节完成后加入偏铝酸钠。
通过采用上述技术方案，在步骤S4中PH调节完成后半成品D呈碱性，偏铝酸钠水溶液在酸性条件下容易发生水解，因此偏铝酸钠在步骤S4调节完PH后加入，可以最大程度抑制偏铝酸钠的水解，减少氢氧化铝沉淀的产生，从而降低氢氧化铝沉淀对涂层性能产生的影响。
优选的，步骤S3中搅拌时间10min，搅拌速度800r/min。
通过采用上述技术方案，控制搅拌时间可搅拌速率，可以使各原料能够充分混合，提高混合的均匀度。
综上所述，本申请具有以下有益效果：
1、由于本申请采用纳米碳化硅和分散剂对涂料进行填充改性，由于纳米碳化硅具有较高的硬度和耐磨性能，分散剂可以改善纳米碳化硅在改性丙烯酸乳液中分散的分散状态，降低纳米碳化硅由于高表面活性而发生团聚的比例，提高纳米碳化硅分散的均匀度，从而提高了涂层整体的硬度和耐磨性。
2、本申请通过添加硅烷偶联剂，硅烷偶联剂中的有机官能团和硅氧烷基可以提高纳米碳化硅和改性丙烯酸乳液的相容性，因而可以使纳米碳化硅能更好的与原料涂层进行结合，同时可以阻止纳米碳化硅之间发生团聚，进一步提高涂层的耐磨性能
3、本申请通过添加偏铝酸钠，可以进一步提高纳米碳化硅颗粒在乳液中分散的稳定性和均匀度，进而提高涂料的性能。
具体实施方式
以下结合实施例对本申请作进一步详细说明。
实施例中所用相关原材料：
原料 来源
改性丙烯酸乳液 保立佳BLJ-818
湿润剂 德国迪高TEGOWet270
成膜助剂 丙二醇丁醚美国陶氏
流平剂 德国迪高TEGO410
PH调节剂 自制
水性蜡 龙口市易久化工科技有限公司MD2000
增稠剂 美国罗门哈斯TT9354
去离子水 自制
纳米碳化硅 上海肖晃纳米科技有限公司
硅烷偶联剂 南京全希KH-560
分散剂 济南祥丰伟业化工有限公司PEG-400
实施例
实施例1
本申请实施例公开了一种水性单组分涂料，包括以下原料：改性丙烯酸乳液64kg，成膜助剂8kg，功能助剂3kg，去离子水12kg，纳米碳化硅1kg，分散剂2kg。
功能助剂包括湿润剂、流平剂、水性蜡和增稠剂，按功能助剂的重量份数计：湿润剂：流平剂：水性蜡：增稠剂＝1:1:2:1；
纳米碳化硅的平均粒径为50nm-100nm。
本申请实施例还公开了一种水性单组分涂料的制备方法，包括以下步骤：
S1.将去离子水、成膜助剂、流平剂、湿润剂和分散剂，按比例投入搅拌筒中搅拌均匀，然后将纳米碳化硅按比例投入搅拌筒中搅拌使纳米碳化硅分散均匀，制成半成品A；
S2.将改性丙烯酸乳液和投入搅拌筒中，然后将半成品A倒入搅拌筒，使用搅拌机进行搅拌，搅拌时间10min，搅拌速度800r/min，制成半成品B；
S3.将水性蜡按比例投入半成品B中，搅拌10min，搅拌速度800r/min，获得半成品C；
S4.将PH调节剂滴入半成品C中并搅拌，调节半成品C的PH至8.0-8.5，获得半成品D；
S5.将增稠剂滴入半成品D中并使用搅拌机搅拌，调节半成品D的黏度至55KU-65KU，获得成品。
上述搅拌过程中，控制室内温度为20℃-26℃，相对湿度为60％-75％，搅拌过程中搅拌筒的温度低于40℃。
在本实施例中PH调节剂使用1mg/mL的氨水。
实施例2
本实施例与实施例1的区别在于：纳米碳化硅的投入量不同，在本实施例中，纳米碳化硅的投入量为6kg，分散剂的投入量为5kg。
实施例3
本实施例与实施例1的区别在于：纳米碳化硅的投入量不同，在本实施例中，纳米碳化硅的投入量为3kg，分散剂的投入量为3.5kg。
实施例4
本实施例与实施例3的区别在于：水性单组分涂料还包括硅烷偶联剂，硅烷偶联剂的用量为纳米碳化硅用量的2％。
硅烷偶联剂随S2中的改性丙烯酸乳液一起投入搅拌筒并搅拌使其充分溶解。
实施例5
本实施例与实施例4的区别在于：硅烷偶联剂的用量不同，在本实施例中硅烷偶联剂的用量为纳米碳化硅用量的0.5％。
实施例6
本实施例与实施4的区别在于：硅烷偶联剂的用量不同，在本实施例中硅烷偶联剂的用量为纳米碳化硅用量的1.5％。
