CN115491056A - 一种水性涂料及其制备方法 - Google Patents

Abstract

本发明属于涂料技术领域，具体涉及一种水性涂料及其制备方法。本发明研制的产品包括硅酸钾，锌粉，氧化石墨烯以及偶联剂；所述硅酸钾为模数为5‑7的硅酸钾水溶液；所述锌粉为D50为300‑600nm的片状锌粉；所述氧化石墨烯的D50为所述锌粉D50的0.1‑0.2倍；所述锌粉和所述氧化石墨烯的质量比为8：1‑10：1。制备时，先将偶联剂加入水中，并向水中加入氨水，加热水解反应，得偶联剂水解液；将模数为2.5‑3.0的硅酸钾粉末溶解于水中后，再加入所得偶联剂水解液，得改性硅酸钾水溶液；再将改性硅酸钾水溶液滴加至硅溶胶溶液中，以得到模数为5‑7的硅酸钾水溶液；将氧化石墨烯和锌粉球磨混合后，倒入硅酸钾水溶液中，超声分散均匀，出料，即得水性涂料产品。

Description

一种水性涂料及其制备方法

技术领域

本发明属于涂料技术领域。更具体地，涉及一种水性涂料及其制备方法。

背景技术

水性无机硅酸锌涂料是以无机硅酸盐水溶液为基料，以锌粉为防腐颜料而制备的一种防腐涂料。使用时将锌粉加入无机硅酸盐水溶液组分中，搅拌均匀后喷涂施工。硅酸盐与锌粉、金属基材、空气中二氧化碳反应，最终生成不溶于水的涂层。涂层具有快速的干燥速度、优异长效的抗腐蚀性、良好的导静电性、优良的焊接性能、长期耐400℃高温、清洁环保、对环境友好等优点。

由于硅酸盐水溶液无机含量很高，成膜时体积收缩率高，常导致水性无机硅酸锌涂料开裂，同时对基材的附着力较低。对此,市面上已经有大量研究，主要以水性丙烯酸树脂对硅酸盐水溶液进行改性为主。有机丙烯酸树脂与硅酸盐无机树脂杂化后，漆膜的抗开裂性能得到提高，但耐冲击性和附着力仍然难以通过《GB50393-2017钢质石油储罐防腐蚀工程技术标准》中A.0.8无机富锌涂料和涂层性能指标的要求。标准中要求无机富锌涂层附着力≥3MPa，50cm耐冲击性合格。

发明内容

本发明要解决的技术问题是克服现有以硅酸盐水溶液为主要成分之一的水性涂料体系，其在实际应用过程中，耐冲击性能和对基材的附着力无法进一步提升的缺陷和不足，提供一种水性涂料及其制备方法。

本发明的目的是提供一种水性涂料。

本发明另一目的是提供一种水性涂料的制备方法。

本发明上述目的通过以下技术方案实现：

一种水性涂料，包括硅酸钾，锌粉，氧化石墨烯以及偶联剂；

所述硅酸钾为模数为5-7的硅酸钾水溶液；

所述锌粉为D50为300-600nm的片状锌粉；

所述氧化石墨烯的D50为所述锌粉D50的0.1-0.2倍；

所述锌粉和所述氧化石墨烯的质量比为8：1-10：1。

上述技术方案通过特定模数的硅酸钾水溶液与特定规格的片状锌粉和氧化石墨烯进行协同配合；具体的，选择合适模数的硅酸钾水溶液，可以有效调控体系中活性硅醇的浓度，以保障体系对基体良好的粘附附着；通过选择和氧化石墨烯同为片状结构的片状锌粉，并且调控其中氧化石墨烯的粒径为片状锌粉粒径的0.1-0.2倍，可以预见的是，氧化石墨烯由于具有比片状锌粉明显更小的粒径，因此，其很容易在锌粉的表面进行吸附固定；并且，氧化石墨烯边缘区带有羧基，可以在碱性的硅酸钾溶液体系中被离子化，从而使得氧化石墨烯层与层之间由于同种电荷带来的静电斥力使得氧化石墨烯逐渐在硅酸钾溶液体系中剥离形成单片层结构；另外，通过，控制氧化石墨烯和锌粉的质量比，如此，可以使得剥离后的单片层氧化石墨烯在锌粉的表面仅仅只是局部的进行了遮盖包覆；氧化石墨烯在锌粉表面局部遮盖包覆后，由于氧化石墨烯分子结构中具有活性的含氧官能团，如羧基、羟基和环氧基，因此，其可以有效阻断涂料固化过程中，硅醇的交联反应，通过氧化石墨烯遮盖程度的控制，可以有效控制对交联反应的阻断程度，如此，可以使得干燥后的涂膜的柔韧性得到了有效的调节，从而提升产品的抗冲击性能；另外，由于氧化石墨烯在其表面的局部包覆，使得在使用过程中，锌粉和锌粉之间更容易在氧化石墨烯润滑作用下发生相对滑移，因此，产品可以获得更为优异的锌粉堆积效果，因此，对基材的附着力也会有所改善。

