CN113248993B - 一种基于改性硫酸钙晶须的水性环保涂料及其制备方法 - Google Patents

一种基于改性硫酸钙晶须的水性环保涂料及其制备方法 Download PDF

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Abstract

本发明公开了一种基于改性硫酸钙晶须的水性环保涂料，包括改性硫酸钙晶须和水性丙烯酸涂料，二者质量比为1:10‑20；所述改性硫酸钙晶须是首先以磷石膏为原料采用常压酸化法制备，然后采用二氧化钛纳米丝杂化制得；所述水性丙烯酸涂料包括丙烯酸类单体、乳化剂、引发剂、消泡剂和去离子水。本发明还公开了该水性环保涂料的制备方法。本发明制得的涂料稳定性好，性能优异，且制备成本高。

Description

一种基于改性硫酸钙晶须的水性环保涂料及其制备方法
技术领域
本发明涉及涂料技术领域，具体涉及一种基于改性硫酸钙晶须的水性环保涂料及其制备方法。
背景技术
近年来，环境问题日益严峻，各国政府对涂料中的挥发性有机化合物提出了更高要求，促使开发零VOC或低VOC的高质量涂料成为涂料领域关注的重点。研究者们从理论和技术角度进行了尝试，开发了环境友好且易于用水稀释的水性涂料体系，与溶剂型涂料相比，在降低成本的同时，其性能也可与溶剂型涂料相媲美。水性丙烯酸树脂涂料因在抗腐蚀、隔热、抗老化等方面的优良性能而备受青睐，但仍存在一些缺陷，如：单组分丙烯酸树脂涂料的硬度、耐醇、耐水性能较差，成膜时间长，固化不彻底，漆膜发白和表面缺陷等。为了改善水性丙烯酸树脂涂料的性能，研究者们对其进行了改性处理，方法有纳米材料改性水性丙烯酸树脂，有机氟/硅改性水性丙烯酸树脂，聚氨酯和环氧树脂改性水性丙烯酸树脂等。
硫酸钙晶须作为特殊的晶体材料，晶体完整缺陷少，具有高强度、高模量及电、光、磁等其它优异性能。硫酸钙晶须物化性能优异，补强填充效果好，性价比高，集增强纤维与超细无机填料二者优势于一体，备受国内科研工作者的关注。在改性时硫酸钙晶须在基体中的分散性较差，常常需要对其表面进行改性，才能提高硫酸钙晶须与基体之间的结合力，最终实现高强的补强效果。
发明内容
本发明所要解决的技术问题是：针对现有技术存在的不足，提供一种基于改性硫酸钙晶须的水性环保涂料及其制备方法，本发明采用磷石膏为原料制备硫酸钙晶须，将硫酸钙晶须分散后进行冷冻处理。真空冷冻干燥处理，制得气凝胶，之后采用溶剂蒸汽处理，稳定气凝胶结构，然后加入钛源和去离子水，钛源水解后在硫酸钙晶须表面形成钛纳米丝，从而制得性能优异的改性硫酸钙晶须，最后将其与水性丙烯酸涂料混合，得到性能优异的涂料。
为解决上述技术问题，本发明的技术方案是：
一种基于改性硫酸钙晶须的水性环保涂料，包括改性硫酸钙晶须和水性丙烯酸涂料，二者质量比为1:10-20；所述改性硫酸钙晶须是首先以磷石膏为原料采用常压酸化法制备，然后采用二氧化钛纳米丝杂化制得；所述水性丙烯酸涂料包括丙烯酸类单体、乳化剂、引发剂、消泡剂和去离子水。
作为上述技术方案的优选，水性丙烯酸涂料以重量份计，包括30-40份丙烯酸类单体、0.1-0.3份乳化剂、0.05-0.1份引发剂、0.1-0.2份消泡剂和60-70份去离子水。
作为上述技术方案的优选，所述丙烯酸类单体为丙烯酸、甲基丙烯酸甲酯、丙烯酸乙酯中的一种或多种混合。
作为上述技术方案的优选，所述乳化剂为十二烷基苯磺酸钠、十二烷基硫酸钠、吐温80、span80中的一种或多种混合。
作为上述技术方案的优选，所述引发剂为过硫酸钾。
作为上述技术方案的优选，所述消泡剂为有机硅消泡剂。
为更好的解决上述技术问题，本发明采用以下技术方案：
一种基于改性硫酸钙晶须的水性环保涂料的制备方法，包括以下步骤：
(1)将磷石膏研磨除杂，然后加入5mol/L盐酸溶液，升温至90℃，3000rpm下搅拌处理3-5h，趁热过滤，过滤后的固体洗涤至中性后干燥制得硫酸钙晶须；
(2)将硫酸钙晶须分散于去离子水中，制得的分散液加入到圆柱状模具中进行冷冻处理，然后进行冷冻干燥处理，最后进行溶剂蒸汽处理，制得硫酸钙晶须气凝胶；
