CN114836060B - 一种抗开裂无机陶瓷建筑涂料及其制备方法 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种抗开裂无机陶瓷建筑涂料及其制备方法；该涂料组成为：硅溶胶25‑27％，硅烷18‑20％，无机阻聚剂0.5‑1％，氧化石墨烯1‑2％，分散剂0.2‑0.5％，消泡剂0.2‑0.5％，纤维素纳米纤维3‑5％，无机填料13‑15％，颜料15‑18％，增稠剂1‑2％，25％甲酸1‑2％，去离子水余量。本发明通过硅烷复配防止涂层开裂；利用石墨烯的层状结构和较大的拉伸模量和拉伸强度，通过化学反应将石墨烯连接到分子链上，保证了增韧作用的持久性；添加纤维素纳米纤维，利用其线状纤维在涂层中形成多纤维取向结构，有效改善了涂的韧性，还可起到分散应力，阻止裂纹在基体中传播和扩散的作用。

Description

一种抗开裂无机陶瓷建筑涂料及其制备方法

技术领域

本发明属于涂料技术领域，涉及建筑涂料，尤其涉及一种抗开裂无机陶瓷建筑涂料及其制备方法。

背景技术

目前市面上的内墙装饰涂料仍是以各类乳胶漆为主导，起着对建筑室内墙面装饰美化和保护的功能。建筑乳胶漆由于其原材料的本质局限性，石油制品无法避免化学单体残留产生气味、材料易燃的缺陷，加之水性乳胶制品必然会招致罐内滋生细菌一直发霉的事实，以及其成膜本质就是在墙面形成一层致密性塑料膜，从而乳胶漆在低碳、净味、防火、防腐、透气这四个方面有着无法逾越的技术瓶颈。使用中所产生的一些不良后果日渐显现，已越来越多引起大众的广泛关注。国家也相继出台了墙体装饰涂料产品及应用做出规范措施，对装饰材料提出了更高的要求和标准，对墙体装饰涂料在环保性、健康性、安全性上提出明确要求和限制措施。众多涂料企业也在不断地摸索出新的思路，其中无机建筑涂料由于具有良好的自然资源、环保优势和安全性，成为未来发展的一大趋向。

无机建筑涂料是以碱金属硅酸盐或硅溶胶等无机物为主要成膜物质，涂层硬度高(一般为≥4H)、韧性不足，无机建筑涂料的固化过程是通过成膜物质之间逐渐聚合脱水后成膜，此过程中涂膜会发生一定程度的收缩，所以施工过程中涂膜太厚或者两遍涂刷间隔时间不够的情况下，涂膜容易发生开裂的现象，通常解决方式有以下两种：1、调整施工工艺，加较多的水来减小涂料粘度降低涂膜厚度，或者增加两遍涂刷时间间隔，延长表干时间。这种方式需要改变建筑涂料常用的施工方法，给施工工人造成很多的不方便；2、通过复配一定比例的有机高分子乳液的方式来提高涂层的韧性防止开裂，虽然有机高分子乳液的添加量少，但是这种方式不可避免的对涂料的环保性和安全性造成了少许的影响。如何在无机建筑涂料中解决涂层韧性不足、易开裂的问题是一个挑战。

发明内容

针对上述现有技术存在无机建筑涂料成膜后韧性不足，在后期施工过程中涂膜太厚或者两遍涂刷间隔时间不够的情况下，容易发生开裂等缺陷，本发明提供了一种抗开裂无机陶瓷建筑涂料及其制备方法。

本发明的目的是通过以下技术方案来实现的：

本发明涉及一种抗开裂无机陶瓷建筑涂料组合物，所述组合物由如下重量百分比含量的各组分组成：

作为本发明的一个实施方案，所述硅烷为二甲基二甲氧基硅烷和γ-(2,3-环氧丙氧)丙基三甲氧基硅烷的混合物。

作为本发明的一个实施方案，所述二甲基二甲氧基硅烷和γ-(2,3-环氧丙氧)丙基三甲氧基硅烷的重量比为4：1-5：1。

作为本发明的一个实施方案，所述无机阻聚剂为氯化亚铜或三氯化铁。

作为本发明的一个实施方案，所述分散剂为非离子型分散剂；包括tego760W、德谦FX-365、赢创ZetaSperse 179。

作为本发明的一个实施方案，所述消泡剂为非离子型消泡剂；包括巴斯夫Foamaster223、德谦DF7005、TEGO Airex 902W。

作为本发明的一个实施方案，所述纤维素纳米纤维的直径为20nm-200nm，长径比为100:1-2000:1。

作为本发明的一个实施方案，所述无机填料选自煅烧高岭土、重钙、云母粉、气相二氧化硅、硅微粉中的一种或几种；所述增稠剂选自羧甲基纤维素、羟乙基纤维素、羟甲基纤维素或羟丙基甲基纤维素；所述颜料为无机颜料，包括钛白粉、炭黑、氧化铁黄、氧化铁红、钴蓝、钴绿中的一种或几种。

