CN115286960B - 一种可自洁的防水隔热涂料及其制备方法 - Google Patents

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Abstract

本发明涉及一种可自洁的防水隔热涂料，其包括如下成分：包括如下质量份数的成分：改性ATO和改性TiO2；其中，所述改性ATO，为表面部分接枝硅烷偶联剂，部分接枝脂肪酸的纳米ATO；所述改性TiO2，为表面部分接枝硅烷偶联剂，部分接枝脂肪酸的纳米TiO2。本发明的自洁的防水隔热涂料，其配方中的改性ATO和改性TiO2具有高度相容性和分散性，可以稳定存在于涂料配方中；涂料成膜后具有优异的自洁和隔热的效果，即使在较为极端的气候下放置较长时间，该效果衰减不明显，说明其具有优异的使用寿命。

Description

一种可自洁的防水隔热涂料及其制备方法
技术领域
本发明涉及防水隔热涂料技术领域，特别是涉及一种可自洁的防水隔热涂料及其制备方法。
背景技术
随着经济和社会的发展，节能与环保，尤其是建筑上的节能与环保受到了人们越来越多的关注。研究表明，建筑上的能耗50％以上是通过玻璃门窗而损耗的，特别是最近几十年，大量玻璃门窗及幕墙的广泛使用，致使夏天使用空调，冬天使用暖气越来越多。为节约能源，人们在玻璃上使用各种反射贴膜以及金属镀膜等产品来反射大部分红外光的能量从而达到隔热、降温的目的。一般而言，这些薄膜对红外光有良好的屏蔽效能，对可见光有优良透过性。然而，这类产品有的隔热效果没有达到理想的状态，具有可见光的透过率比较低、容易沾污且不便于清洁、加工成本高昂且工艺条件控制复杂，不利于市场大面积推广等缺陷。
因此，市场急需一种性价比高的具有透明、隔热功能的涂料来解决这一关键问题。纳米透明涂料就是基于这种需求而发展起来的一种功能涂料。它利用新兴纳米材料中一些N型半导体在可见光区具有高的透过性以及在对红外光具有极高的屏蔽率来实现其目的。
现有技术中，有大量的研究表面，向涂料配方中添加纳米金属氧化物颗粒，可以很好地添加配方的功能性，如隔热、自洁等，然而，一般的纳米金属氧化物颗粒均为无机物，其本身与涂料配方中的有机物成分(如乳液)、水等，均无相容性，因此无法在涂料配方中均匀分散，并且有较强的沉降趋势。这势必影响涂料在硬表面成膜后的性能，尤其是长期暴露在在极端的户外气候下，将加速涂料性能的衰减。
现有技术CN202210369182.4公开了一种防水隔热外墙涂料及其制备方法，其将树脂填料、云母粉、陶瓷颗粒等组分加入醋酸乙烯和丙烯酸共聚乳液中，提高了涂料的防水隔热和耐碱性等能力，然而其未对涂料的强度进行改善，无法长期持久使用；现有技术CN202111132349.7公开了一种隔热保温的涂料及其制备方法、涂覆制品和应用，其采用氧化锡锑、氧化铟锡、铝掺氧化锌作为保温层介质，从而达到隔热保温的效果，然而，该技术方案也未对防水性、使用寿命和自洁能力进行改善，应用领域较小。
综上所述，亟需研发一种可自洁的防水隔热涂料，具有较长的使用寿命，可以持续实现自洁和隔热的效果。
发明内容
本发明的一个目的在于提供一种可自洁的防水隔热涂料，其包括如下质量份数的成分：改性ATO1-3份、改性TiO21-3份、苯丙乳液30-40份、聚丙烯酸乳液25-30份、成膜助剂0.5-1份、分散剂0.5-1份、消泡剂0.5-1份和水；
其中，
所述改性ATO，为表面部分接枝硅烷偶联剂，部分接枝脂肪酸的纳米ATO；
所述改性TiO2，为表面部分接枝硅烷偶联剂，部分接枝脂肪酸的纳米TiO2。