(3)将上述制得的硫酸钙晶须气凝胶置于无水乙醇中，加入钛酸四丁酯和去离子水，室温下静置处理10-20h，然后进行冷冻干燥，之后研磨制得改性硫酸钙晶须；
(4)将丙烯酸类单体、乳化剂和去离子水混合搅拌均匀，然后加入引发剂，升温至60-80℃，反应3-5h，反应结束后冷却至室温，加入消泡剂和改性硫酸钙晶须，搅拌混合均匀制得水性环保涂料。
作为上述技术方案的优选，步骤(2)、步骤(3)中，所述冷冻处理的温度为-20℃，冷冻处理的时间为10-20h；所述冷冻干燥的压力为5Pa，冷冻干燥的时间为24h。
作为上述技术方案的优选，步骤(2)中，所述溶剂蒸汽处理时采用的溶剂为DMF溶剂，处理温度为60℃，处理时间为1-2h。
作为上述技术方案的优选，步骤(3)中，所述钛酸四丁酯、去离子水、硫酸钙晶须气凝胶的用量比为1.2-1.5ml：0.15ml：3-5g。
由于采用了上述技术方案，本发明的有益效果是：
本发明以磷石膏为原料制备硫酸钙晶须，成本低，解决了磷石膏污染环境的问题。为了提高硫酸钙晶须与基体的相容性，本发明将制得的硫酸钙晶须分散于去离子水中，依次进行冷冻、真空冷冻干燥处理，冷冻时，去离子水结晶形成晶体，硫酸钙晶须夹杂在晶体之间，在真空冷冻干燥时，溶剂升华，形成多孔的硫酸钙晶须框架，经溶剂蒸汽处理后，多孔的硫酸钙晶须框架得到稳定化处理，之后分散，并加入钛酸四丁酯和去离子水，钛酸四丁酯连续水解并在硫酸钙晶须表面生产，形成钛纳米丝，钛纳米丝在相邻硫酸钙晶须之间架桥从而形成稳定的纳米网，本发明制得的改性硫酸钙晶须不仅具有良好的力学性能，且与水性丙烯酸涂料基体相容性好，可很好的改善涂料的性能。
具体实施方式
下面结合实施例进一步阐述本发明。应理解，这些实施例仅用于说明本发明而不用于限制本发明的范围。
实施例1
将10g磷石膏研磨除杂，然后加入100ml 5mol/L盐酸溶液，升温至90℃，3000rpm下搅拌处理3h，趁热过滤，过滤后的固体洗涤至中性后干燥制得硫酸钙晶须；
将1g硫酸钙晶须分散于50ml去离子水中，制得的分散液加入到圆柱状模具中-20℃下进行冷冻处理10h，然后在5Pa、-20℃下进行真空冷冻干燥处理24h，最后采用DMF溶剂对气凝胶在60℃下进行溶剂蒸汽处理1h，制得硫酸钙晶须气凝胶；
将3g上述制得的硫酸钙晶须气凝胶置于50ml无水乙醇中，加入1.2ml钛酸四丁酯和0.15ml去离子水，室温下静置处理10-20h，然后进行5Pa、-20℃下冷冻干燥24h，之后研磨制得改性硫酸钙晶须；
以重量份计，将30份丙烯酸、0.1份十二烷基苯磺酸钠和60份去离子水混合搅拌均匀，然后加入0.05份过硫酸钾，升温至60℃，反应3h，反应结束后冷却至室温，加入0.1份有机硅消泡剂和9.5份改性硫酸钙晶须，搅拌混合均匀制得水性环保涂料。
实施例2
将10g磷石膏研磨除杂，然后加入100ml 5mol/L盐酸溶液，升温至90℃，3000rpm下搅拌处理5h，趁热过滤，过滤后的固体洗涤至中性后干燥制得硫酸钙晶须；
将1g硫酸钙晶须分散于50ml去离子水中，制得的分散液加入到圆柱状模具中-20℃下进行冷冻处理20h，然后在5Pa、-20℃下进行真空冷冻干燥处理24h，最后采用DMF溶剂对气凝胶在60℃下进行溶剂蒸汽处理1-2h，制得硫酸钙晶须气凝胶；
将5g上述制得的硫酸钙晶须气凝胶置于50ml无水乙醇中，加入1.5ml钛酸四丁酯和0.15ml去离子水，室温下静置处理20h，然后进行5Pa、-20℃下冷冻干燥24h，之后研磨制得改性硫酸钙晶须；
以重量份计，将40份丙烯酸、0.3份十二烷基苯磺酸钠和70份去离子水混合搅拌均匀，然后加入0.1份过硫酸钾，升温至80℃，反应5h，反应结束后冷却至室温，加入0.2份有机硅消泡剂和9.5份改性硫酸钙晶须，搅拌混合均匀制得水性环保涂料。
实施例3
将10g磷石膏研磨除杂，然后加入100ml 5mol/L盐酸溶液，升温至90℃，3000rpm下搅拌处理4h，趁热过滤，过滤后的固体洗涤至中性后干燥制得硫酸钙晶须；
将1g硫酸钙晶须分散于50ml去离子水中，制得的分散液加入到圆柱状模具中-20℃下进行冷冻处理15h，然后在5Pa、-20℃下进行真空冷冻干燥处理24h，最后采用DMF溶剂对气凝胶在60℃下进行溶剂蒸汽处理1-2h，制得硫酸钙晶须气凝胶；