作为本发明的一个实施方案，所述25％甲酸的加入量为至体系pH值为3.5-4.5。

本发明还涉及一种抗开裂无机陶瓷建筑涂料组合物的制备方法，所述方法包括如下步骤：

S1、将硅溶胶、氧化石墨烯混合均匀，搅拌下反应1-1.5hr，制得石墨烯改性硅溶胶；然后加入硅烷、25％的甲酸，在搅拌下继续反应3.5-4hr；再加入无机阻聚剂，反应10-20min，反应终止后即得到无机陶瓷树脂，待用；

S2、在无机陶瓷树脂中加入无机颜料、填料、分散剂、60-80％的消泡剂、纤维素纳米纤维、去离子水混合均匀，在研磨机上研磨至细度20μm以下，过滤后出料，得到陶瓷浆料，待用；

S3、将增稠剂配制成5-10％的透明溶液；将陶瓷浆料、增稠剂溶液、剩余消泡剂混合搅拌均匀后，得到抗开裂无机陶瓷建筑涂料。

与现有技术相比，本发明具有如下有益效果：

(1)该无机陶瓷建筑涂料，首先通过两种硅烷的复配，形成线性或支链型分子结构，固化收缩时层间分子链之间可有少量位移，可以降低涂层的开裂。加入带有柔性链的硅烷来提高涂层的柔韧性，防止涂层开裂；其次利用石墨烯的层状结构和较大的拉伸模量和拉伸强度，在涂层中起到增韧、润滑、防止涂层开裂的作用；通过化学反应将石墨烯连接到分子链上，保证了增韧作用的持久性；然后添加纤维素纳米纤维，利用其线状纤维在涂层中形成多纤维取向结构，有效改善了涂层的韧性，改善了无机陶瓷建筑涂料的脆性断裂形态，还可起到分散应力，阻止裂纹在基体中传播和扩散的作用；利用物理和化学手段改善了无机陶瓷建筑涂料易开裂的问题。

(2)该配方由纯无机物质组成，最大程度避免了有机树脂带来的VOC的排放和安全问题。

(3)可采用与乳胶漆相同的施工工艺和施工方法，涂层硬度高、厚涂不开裂。

具体实施方式

下面结合具体实施例对本发明进行详细说明。以下实施例将有助于本领域的技术人员进一步理解本发明，但不以任何形式限制本发明。应当指出的是，对本领域的普通技术人员来说，在不脱离本发明构思的前提下，还可以做出若干变形和改进。这些都属于本发明的保护范围。

本发明为抗开裂无机陶瓷建筑涂料。以100％计，配方如下：

硅溶胶：25-27％

硅烷：18-20％

无机阻聚剂：0.5-1％

氧化石墨烯：1-2％

分散剂：0.2-0.5％

消泡剂：0.2-0.5％

纤维素纳米纤维：3-5％

无机填料：13-15％

颜料：15-18％

增稠剂：1-2％

25％甲酸：1-2％

去离子水：余量

其中：

硅溶胶：主要成膜物质。

硅烷：辅助成膜物质，其中二甲基二甲氧基硅烷：γ-(2,3-环氧丙氧)丙基三甲氧基硅烷＝4：1-5：1。

二甲基二甲氧基硅烷有两个官能团，可生成线性的或者支链的分子结构，相比较三官能团硅烷形成的交联结构分子链，硬度略低，固化收缩时层间分子链之间可有少量位移，降低涂层的脆性和开裂性。γ-(2,3-环氧丙氧)丙基三甲氧基硅烷是一种含环氧基的偶联剂，1、具有柔性分子链，成膜后可增加涂膜的柔韧性；2、可以提高成膜树脂与基材及颜填料之间的粘结强度，防止涂层开裂。γ-(2,3-环氧丙氧)丙基三甲氧基硅烷由于带有环氧基团，加入量不可太多，否则光照下会造成涂层变色。