实施例7
本实施例与实施6的区别在于：水性单组分涂料还包括偏铝酸钠，在本实施例中偏铝酸钠：纳米碳化硅＝0.5:1
在S4中使用酸碱调节剂将半成品C的PH调节至8.0-8.5后，将偏铝酸钠按照一定的比例投入并搅拌使其充分溶解。
实施例8
本实施例与实施7的区别在于：偏铝酸钠的用量不同，在本实施例中偏铝酸钠：纳米碳化硅＝1.5:1。
实施例9
本实施例与实施7的区别在于：偏铝酸钠的用量不同，在本实施例中偏铝酸钠：纳米碳化硅＝3:1。
对比例
对比例1
与实施例1的区别在于原料的组成不同，包括以下原料：改性丙烯酸乳液64kg，成膜助剂 8kg，功能助剂3kg，去离子水12kg。
对比例2
与实施例1的区别在于原料的组成不同，按重量kg数计包括以下原料：改性丙烯酸乳液 64kg，成膜助剂8kg，功能助剂3kg，去离子水12kg，纳米碳化硅1kg。
对比例3
与实施例2的区别在于纳米碳化硅的投入量为8kg。
对比例4
与实施例8的区别在于偏铝酸钠的投入顺序不同，在步骤S1中将偏铝酸钠与分散剂一起投入并搅拌，使其充分溶解。
性能检测试验
根据涂料耐磨性测定采用GB/T1768-2006公开的检验方法对实施例1-9以及对比例1-4所制备的水性单组分涂料的耐磨性能进行检测。配重400g，磨耗转速60r/min，磨耗圈数50r，每10r测量一次质量损耗，取3次测量的平均值。
根据涂料耐冲击性测定GB/T1732-1993《漆膜耐冲击测定法》公开的检验方法对实施例1-9以及对比例1-4所制备的水性单组分涂料的耐冲击性能进行检测。重锤实验中5个试验点中至少4个通过，则结果为通过。
漆膜厚度采用GB/T13452.2-2008《色漆和清漆漆膜厚度的测定》中规定的方法测得
表1为实施例1-9以及对比例1-4水性单组分涂料的性能检测
Figure BDA0003124998350000071
结合实施例1-3和对比例1-2并结合表1可以看出通过添加纳米碳化硅可以影响涂层的硬度和耐磨性能，纳米碳化硅的用量为1份、分散剂的用量为2份时，涂层的硬度为F，10r质量损失为11.5mg，抗冲击强度为54.9kg.cm，当纳米碳化硅的用量提高至3份、分散剂的用量为3.5份时，涂层的硬度为H，10r质量损失为9.5mg，抗冲击强度为57.5kg.cm,可见随着纳米碳化硅用量的提高，涂层的硬度、耐磨性能和抗冲击强度均处于上升的趋势；当纳米碳化硅用量提高至6份、分散剂的用量为5份时，涂层的硬度为2H，10r质量损失为9.7mg，抗冲击强度为55.2kg.cm，可以看出随着纳米碳化硅用量的进一步提高，涂层的硬度提高，但耐磨性能没有进一步提高，抗冲击性能下降，可能是因为纳米碳化硅对涂层的韧性产生影响，使涂层变硬的同时变脆，从而影响的涂层的耐磨性能和抗冲击性能。
当纳米碳化硅的用量为1份，不添加分散剂时，涂层的硬度为F，10r质量损失为12.1mg，抗冲击强度为55kg.cm，可以看出分散剂在一定程度上可以提高涂层的耐磨性能。
通过实施例3-6并结合表1可以看出，通过添加硅烷偶联剂可以影响涂层的耐磨性能，当硅烷偶联剂的用量为纳米碳化硅用量的0.5％时，涂层的硬度为H，10r质量损失为8.6mg，抗冲击强度为57.4kg.cm，当硅烷偶联剂的用量为纳米碳化硅用量的1.5％时，涂层的硬度为 H，10r质量损失为7.7mg，抗冲击强度为57.5kg.cm，可以看出随着硅烷偶联剂添加量的提高，涂层的耐磨性能提高；当硅烷偶联剂的用量为纳米碳化硅用量的3％时，涂层的硬度为 H，10r质量损失为7.9mg，抗冲击强度为57.7kg.cm，可以看出随着硅烷偶联剂添加量的进一步提高，对于涂层的耐磨性能影响不大，原因可能是硅烷偶联剂含量对纳米碳化硅分散性以及与改性丙烯酸乳液的结合度达到了一个临界值。