将3.5g上述制得的硫酸钙晶须气凝胶置于50ml无水乙醇中，加入1.2ml钛酸四丁酯和0.15ml去离子水，室温下静置处理10h，然后进行5Pa、-20℃下冷冻干燥24h，之后研磨制得改性硫酸钙晶须；
以重量份计，将32份丙烯酸、0.15份十二烷基苯磺酸钠和60份去离子水混合搅拌均匀，然后加入0.05份过硫酸钾，升温至60℃，反应3h，反应结束后冷却至室温，加入0.1份有机硅消泡剂和9.5份改性硫酸钙晶须，搅拌混合均匀制得水性环保涂料。
实施例4
将10g磷石膏研磨除杂，然后加入100ml 5mol/L盐酸溶液，升温至90℃，3000rpm下搅拌处理4h，趁热过滤，过滤后的固体洗涤至中性后干燥制得硫酸钙晶须；
将1g硫酸钙晶须分散于50ml去离子水中，制得的分散液加入到圆柱状模具中-20℃下进行冷冻处理15h，然后在5Pa、-20℃下进行真空冷冻干燥处理24h，最后采用DMF溶剂对气凝胶在60℃下进行溶剂蒸汽处理1.5h，制得硫酸钙晶须气凝胶；
将4g上述制得的硫酸钙晶须气凝胶置于50ml无水乙醇中，加入1.5ml钛酸四丁酯和0.15ml去离子水，室温下静置处理20h，然后进行5Pa、-20℃下冷冻干燥24h，之后研磨制得改性硫酸钙晶须；
以重量份计，将35份丙烯酸、0.2份十二烷基苯磺酸钠和70份去离子水混合搅拌均匀，然后加入0.1份过硫酸钾，升温至80℃，反应5h，反应结束后冷却至室温，加入0.2份有机硅消泡剂和9.5份改性硫酸钙晶须，搅拌混合均匀制得水性环保涂料。
实施例5
将10g磷石膏研磨除杂，然后加入100ml 5mol/L盐酸溶液，升温至90℃，3000rpm下搅拌处理4h，趁热过滤，过滤后的固体洗涤至中性后干燥制得硫酸钙晶须；
将1g硫酸钙晶须分散于50ml去离子水中，制得的分散液加入到圆柱状模具中-20℃下进行冷冻处理20h，然后在5Pa、-20℃下进行真空冷冻干燥处理24h，最后采用DMF溶剂对气凝胶在60℃下进行溶剂蒸汽处理2h，制得硫酸钙晶须气凝胶；
将4g上述制得的硫酸钙晶须气凝胶置于50ml无水乙醇中，加入1.3ml钛酸四丁酯和：0.15ml去离子水，室温下静置处理15h，然后进行5Pa、-20℃下冷冻干燥24h，之后研磨制得改性硫酸钙晶须；
以重量份计，将35份丙烯酸、0.2份十二烷基苯磺酸钠和60份去离子水混合搅拌均匀，然后加入0.1份过硫酸钾，升温至70℃，反应4h，反应结束后冷却至室温，加入0.1份有机硅消泡剂和9.5份改性硫酸钙晶须，搅拌混合均匀制得水性环保涂料。
实施例6
将10g磷石膏研磨除杂，然后加入100ml 5mol/L盐酸溶液，升温至90℃，3000rpm下搅拌处理5h，趁热过滤，过滤后的固体洗涤至中性后干燥制得硫酸钙晶须；
将1g硫酸钙晶须分散于50ml去离子水中，制得的分散液加入到圆柱状模具中-20℃下进行冷冻处理18h，然后在5Pa、-20℃下进行真空冷冻干燥处理24h，最后采用DMF溶剂对气凝胶在60℃下进行溶剂蒸汽处理2h，制得硫酸钙晶须气凝胶；
将4g上述制得的硫酸钙晶须气凝胶置于50ml无水乙醇中，加入1.3ml钛酸四丁酯和0.15ml去离子水，室温下静置处理15h，然后进行5Pa、-20℃下冷冻干燥24h，之后研磨制得改性硫酸钙晶须；
以重量份计，将35份丙烯酸、0.2份十二烷基苯磺酸钠和70份去离子水混合搅拌均匀，然后加入0.1份过硫酸钾，升温至60℃，反应4h，反应结束后冷却至室温，加入0.1份有机硅消泡剂和9.5份改性硫酸钙晶须，搅拌混合均匀制得水性环保涂料。
下面对上述制得的水性涂料进行性能测试，测试结果如表1所示。
表1
附着力，级 抗冲击力，级 耐腐蚀，级
实施例1 1 9 8
实施例2 1 9 9
实施例3 1 9 9
实施例4 1 9 8
实施例5 1 9 9
实施例6 1 9 9
从上述测试结果可以看出本发明制得的水性涂料性能优异。
此外应理解，在阅读了本发明讲授的内容之后，本领域技术人员可以对本发明作各种改动或修改，这些等价形式同样落于本申请所附权利要求书所限定的范围。