纳米ATO和纳米TiO2的表面通常附着有大量的羟基，因此可以作为改性的活性点。将纳米ATO和纳米TiO2的表面的活性羟基，分别与大体积的有机基团进行接枝，可以得到改性后的纳米金属氧化物颗粒。这样一来，经有机基团改性后的纳米金属氧化物粒子，在涂料配方中，与涂料其他成分，如苯丙乳液、聚丙烯酸乳液等主体成分相容性得到了极大地改善，它们之间的长链段间具有较为强烈的分子间作用力，以及互相缠绕在一起，形成较为稳定的网状结构，从而阻止了纳米金属颗粒之间聚集成团和沉降的趋势。
另外，本发明技术方案中，采用的对纳米ATO和纳米TiO2的改性方案是，对其表面进行部分硅氧烷接枝改性，部分脂肪酸接枝改性的方式。其目的在于，若纳米金属氧化物全是硅氧烷接枝改性，其硅氧烷支链的末端一般是极性基团(如氨基、环氧基等)，且反应活性强，不易在配方中长期保存；而若其表面再进行部分脂肪酸接枝改性，其接枝脂肪酸后，并无任何活性端基，且长烷基链本身的极性很弱，易存着于稳定体系中。
纳米ATO和纳米TiO2的表面羟基首先与脂肪酸中的羧基进行酯化反应，在表面接枝了长链，根据红外光谱，我们发现了纳米ATO和纳米TiO2中出现类羧酸酯的特征峰，并且-OH特征吸收峰强度降低，说明纳米ATO和纳米TiO2表面的部分羟基与脂肪酸发生了类似酯化的反应，同时仍残留了部分未反应的表面羟基；然后残留的表面羟基与硅烷偶联剂反应，生成改性ATO和改性TiO2。
进一步地，所述脂肪酸选自辛酸、壬酸、癸酸、月桂酸、肉豆蔻酸、棕榈酸中的一种或多种。
进一步地，所述纳米ATO的粒径为30-50nm；所述纳米TiO2的粒径为30-50nm。
进一步地，所述硅烷偶联剂选自KH550、KH560或KH570。
进一步地，所述成膜助剂选自醇酯十二。
进一步地，所述消泡剂选自有机硅消泡剂、聚醚型消泡剂的一种或多种。
本发明的另一个目的在于提供上述可自洁的防水隔热涂料的制备方法，其包括如下步骤：
(1)制备改性ATO
S1.将纳米ATO加入液态的脂肪酸中，超声处理后，进行加热反应，离心、洗涤、干燥，得到中间产物1；
S2.将所述中间产物1加入乙醇中，超声处理后，加入硅烷偶联剂，反应后，过滤、洗涤、干燥，得到改性ATO；
(2)制备改性TiO2
S3.将纳米TiO2加入液态的脂肪酸中，超声处理后，进行加热反应，离心、洗涤、干燥，得到中间产物2；
S4.将所述中间产物2加入乙醇中，超声处理后，加入硅烷偶联剂，反应后，过滤、洗涤、干燥，得到改性TiO2。
进一步地，步骤S2中，所述硅烷偶联剂占纳米ATO的1-2.5wt％。
进一步地，步骤S2中，所述硅烷偶联剂占纳米TiO2的1-2.5wt％。
本发明具有以下有益效果：
1.本发明涂料配方中添加了改性ATO和改性TiO2，其在配方中具有高度相容性和分散性，可以稳定存在于涂料配方中，其长期在水洗、紫外光照射下均未发生分裂、脱落的现象，能稳定附着于材料表面，持久发挥涂层作用；
2.含有改性ATO和改性TiO2的涂料成膜后具有优异的自洁和隔热的效果，涂层表面的污垢通过自洁作用能够彻底分解，基本无残留痕迹，显著优于现有技术，并且在相同环境中，本发明的涂料能够有效阻隔温度上升，相比同类技术降低温度3-7℃，即使在较为极端的气候下放置较长时间，该效果衰减不明显，说明其具有优异的使用寿命。
具体实施方式
为了更清楚地说明本发明的技术方案，列举如下实施例。实施例中所出现的原料、反应和后处理手段，除非特别声明，均为市面上常见原料，以及本领域技术人员所熟知的技术手段。
本发明实施例中的纳米ATO和纳米TiO2的粒径均约为40nm。
本发明实施例中的脂肪酸若是高级脂肪酸，在常温下会呈现为固体，在使用时可以预热，使其液化。
实施例1