无机阻聚剂：氯化亚铜或三氯化铁，通过电荷转移而起阻聚作用，在反应后期加入，可以终止聚合反应，生成单组份的树脂，方便使用。

氧化石墨烯：单片上分布着具有活性可反应的基团，例如：羟基、环氧基、羧基和羰基，可与硅溶胶反应，通过化学键连接到硅溶胶分子上，形成石墨烯改性硅溶胶。由于氧化石墨烯具有层状结构，且具有较大的拉伸模量和拉伸强度，在涂层中可以起到增韧、润滑、防止涂层开裂的作用。加入量太多会增加涂层的硬度，增加开裂风险。

分散剂：非离子型，提高颜填料的分散效果，包括tego760W、德谦FX-365、赢创ZetaSperse 179等。

消泡剂：非离子型，降低涂料的表面张力，抑制泡沫产生或消除已产生泡沫。包括巴斯夫Foamaster 223、德谦DF7005、TEGO Airex 902W等。

纤维素纳米纤维：是直径为纳米尺度而长度为微米尺度的具有一定长径比的线状材料，一般的纳米纤维的直径介于20nm到200nm之间，长度为1-50微米，作为填料添加到无机涂料中，线状纤维可纵横交错无规排列，形成多纤维取向结构，强度和弹性模量高，回弹性好，可有效改善涂层韧性，改善无机建筑涂料的脆性断裂形态，分散应力，阻止裂纹在基体中传播和扩散。

无机填料：煅烧高岭土、重钙、云母粉、气相二氧化硅、硅微粉中的一种或几种。

增稠剂：羧甲基纤维素、羟乙基纤维素、羟甲基纤维素、羟丙基甲基纤维素中的一种，增加涂料的粘度，防止涂刷时产生流挂现象。

颜料：根据涂料颜色选择不同的无机颜料，例如：钛白粉、炭黑、氧化铁黄、氧化铁红、钴蓝、钴绿等无机颜料。无机颜料耐候性好，长时间光照不易变色。

25％甲酸：提供硅烷水解的pH值环境，硅烷需要在酸性环境下水解生成硅醇，加入25％甲酸将pH值调整为3.5-4.5之间。

该涂料配方中不含任何有机物质，为纯无机配方，通过物理手段和化学手段结合的方式防止涂层开裂。1、通过两种硅烷的复配，形成线性或支链型分子结构，使得分子链之间形成少量的位移来降低涂层的开裂，加入带有柔性链的硅烷来提高涂层的柔韧性，防止涂层开裂；2、利用石墨烯的层状结构和较大的拉伸模量和拉伸强度，在涂层中可以起到增韧、润滑、防止涂层开裂的作用。通过化学反应将石墨烯连接到分子链上，保证了增韧作用持久；3、添加纤维素纳米纤维，利用其线状纤维在涂层中形成多纤维取向结构，可有效改善涂层韧性，改善无机建筑涂料的脆性断裂形态，分散应力，阻止裂纹在基体中传播和扩散。

制备步骤如下：

(1)无机陶瓷树脂的制备：先将硅溶胶、氧化石墨烯混合均匀，搅拌下反应1-1.5hr，制得石墨烯改性硅溶胶；然后加入硅烷、25％的甲酸，在搅拌下继续反应3.5-4hr(硅烷在酸性条件下水解生成硅醇，硅醇与石墨烯改性硅溶胶反应)，然后加入无机阻聚剂，反应10-20min，反应终止后即得到无机陶瓷树脂，待用。

(2)陶瓷浆料的制备：在无机陶瓷树脂中加入无机颜料、填料、分散剂、60-80％的消泡剂、纤维素纳米纤维、去离子水混合均匀，在研磨机上研磨至细度20μm以下，过滤后出料，得到陶瓷浆料，待用；

(3)将增稠剂配制成5-10％的透明溶液，待用；

(4)将陶瓷浆料、增稠剂、剩余消泡剂混合搅拌均匀后，得到抗开裂无机陶瓷建筑涂料。

详见以下各实施例。以下各实施例和对比例中，硅溶胶选用阿克苏Bindzil2034DI；纤维素纳米纤维(1)选用北方世纪(江苏)纤维素材料有限公司的

纤维素纳米纤维，其长径比在100-1000：1；纤维素纳米纤维(2)选用/>

纳米纤维素晶须，其长径比在1-100:1。

实施例1～5

实施例1～5涉及抗开裂无机陶瓷建筑涂料；其组成及含量如表1所示。该涂料的制备方法步骤如下：

(1)无机陶瓷树脂的制备：先将硅溶胶、氧化石墨烯混合均匀，搅拌下反应1.2hr，制得石墨烯改性硅溶胶；然后加入硅烷、25％的甲酸，在搅拌下继续反应3.5hr，然后加入无机阻聚剂，反应15min，反应终止后即得到无机陶瓷树脂，待用。

