CN113861732A - 一种水性无机硅酸盐树脂及其制备方法 - Google Patents

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Abstract

本发明公开了一种水性无机硅酸盐树脂及其制备方法，属于涂料基料技术领域。其包括：按重量份计，硅酸钾35～50份、硅酸钠30～45份、硅溶液5～12份、纳米级别的硅酸锌3～5份、纳米级别的氧化镁3～5份、水溶性硅氧烷5～7份、稳定助剂0.2～0.5份、稳定助剂0.2～0.5份和水15～20份。本发明的水性无机硅酸盐树脂，在常温下就能固化，耐水性更好，不含VOC，耐腐蚀性优良，在实际应用中适应性优异；比一般的有机树脂而言，更环保、更健康、更安全、更耐候；比纯硅酸盐树脂，成膜更加坚韧、附着力更好，适用范围更广。

Description

一种水性无机硅酸盐树脂及其制备方法
技术领域
本发明涉及涂料基料技术领域，具体涉及一种水性无机硅酸盐树脂及其制备方法。
背景技术
在涂料中，水溶性无机树脂相较于有机高分子树脂，环保性安全性更佳，无论是对使用者还是对环境都更加有益，因此对水性无机树脂的研究也愈加重视。
水性无机树脂主要包括有硅酸钾、硅酸钠、硅酸锂和硅酸铵中的一种或几种，其中，硅酸钾，易溶于水，成膜性好，且价格也低；硅酸钠，易溶于水，成膜性较好，极易制成涂料，价格也低，但其易被碳化；硅酸锂，较难溶于水，不易得到较高的浓度，能耐较高温度，热变性差，价格昂贵；硅酸铵，耐水性良好，成膜性差，高温时容易变色，溶液不稳定，价格高。这些单一或多组分的无机硅酸盐树脂为基料制备涂料时，往往存在易风化、耐水性差和成膜性欠佳的情况，无法满足现在水性涂料对水性无机树脂的高要求。
发明内容
本发明的目的是提供一种水性无机硅酸盐树脂及其制备方法，以解决现有目前水性无机硅酸盐树脂在作为涂料基料时，存在易风化、耐水性差和成膜性欠佳的情况，从而影响涂料的性能的问题。
本发明解决上述技术问题的技术方案如下：
本发明提供了一种水性无机硅酸盐树脂，包括：按重量份计，硅酸钾35～50份、硅酸钠30～45份、硅溶液5～12份、纳米级别的硅酸锌3～5份、纳米级别的氧化镁3～5份、水溶性硅氧烷5～7份、稳定助剂0.2～0.5份、稳定助剂0.2～0.5份和水15～20份。
在本发明中，硅酸锌和氧化镁的粒径为纳米级别。
进一步地，所述的水性无机硅酸盐树脂，按重量份计，硅酸钾40～45份、硅酸钠35～40份、硅溶液7～10份、纳米级别的硅酸锌3.5～4.5份、纳米级别的氧化镁3.5～4.5份、水溶性硅氧烷5.5～6.5份、稳定助剂0.3～0.4份和水17～18份。
进一步地，所述的水性无机硅酸盐树脂，按重量份计，硅酸钾42份、硅酸钠37份、硅溶液8.5份、纳米级别的硅酸锌4份、纳米级别的氧化镁4份、水溶性硅氧烷6份、稳定助剂0.35份和水17.5份。
进一步地，所述硅酸钾的模数为3.5～4.5；所述硅酸钠的模数为2.5～3.5；所述硅溶胶中二氧化硅含量为20～22wt％。
进一步地，所述水溶性硅氧烷包括：甲基三甲氧基硅烷、γ-氨丙基三乙氧基硅烷、乙烯基三甲氧基硅烷、二甲基二甲氧基硅烷、甲基三乙氧基硅烷、乙烯基三乙氧基硅烷中的一种或多种。