一种可自洁的防水隔热涂料，其包括如下质量份数的成分：
Figure BDA0003811303330000031
Figure BDA0003811303330000041
上述改性ATO的制备方法如下所述：
S1.将纳米ATO浸入足量液态月桂酸中，超声30min后，80℃反应1h，离心、洗涤后，常温干燥，得到中间产物1；对中间产物1进行红外光谱测试，发现其在1721cm-1、1410cm-1处出现了类羧酸酯的峰，而3400cm-1处的羟基峰强度明显降低，说明其表面的部分羟基，已经被酯基取代；
S2.将中间产物1加入足量乙醇中，超声处理30min后，滴加KH550的水溶液(其中KH550占纳米ATO的1.5wt％)，80℃反应2h后，过滤、洗涤，120℃干燥4h，得到改性ATO。
上述改性TiO2的制备方法如下所述：
S1.将纳米TiO2浸入足量液态月桂酸中，超声30min后，80℃反应1h，离心、洗涤后，常温干燥，得到中间产物2；对中间产物1进行红外光谱测试，发现其在1721cm-1、1410cm-1处出现了类羧酸酯的峰，而3400cm-1处的羟基峰强度明显降低，说明其表面的部分羟基，已经被酯基取代；
S2.将中间产物2加入足量乙醇中，超声处理30min后，滴加KH550的水溶液(其中KH550占纳米TiO2的1.5wt％)，80℃反应2h后，过滤、洗涤，120℃干燥4h，得到改性TiO2。
实施例2
一种可自洁的防水隔热涂料，其包括如下质量份数的成分：
Figure BDA0003811303330000042
Figure BDA0003811303330000051
上述改性ATO的制备方法如下所述：
S1.将纳米ATO浸入足量液态棕榈酸中，超声30min后，80℃反应1.5h，离心、洗涤后，常温干燥，得到中间产物1；对中间产物1进行红外光谱测试，发现其在1721cm-1、1410cm-1处出现了类羧酸酯的峰，而3400cm-1处的羟基峰强度明显降低，说明其表面的部分羟基，已经被酯基取代；
S2.将中间产物1加入足量乙醇中，超声处理30min后，滴加KH550的水溶液(其中KH550占纳米ATO的2.5wt％)，80℃反应3h后，过滤、洗涤，120℃干燥4h，得到改性ATO。
上述改性TiO2的制备方法如下所述：
S1.将纳米TiO2浸入足量液态月桂酸中，超声30min后，80℃反应1.5h，离心、洗涤后，常温干燥，得到中间产物2；对中间产物1进行红外光谱测试，发现其在1721cm-1、1410cm-1处出现了类羧酸酯的峰，而3400cm-1处的羟基峰强度明显降低，说明其表面的部分羟基，已经被酯基取代；
S2.将中间产物2加入足量乙醇中，超声处理30min后，滴加KH550的水溶液(其中KH550占纳米TiO2的2.5wt％)，80℃反应2h后，过滤、洗涤，120℃干燥4h，得到改性TiO2。
实施例3
一种可自洁的防水隔热涂料，其包括如下质量份数的成分：
Figure BDA0003811303330000052
上述改性ATO的制备方法如下所述：
S1.将纳米ATO浸入足量液态辛酸中，超声30min后，80℃反应1.2h，离心、洗涤后，常温干燥，得到中间产物1；对中间产物1进行红外光谱测试，发现其在1721cm-1、1410cm-1处出现了类羧酸酯的峰，而3400cm-1处的羟基峰强度明显降低，说明其表面的部分羟基，已经被酯基取代；
S2.将中间产物1加入足量乙醇中，超声处理30min后，滴加KH550的水溶液(其中KH550占纳米ATO的2.2wt％)，80℃反应3h后，过滤、洗涤，120℃干燥4h，得到改性ATO。