(2)陶瓷浆料的制备：在无机陶瓷树脂中加入无机颜料、填料、分散剂、70％的消泡剂、纤维素纳米纤维、去离子水混合均匀，在研磨机上研磨至细度20μm以下，过滤后出料，得到陶瓷浆料，待用；

(3)将增稠剂配制成8％的透明溶液，待用；

(4)将陶瓷浆料、增稠剂、30％的消泡剂混合搅拌均匀后，得到抗开裂无机陶瓷建筑涂料。

对比例1～5

对比例1～5涉及抗开裂无机陶瓷建筑涂料；其组成如表1所示。

该涂料组合物的制备方法同实施例1。

表1

对以上实施例和对比例的涂料组合物进行测试，测试方法如表2，结果如表3、4所示。

表2、主要性能测试方法

表3、主要性能测试结果

表4

以上对本发明的具体实施例进行了描述。需要理解的是，本发明并不局限于上述特定实施方式，本领域技术人员可以在权利要求的范围内做出各种变形或修改，这并不影响本发明的实质内容。

Claims (6)

1.一种抗开裂无机陶瓷建筑涂料组合物，其特征在于，所述组合物由如下重量百分比含量的各组分组成：

硅溶胶：25-27%，

硅烷：18-20%，

无机阻聚剂：0.5-1%，

氧化石墨烯：1-2%，

分散剂：0.2-0.5%，

消泡剂：0.2-0.5%，

纤维素纳米纤维：3-5%，

无机填料：13-15%，

颜料：15-18%，

增稠剂：1-2%，

25%甲酸：1-2%，

去离子水：余量；

所述硅烷是重量比为4：1-5：1的二甲基二甲氧基硅烷和γ-(2,3-环氧丙氧)丙基三甲氧基硅烷的混合物；

所述纤维素纳米纤维的直径为20nm-200nm，长径比为100:1-2000:1；

所述抗开裂无机陶瓷建筑涂料组合物是通过包括如下步骤的方法制备而得：

S1、将硅溶胶、氧化石墨烯混合均匀，搅拌下反应1-1.5hr，制得石墨烯改性硅溶胶；然后加入硅烷、25%的甲酸，在搅拌下继续反应3.5-4hr；再加入无机阻聚剂，反应10-20min，反应终止后即得到无机陶瓷树脂，待用；

S2、在无机陶瓷树脂中加入无机颜料、填料、分散剂、60-80%的消泡剂、纤维素纳米纤维、去离子水混合均匀，在研磨机上研磨至细度20μm以下，过滤后出料，得到陶瓷浆料，待用；

S3、将增稠剂配制成5-10%的透明溶液；将陶瓷浆料、增稠剂溶液、剩余消泡剂混合搅拌均匀后，得到抗开裂无机陶瓷建筑涂料。

2.根据权利要求1所述的抗开裂无机陶瓷建筑涂料组合物，其特征在于，所述无机阻聚剂为氯化亚铜或三氯化铁。

3.根据权利要求1所述的抗开裂无机陶瓷建筑涂料组合物，其特征在于，所述分散剂为非离子型分散剂；包括tego760W、德谦FX-365、赢创ZetaSperse 179。

4.根据权利要求1所述的抗开裂无机陶瓷建筑涂料组合物，其特征在于，所述消泡剂为非离子型消泡剂；包括巴斯夫Foamaster 223、德谦DF7005、TEGO Airex 902W。

5.根据权利要求1所述的抗开裂无机陶瓷建筑涂料组合物，其特征在于，所述无机填料选自煅烧高岭土、重钙、云母粉、气相二氧化硅、硅微粉中的一种或几种；所述增稠剂选自羧甲基纤维素、羟乙基纤维素、羟甲基纤维素或羟丙基甲基纤维素；所述颜料为无机颜料，包括钛白粉、炭黑、氧化铁黄、氧化铁红、钴蓝、钴绿中的一种或几种。

6.根据权利要求1所述的抗开裂无机陶瓷建筑涂料组合物，其特征在于，所述25%甲酸的加入量为至体系pH值为3.5-4.5。