Claims (10)

1.一种基于改性硫酸钙晶须的水性环保涂料，其特征在于：包括改性硫酸钙晶须和水性丙烯酸涂料，二者质量比为1:10-20；所述改性硫酸钙晶须是首先以磷石膏为原料采用常压酸化法制备，然后采用二氧化钛纳米丝杂化制得；所述水性丙烯酸涂料包括丙烯酸类单体、乳化剂、引发剂、消泡剂和去离子水；
所述改性硫酸钙晶须的制备方法为：
（1）将磷石膏研磨除杂，然后加入5mol/L盐酸溶液，升温至90℃，3000rpm下搅拌处理3-5h，趁热过滤，过滤后的固体洗涤至中性后干燥制得硫酸钙晶须；
（2）将硫酸钙晶须分散于去离子水中，制得的分散液加入到圆柱状模具中进行冷冻处理，然后进行冷冻干燥处理，最后进行溶剂蒸汽处理，制得硫酸钙晶须气凝胶；
（3）将上述制得的硫酸钙晶须气凝胶置于无水乙醇中，加入钛酸四丁酯和去离子水，室温下静置处理10-20h，然后进行冷冻干燥，之后研磨制得改性硫酸钙晶须。
2.根据权利要求1所述的一种基于改性硫酸钙晶须的水性环保涂料，其特征在于：水性丙烯酸涂料以重量份计，包括30-40份丙烯酸类单体、0.1-0.3份乳化剂、0.05-0.1份引发剂、0.1-0.2份消泡剂和60-70份去离子水。
3.根据权利要求1所述的一种基于改性硫酸钙晶须的水性环保涂料，其特征在于：所述丙烯酸类单体为丙烯酸、甲基丙烯酸甲酯、丙烯酸乙酯中的一种或多种混合。
4.根据权利要求1所述的一种基于改性硫酸钙晶须的水性环保涂料，其特征在于：所述乳化剂为十二烷基苯磺酸钠、十二烷基硫酸钠、吐温80、span80中的一种或多种混合。
5.根据权利要求1所述的一种基于改性硫酸钙晶须的水性环保涂料，其特征在于：所述引发剂为过硫酸钾。
6.根据权利要求1所述的一种基于改性硫酸钙晶须的水性环保涂料，其特征在于：所述消泡剂为有机硅消泡剂。
7.根据权利要求1至6任一所述的一种基于改性硫酸钙晶须的水性环保涂料的制备方法，其特征在于，包括以下步骤：
将丙烯酸类单体、乳化剂和去离子水混合搅拌均匀，然后加入引发剂，升温至60-80℃，反应3-5h，反应结束后冷却至室温，加入消泡剂和改性硫酸钙晶须，搅拌混合均匀制得水性环保涂料。
8.根据权利要求1所述的一种基于改性硫酸钙晶须的水性环保涂料，其特征在于：步骤（2）、步骤（3）中，所述冷冻处理的温度为-20℃，冷冻处理的时间为10-20h；所述冷冻干燥的压力为5Pa，冷冻干燥的时间为24h。
9.根据权利要求1所述的一种基于改性硫酸钙晶须的水性环保涂料，其特征在于：步骤（2）中，所述溶剂蒸汽处理时采用的溶剂为DMF溶剂，处理温度为60℃，处理时间为1-2h。
10.根据权利要求1所述的一种基于改性硫酸钙晶须的水性环保涂料，其特征在于：步骤（3）中，所述钛酸四丁酯、去离子水、硫酸钙晶须气凝胶的用量比为1.2-1.5ml：0.15ml：3-5g。
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