上述改性TiO2的制备方法如下所述：
S1.将纳米TiO2浸入足量液态月桂酸中，超声30min后，80℃反应1.2h，离心、洗涤后，常温干燥，得到中间产物2；对中间产物1进行红外光谱测试，发现其在1721cm-1、1410cm-1处出现了类羧酸酯的峰，而3400cm-1处的羟基峰强度明显降低，说明其表面的部分羟基，已经被酯基取代；
S2.将中间产物2加入足量乙醇中，超声处理30min后，滴加KH550的水溶液(其中KH550占纳米TiO2的2.2wt％)，80℃反应2h后，过滤、洗涤，120℃干燥4h，得到改性TiO2。
对比例1
一种可自洁的防水隔热涂料，本对比例1与实施例1采用了相同的原料、质量份数以及制备工艺，唯一的区别在于：本对比例1的纳米ATO和纳米TiO2未经任何改性，而是直接加入其中。
对比例2
一种可自洁的防水隔热涂料，本对比例2与实施例1采用了相同的原料、质量份数以及制备工艺，唯一的区别在于：本对比例2的纳米ATO和纳米TiO2仅为表面部分接枝硅烷偶联剂的纳米ATO和纳米TiO2，而均未接枝脂肪酸。
测试例
对实施例1和对比例1-2制备的可自洁的防水隔热涂料的相关性能进行测试。
测试方法：
(1)自洁性能测试
对涂料进行自洁性能的测试评估，测试方法为：将实施例1、对比例1和对比例2所得涂料配方，分为两组，第一组为新配置的样品，第二组为放置在40℃环境下2个月后的样品。然后将二组样品，分别单面涂覆于100mm×100mm的玻璃表面，然后干燥成膜。
配置甲基红饱和乙醇溶液(污垢)，用毛笔分别等量涂覆于涂料膜表面，干燥后，放置在紫外灯箱内照射(紫外光强度为0.7mW/cm2)，然后观察污垢的最终分解情况。所得结果如表1所示。
表1实施例1、对比例1和对比例2的涂料的污垢分解情况
污垢分解情况 实施例1 对比例1 对比例2
第一组 彻底分解，无痕迹 彻底分解，无痕迹 彻底分解，无痕迹
第二组 有轻微痕迹 有明显的残留痕迹 有较为明显的残留痕迹
(2)隔热性能测试
对涂料进行隔热性能的测试评估，测试方法为：准备若干个结构和型号相同的隔热箱，隔热箱箱口，分别用空白玻璃(空白样)、单面涂覆实施例1涂料配方的玻璃、单面涂覆涂料配方对比例1的玻璃单面涂覆和对比例2涂料配方的玻璃，并且使它们都干燥成膜。然后将隔热箱放置在250W的红外灯热源下面(隔热箱与红外灯的距离均相等；玻璃的厚度均相等；涂层厚度相对于玻璃厚度可以忽略)，让红外灯持续照射隔热箱一段时间，并且实时监测隔热箱内部温度计显示的空气的温度上升情况。
空白样的隔热箱在未经加热时，初始温度为18℃，而经红外灯持续照射120min，隔热箱温度上升至52℃，上升幅度为34℃。
其中实施例1、对比例1和对比例2的涂料分为两组，第一组为新配置的样品，第二组为放置在40℃环境下2个月后的样品。所得结果如表2所示。
表2实施例1、对比例1和对比例2的隔热箱的温度上升情况
Figure BDA0003811303330000071
从表1自洁性能、表2中的隔热箱的温度上升情况看出，由于对比例1和对比例2的纳米金属氧化物粒子未经改性，或仅有一部分改性，导致其与涂料配方中的其他成分相容性和分散性较差，长期高温下放置后，易导致纳米金属氧化物粒子沉降、聚集等不理想情况出现，从而影响了纳米金属氧化物粒子自洁性能和隔热性能，并且该性能衰减较实施例1非常明显。
(3)基本性能测试
对涂料的基本性能测试的执行标准和结果，如表3和表4所示。
表3实施例1、对比例1-2的测试执行标准
Figure BDA0003811303330000072
Figure BDA0003811303330000081