进一步地，所述稳定助剂包括：全氟辛基磺酸四乙基胺、全氟丁基磺酸钾和十六烷基三甲基溴化铵，其质量比为1：(2～3)：(2～5)。
本申请还提供一种水性无机硅酸盐树脂的制备方法，包括以下步骤：
(1)将硅酸锌和氧化镁喷水润湿后加入部分水溶性硅氧烷，混合均匀后烘干，得到改性后的硅酸锌和氧化镁；
(2)将硅酸钾、硅酸钠、硅溶胶与水搅拌混合均匀后，在搅拌状态下滴加剩余水溶性硅氧烷，反应2.5～4h，静置反应25～40h，得到反应液；
(3)在搅拌状态下，向反应液中加入稳定助剂、改性后的硅酸锌和氧化镁，搅拌反应1～1.5h，得到水性无机硅酸盐树脂。
进一步地，步骤(1)中硅酸锌和氧化镁的总质量与加入的水溶性硅氧烷的质量比为1：(0.01～0.02)。
进一步地，步骤(2)中搅拌的转速为450～550r/min。
进一步地，步骤(3)中搅拌的转速为200～350r/min。
本发明具有以下有益效果：
1、本发明的水性无机硅酸盐树脂，在常温下就能固化，耐水性更好，不含VOC，耐腐蚀性优良，在实际应用中适应性优异；比一般的有机树脂而言，更环保、更健康、更安全、更耐候；比纯硅酸盐树脂，成膜更加坚韧、附着力更好，适用范围更广。
2、本发明通过硅酸钾和硅酸钠以及硅溶液的相互协调作用，有助于提高无机树脂的稳定性。硅酸钾和硅酸钠为水溶性硅酸盐，硅酸钾的粘结性和成膜性优于硅酸钠。硅溶胶亦称硅酸溶胶，硅溶胶中的SiO2含有大量的水及羟基，SiO2通常以胶团形态均匀分散，具有较大的比表面积、高分散性、高吸附性和高耐火绝热性。硅溶胶粒子内部结构为硅氧烷键(-Si-O-Si-)，表面层由许多硅烃基(-SiOH)和烃基(-OH)覆盖，可以与无机树脂中存在的碱金属离子一起形成扩散双电层，粒子间的静电排斥作用提高无机树脂的稳定性。
3、本发明通过加入纳米级别的硅酸锌和氧化镁作为无机添加剂，有助于提高水溶性无机树脂的抗腐蚀性。
4、本申请通过加入水溶性硅氧烷对水溶性无机树脂进行改性，水溶性硅氧烷的分子中含有两种不同的活性基团—氨基和氧基，可以与水溶性无机树脂中的水玻璃以及无机物料发生偶联，既能提高无机树脂的储存稳定性，又能提高无机树脂的成膜性、耐水性和附着力。
5、本发明通过加入的稳定助剂为表面活性剂，进一步提高水溶性无机树脂的整体稳定性。
6、在本申请中，通过控制加入硅酸钾和硅酸钠的模数以及硅溶胶中二氧化硅的含量，优化无机树脂的整体性能，使其具有更优的成膜性、耐温性和耐水性。
7、在本申请的制备方法中，硅酸锌和氧化镁先是用水溶性硅氧烷进行改性处理，其表面均匀包裹一层厚薄适中的水溶性硅氧烷，对其改性使其有机功能化，能改善和提高反应液对改性后的硅酸锌和氧化镁的浸润能力，有利于提高硅酸锌和氧化镁分散性以及与其他物料的结合力，进而提升了水性无机树脂整体的稳定性。
具体实施方式
以下结合实施例对本发明的原理和特征进行描述，所举实例只用于解释本发明，并非用于限定本发明的范围。实施例中未注明具体条件者，按照常规条件或制造商建议的条件进行。所用试剂或仪器未注明生产厂商者，均为可以通过市售购买获得的常规产品。
实施例1：