通过实施例6-9并结合表1可以看出，通过添加偏铝酸钠，可以进一步改善涂层的耐磨性能，当偏铝酸钠与纳米碳化硅的比例为0.5:1时，涂层的硬度为H，10r质量损失为7.0mg，抗冲击强度为57.0kg.cm，当偏铝酸钠与纳米碳化硅的比例为1.5:1时，涂层的硬度为H，10r质量损失为6.1mg，抗冲击强度为56.7kg.cm，可以看出随着偏铝酸钠添加量的提高，涂层的耐磨性能提高；当偏铝酸钠与纳米碳化硅的比例为3:1时，涂层的硬度为H，10r质量损失为6.5mg，抗冲击强度为56.4kg.cm，可以看出随着偏铝酸钠用量的进一步提高，涂层的耐磨性能和抗冲击强度都有一定程度的下降，原因可能是：一方面偏铝酸钠通过静电稳定效应可以提高纳米碳化硅颗粒的稳定性和分散的均匀度，从而提高涂料的耐磨性能，另一方面，涂料涂覆完成后，涂料中PH调节剂氨水挥发，涂料的PH趋向中性，加上空气中的二氧化碳的作用，涂料中的偏铝酸钠和水以及二氧化碳反应会生成一部分氢氧化铝颗粒，从而影响涂料的耐冲击性能，当偏铝酸钠的添加量过多时，氢氧化铝对于涂层韧性的影响强于偏铝酸钠对碳化硅分散性能的影响，导致涂层耐磨性能下降。
通过在涂料中添加一定量的偏铝酸钠，在提升涂层耐磨性能的同时，涂层中析出的部分氢氧化铝在高温下会发生分解反应，从而提高涂层的防火性能。
通过实施例8和对比例4并结合表1可以看出，添加偏铝酸钠的顺序会对涂层的耐磨性和抗冲击性产生影响；在对比例4中，偏铝酸钠随分散剂一起投入，在此过程中整个体系处于偏中性的环境，因而会有一部分氢氧化铝颗粒析出，这些颗粒会对涂层的韧性产生不利的影响，因而对比例4中涂层的耐磨性能和抗冲击性能均低于实施例8。
本具体实施例仅仅是对本申请的解释，其并不是对本申请的限制，本领域技术人员在阅读完本说明书后可以根据需要对本实施例做出没有创造性贡献的修改，但只要在本申请的权利要求范围内都受到专利法的保护。

Claims (10)

1.一种水性单组分涂料，其特征在于：包括以下重量份数原料，改性丙烯酸乳液64-69份，成膜助剂8-12份，功能助剂3-6份，去离子水12-15份，纳米碳化硅1-6份，分散剂2-5份。
2.根据权利要求1所述的一种水性单组分涂料，其特征在于：所述分散剂为聚乙二醇。
3.根据权利要求1所述的一种水性单组分涂料，其特征在于：所述水性单组分涂料还包括硅烷偶联剂，所述硅烷偶联剂为纳米碳化硅用量的0.5%-3%。
4.根据权利要求1或3所述的一种水性单组分涂料，其特征在于：所述水性单组分涂料还包括偏铝酸钠，所述偏铝酸钠和纳米碳化硅的重量比为0.5～3：1。
5.根据权利要求1所述的一种水性单组分涂料，其特征在于：所述功能助剂包括湿润剂、流平剂、水性蜡和增稠剂，按功能助剂的重量份数计，湿润剂：流平剂：水性蜡：增稠剂=(0.5-1.5):(1-2):(1-2.5):(1.5-2.5)。
6.权利要求1-6任一所述的一种水性单组分涂料的制备方法，其特征在于：包括以下步骤:
S1.将去离子水、成膜助剂、流平剂、湿润剂和分散剂，按比例投入搅拌筒中搅拌均匀，然后将纳米碳化硅按比例投入搅拌筒中搅拌使纳米碳化硅分散均匀，制成半成品A；
S2.将改性丙烯酸乳液和投入搅拌筒中，搅拌筒搅拌制成半成品B；
S3.将水性蜡按比例投入半成品B中，搅拌获得半成品C；
S4.将PH调节剂加入半成品C中，调节半成品C的PH至8.0-8.5，获得半成品D；
S5.将增稠剂加入半成品D中搅拌，调节半成品D的黏度至55KU-65KU，获得成品。
7.根据权利要求6所述的一种水性单组分涂料的制备方法，其特征在于：所述PH调节剂为氨水。
8.根据权利要求6所述的一种水性单组分涂料的制备方法，其特征在于：在步骤S1中加入分散剂的同时加入硅烷偶联剂。
9.根据权利要求8所述的一种水性单组分涂料的制备方法，其特征在于：在步骤S4中PH调节完成后加入偏铝酸钠。
10.根据权利要求8所述的一种水性单组分涂料的制备方法，其特征在于：步骤S3中搅拌时间10min，搅拌速度800r/min。
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