表4实施例1、对比例1-2的测试结果
Figure BDA0003811303330000082
从表3-4可以看出，实施例1、对比例1-2所制备的涂料，具有良好的耐水性和耐紫外光性，并且附着力表现也很优异，可以用于外墙或硬表面的涂装。
对于本领域技术人员而言，显然本发明不限于上述示范性实施例的细节，而且在不背离本发明的精神或基本特征的情况下，能够以其他的具体形式实现本发明。因此，无论从哪一点来看，均应将实施例看作是示范性的，而且是非限制性的，本发明的范围由所附权利要求而不是上述说明限定，因此旨在将落在权利要求的等同要件的含义和范围内的所有变化囊括在本发明内。
此外，应当理解，虽然本说明书按照实施方式加以描述，但并非每个实施方式仅包含一个独立的技术方案，说明书的这种叙述方式仅仅是为清楚起见，本领域技术人员应当将说明书作为一个整体，各实施例中的技术方案也可以经适当组合，形成本领域技术人员可以理解的其他实施方式。

Claims (7)

1.一种可自洁的防水隔热涂料，其特征在于，所述可自洁的防水隔热涂料包括如下质量份数的成分：改性ATO1-3份、改性TiO21-3份、苯丙乳液30-40份、聚丙烯酸乳液25-30份、成膜助剂0.5-1份、分散剂0.5-1份、消泡剂0.5-1份和水；
其中，
所述改性ATO，为表面部分接枝硅烷偶联剂，部分接枝脂肪酸的纳米ATO；
所述改性TiO2，为表面部分接枝硅烷偶联剂，部分接枝脂肪酸的纳米TiO2；
所述可自洁的防水隔热涂料的制备方法包括如下步骤：
(1)制备改性ATO
S1.将纳米ATO加入液态的脂肪酸中，超声处理后，进行加热反应，离心、洗涤、干燥，得到中间产物1；
S2.将所述中间产物1加入乙醇中，超声处理后，加入硅烷偶联剂，反应后，过滤、洗涤、干燥，得到改性ATO；
(2)制备改性TiO2
S3.将纳米TiO2加入液态的脂肪酸中，超声处理后，进行加热反应，离心、洗涤、干燥，得到中间产物2；
S4.将所述中间产物2加入乙醇中，超声处理后，加入硅烷偶联剂，反应后，过滤、洗涤、干燥，得到改性TiO2；
所述脂肪酸选自辛酸、壬酸、癸酸、月桂酸、肉豆蔻酸、棕榈酸中的一种或多种。
2.根据权利要求1所述可自洁的防水隔热涂料，其特征在于，所述纳米ATO的粒径为30-50nm；所述纳米TiO2的粒径为30-50nm。
3.根据权利要求1所述可自洁的防水隔热涂料，其特征在于，所述硅烷偶联剂选自KH550、KH560或KH570。
4.根据权利要求1所述可自洁的防水隔热涂料，其特征在于，所述成膜助剂选自醇酯十二。
5.根据权利要求1所述可自洁的防水隔热涂料，其特征在于，所述消泡剂选自有机硅消泡剂、聚醚型消泡剂中的一种或多种。
6.根据权利要求1所述可自洁的防水隔热涂料的制备方法，其特征在于，步骤S2中，所述硅烷偶联剂占纳米ATO的1-2.5wt％。
7.根据权利要求1所述可自洁的防水隔热涂料的制备方法，其特征在于，步骤S4中，所述硅烷偶联剂占纳米TiO2的1-2.5wt％。
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US4525425A (en) * 1981-05-11 1985-06-25 El-Chem Corporation Water and oil repellent metal oxide-organic combination coating systems and method of making same

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