本实施例的水性无机硅酸盐树脂，包括：按重量份计，硅酸钾35份、硅酸钠30份、硅溶液5份、纳米级别的硅酸锌3份、纳米级别的氧化镁3份、水溶性硅氧烷5份、稳定助剂0.2份和水15份。
所述硅酸钾的模数为3.5；所述硅酸钠的模数为2.5；所述硅溶胶中二氧化硅含量为20wt％。
所述水溶性硅氧烷包括：等比例的甲基三甲氧基硅烷、γ-氨丙基三乙氧基硅烷、乙烯基三甲氧基硅烷、二甲基二甲氧基硅烷、甲基三乙氧基硅烷、和乙烯基三乙氧基硅烷中的。
所述稳定助剂包括：全氟辛基磺酸四乙基胺、全氟丁基磺酸钾和十六烷基三甲基溴化铵，其质量比为1：2：2。
本实施例的水性无机硅酸盐树脂的制备方法，包括以下步骤：
(1)将硅酸锌和氧化镁喷水润湿后加入部分水溶性硅氧烷，混合均匀后烘干，得到改性后的硅酸锌和氧化镁；硅酸锌和氧化镁的总质量与加入的水溶性硅氧烷的质量比为1：0.01；
(2)将硅酸钾、硅酸钠、硅溶胶与水搅拌混合均匀后，在转速为450r/min的搅拌状态下滴加剩余水溶性硅氧烷，反应2.5h，静置反应25h，得到反应液；
(3)在转速为200r/min的搅拌状态下，向反应液中加入稳定助剂、改性后的硅酸锌和氧化镁，搅拌反应1h，得到水性无机硅酸盐树脂。
实施例2：
本实施例的水性无机硅酸盐树脂，包括：按重量份计，硅酸钾40份、硅酸钠35份、硅溶液7份、纳米级别的硅酸锌3.5份、纳米级别的氧化镁3.5份、水溶性硅氧烷5.5份、稳定助剂0.3份和水17份。
所述硅酸钾的模数为3.7；所述硅酸钠的模数为2.7；所述硅溶胶中二氧化硅含量为20.5wt％。
所述水溶性硅氧烷包括：等比例的甲基三甲氧基硅烷、γ-氨丙基三乙氧基硅烷和乙烯基三甲氧基硅烷。
所述稳定助剂包括：全氟辛基磺酸四乙基胺、全氟丁基磺酸钾和十六烷基三甲基溴化铵，其质量比为1：2.3：3。
本实施例的水性无机硅酸盐树脂的制备方法，包括以下步骤：
(1)将硅酸锌和氧化镁喷水润湿后加入部分水溶性硅氧烷，混合均匀后烘干，得到改性后的硅酸锌和氧化镁；硅酸锌和氧化镁的总质量与加入的水溶性硅氧烷的质量比为1：0.015～0.02；
(2)将硅酸钾、硅酸钠、硅溶胶与水搅拌混合均匀后，在转速为500r/min的搅拌状态下滴加剩余水溶性硅氧烷，反应3.5h，静置反应32h，得到反应液；
(3)在转速为270r/min的搅拌状态下，向反应液中加入稳定助剂、改性后的硅酸锌和氧化镁，搅拌反应1.2h，得到水性无机硅酸盐树脂。
实施例3：
本实施例的水性无机硅酸盐树脂，包括：按重量份计，硅酸钾42份、硅酸钠37份、硅溶液8.5份、纳米级别的硅酸锌4份、纳米级别的氧化镁4份、水溶性硅氧烷6份、稳定助剂0.35份和水17.5份。
所述硅酸钾的模数为4；所述硅酸钠的模数为3；所述硅溶胶中二氧化硅含量为21wt％。
所述水溶性硅氧烷包括：γ-氨丙基三乙氧基硅烷。
所述稳定助剂包括：全氟辛基磺酸四乙基胺、全氟丁基磺酸钾和十六烷基三甲基溴化铵，其质量比为1：2.5：3.5。
本实施例的水性无机硅酸盐树脂的制备方法，包括以下步骤：
(1)将硅酸锌和氧化镁喷水润湿后加入部分水溶性硅氧烷，混合均匀后烘干，得到改性后的硅酸锌和氧化镁；硅酸锌和氧化镁的总质量与加入的水溶性硅氧烷的质量比为1：0.015～0.02；
(2)将硅酸钾、硅酸钠、硅溶胶与水搅拌混合均匀后，在转速为500r/min的搅拌状态下滴加剩余水溶性硅氧烷，反应3.5h，静置反应32h，得到反应液；
(3)在转速为270r/min的搅拌状态下，向反应液中加入稳定助剂、改性后的硅酸锌和氧化镁，搅拌反应1.2h，得到水性无机硅酸盐树脂。
实施例4：
本实施例的水性无机硅酸盐树脂，包括：按重量份计，硅酸钾45份、硅酸钠40份、硅溶液10份、纳米级别的硅酸锌4.5份、纳米级别的氧化镁4.5份、水溶性硅氧烷6.5份、稳定助剂0.4份和水18份。
所述硅酸钾的模数为4.2；所述硅酸钠的模数为3.2；所述硅溶胶中二氧化硅含量为21.5wt％。
所述水溶性硅氧烷包括：等比例的甲基三甲氧基硅烷和γ-氨丙基三乙氧基硅烷。
所述稳定助剂包括：全氟辛基磺酸四乙基胺、全氟丁基磺酸钾和十六烷基三甲基溴化铵，其质量比为1：2.8：4。
本实施例的水性无机硅酸盐树脂的制备方法，包括以下步骤：
(1)将硅酸锌和氧化镁喷水润湿后加入部分水溶性硅氧烷，混合均匀后烘干，得到改性后的硅酸锌和氧化镁；硅酸锌和氧化镁的总质量与加入的水溶性硅氧烷的质量比为1：0.015～0.02；
(2)将硅酸钾、硅酸钠、硅溶胶与水搅拌混合均匀后，在转速为500r/min的搅拌状态下滴加剩余水溶性硅氧烷，反应3.5h，静置反应32h，得到反应液；
(3)在转速为270r/min的搅拌状态下，向反应液中加入稳定助剂、改性后的硅酸锌和氧化镁，搅拌反应1.2h，得到水性无机硅酸盐树脂。
实施例5：
本实施例的水性无机硅酸盐树脂，包括：按重量份计，硅酸钾50份、硅酸钠45份、硅溶液5～12份、纳米级别的硅酸锌5份、纳米级别的氧化镁5份、水溶性硅氧烷7份、稳定助剂0.5份和水20份。
所述硅酸钾的模数为4.5；所述硅酸钠的模数为3.5；所述硅溶胶中二氧化硅含量为22wt％。
所述水溶性硅氧烷包括：等比例的乙烯基三甲氧基硅烷、二甲基二甲氧基硅烷、甲基三乙氧基硅烷和乙烯基三乙氧基硅烷。
所述稳定助剂包括：全氟辛基磺酸四乙基胺、全氟丁基磺酸钾和十六烷基三甲基溴化铵，其质量比为1：3：5。
本实施例的水性无机硅酸盐树脂的制备方法，包括以下步骤：
(1)将硅酸锌和氧化镁喷水润湿后加入部分水溶性硅氧烷，混合均匀后烘干，得到改性后的硅酸锌和氧化镁；硅酸锌和氧化镁的总质量与加入的水溶性硅氧烷的质量比为1：0.02；
(2)将硅酸钾、硅酸钠、硅溶胶与水搅拌混合均匀后，在转速为550r/min的搅拌状态下滴加剩余水溶性硅氧烷，反应4h，静置反应40h，得到反应液；
(3)在转速为350r/min的搅拌状态下，向反应液中加入稳定助剂、改性后的硅酸锌和氧化镁，搅拌反应1.5h，得到水性无机硅酸盐树脂。
对照例1
本对照例的水性无机硅酸盐树脂的制备方法与实施例3一致，区别在于配方不同，未加入硅溶液。
对照例2
本对照例的水性无机硅酸盐树脂的制备方法与实施例3一致，区别在于配方不同，未加入硅酸钠。
对照例3
本对照例的水性无机硅酸盐树脂的制备方法与实施例3一致，区别在于配方不同，未加入水溶性硅氧烷。
对实施例3、对照例1-3的水性无机硅酸盐树脂制成喷涂样板，对其基本性能进行测试；并在温度(23±2)℃，相对湿度为(50±5)％条件下，对喷涂样板按照GB/T 9286 1998进行划格法附着力测试，其结果如下：
Figure BDA0003304540370000081
通过数据分析可以看出，本发明的水性无机硅酸盐树脂具有更好的附着力和储存稳定性。
以上所述仅为本发明的较佳实施例，并不用以限制本发明，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 (10)

1.一种水性无机硅酸盐树脂，其特征在于，包括：按重量份计，硅酸钾35～50份、硅酸钠30～45份、硅溶液5～12份、纳米级别的硅酸锌3～5份、纳米级别的氧化镁3～5份、水溶性硅氧烷5～7份、稳定助剂0.2～0.5份和水15～20份。
2.根据权利要求1所述的水性无机硅酸盐树脂，其特征在于，包括：按重量份计，硅酸钾40～45份、硅酸钠35～40份、硅溶液7～10份、纳米级别的硅酸锌3.5～4.5份、纳米级别的氧化镁3.5～4.5份、水溶性硅氧烷5.5～6.5份、稳定助剂0.3～0.4份和水17～18份。
3.根据权利要求2所述的水性无机硅酸盐树脂，其特征在于，包括：按重量份计，硅酸钾42份、硅酸钠37份、硅溶液8.5份、纳米级别的硅酸锌4份、纳米级别的氧化镁4份、水溶性硅氧烷6份、稳定助剂0.35份和水17.5份。
4.根据权利要求1-3任一项所述的水性无机硅酸盐树脂，其特征在于，所述硅酸钾的模数为3.5～4.5；所述硅酸钠的模数为2.5～3.5；所述硅溶胶中二氧化硅含量为20～22wt％。
5.根据权利要求4所述的水性无机硅酸盐树脂，其特征在于，所述水溶性硅氧烷包括：甲基三甲氧基硅烷、γ-氨丙基三乙氧基硅烷、乙烯基三甲氧基硅烷、二甲基二甲氧基硅烷、甲基三乙氧基硅烷和乙烯基三乙氧基硅烷中的一种或多种。
6.根据权利要求4所述的水性无机硅酸盐树脂，其特征在于，所述稳定助剂包括：全氟辛基磺酸四乙基胺、全氟丁基磺酸钾和十六烷基三甲基溴化铵，其质量比为1：(2～3)：(2～5)。
7.权利要求1-6任一项所述的水性无机硅酸盐树脂的制备方法，其特征在于，包括以下步骤：
(1)将硅酸锌和氧化镁喷水润湿后加入部分水溶性硅氧烷，混合均匀后烘干，得到改性后的硅酸锌和氧化镁；
(2)将硅酸钾、硅酸钠、硅溶胶与水搅拌混合均匀后，在搅拌状态下滴加剩余水溶性硅氧烷，反应2.5～4h，静置反应25～40h，得到反应液；
(3)在搅拌状态下，向反应液中加入稳定助剂、改性后的硅酸锌和氧化镁，搅拌反应1～1.5h，得到水性无机硅酸盐树脂。
8.根据权利要求7所述的水性无机硅酸盐树脂的制备方法，其特征在于，步骤(1)中硅酸锌和氧化镁的总质量与加入的水溶性硅氧烷的质量比为1：(0.01～0.02)。
9.根据权利要求7所述的水性无机硅酸盐树脂的制备方法，其特征在于，步骤(2)中搅拌的转速为450～550r/min。
10.根据权利要求7所述的水性无机硅酸盐树脂的制备方法，其特征在于，步骤(3)中搅拌的转速为200～350r/min。
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