进一步的，所述偶联剂为硅烷偶联剂，所述硅烷偶联剂选自硅烷偶联剂KH-550，硅烷偶联剂KH-560，硅烷偶联剂KH-570中的任意一种。

进一步的，所述氧化石墨烯层间嵌入有聚苯乙烯磺酸钠。

上述技术方案通过进一步在氧化石墨烯层间嵌入聚苯乙烯丙烯酸，如此，一方面，氧化石墨烯层间距被拓宽，更有利于氧化石墨烯在硅酸钾溶液体系中的层间剥离；另一方面，在聚苯乙烯丙烯酸的协助下，氧化石墨烯也更容易在锌粉表面吸附固定。

进一步的，所述水性涂料中，还包括所述硅酸钾水溶液质量3-6％的海泡石。

上述技术方案通过在体系中进一步引入海泡石，海泡石在水溶液中可以快速解离为束状，并且起到假性增粘效果，从而使得分散后的氧化石墨烯及锌粉形状稳定，避免发生沉降。

一种水性涂料的制备方法，具体制备步骤包括：

先将偶联剂加入水中，并向水中加入氨水，加热水解反应，得偶联剂水解液；

将模数为2.5-3.0的硅酸钾粉末溶解于水中后，再加入所得偶联剂水解液，得改性硅酸钾水溶液；

再将改性硅酸钾水溶液滴加至硅溶胶溶液中，以得到模数为5-7的硅酸钾水溶液；

将氧化石墨烯和锌粉球磨混合后，倒入硅酸钾水溶液中，超声分散均匀，出料，即得水性涂料产品。

进一步的，所述氧化石墨烯为预处理氧化石墨烯；

所述预处理氧化石墨烯的制备步骤包括：

将氧化石墨烯和聚苯乙烯磺酸钠在水中超声分散后，抽滤，干燥，即可。

进一步的，所述具体制备步骤还包括：

在所述超声分散均匀之前，向所述硅酸钾水溶液中，加入海泡石。

进一步的，所述海泡石为预处理海泡石；

所述预处理海泡石的制备步骤包括：

将海泡石和盐酸溶液水热反应后，过滤，洗涤，干燥，焙烧，即可。

通过对海泡石进行预处理，可以进一步增加海泡石分子结构中活性硅羟基的作用，从而使其可以参与硅醇的交联反应过程，最终使得海泡石也起到强化漆膜抗冲击性能的增益作用。

具体实施方式

以下结合具体实施例来进一步说明本发明，但实施例并不对本发明做任何形式的限定。除非特别说明，本发明采用的试剂、方法和设备为本技术领域常规试剂、方法和设备。

除非特别说明，以下实施例所用试剂和材料均为市购。

实施例1

海泡石的预处理：

将海泡石和质量分数为10％的盐酸溶液按质量比为1：5混合倒入水热釜中，于温度为160℃，搅拌转速为600r/min条件下，水热反应80min后，过滤，收集滤饼，并用去离子水洗涤滤饼直至洗涤液呈中性，随后将洗涤后的滤饼转入烘箱中，于温度为120℃条件下干燥至恒重，再将干燥后的滤饼转入炭化炉中，于温度为200℃条件下，保温焙烧60min，冷却，出料，即得预处理海泡石；

氧化石墨烯的预处理：

将氧化石墨烯和聚苯乙烯磺酸钠按质量比为15：1混合倒入水中，水的用量为氧化石墨烯质量的8倍，于超声频率为80kHz，温度为60℃条件下，超声分散40min后，趁热抽滤，收集滤饼，并将所得滤饼转入烘箱中，于温度为100℃条件下干燥至恒重，得预处理氧化石墨烯；

改性硅酸钾水溶液的制备：

先将偶联剂和水按照质量比为1：8混合，再向水中加入水质量0.1倍的质量分数为10％的氨水，随后于温度为80℃，搅拌转速为600r/min条件下，加热搅拌水解反应80min，得偶联剂水解液；

其中，所述偶联剂为硅烷偶联剂，所述硅烷偶联剂选自硅烷偶联剂KH-550；

将模数为2.5的硅酸钾粉末和水按照质量比为1：3混合溶解后，得硅酸钾溶液；再向硅酸钾溶液中，加入硅酸钾溶液质量10％的偶联剂水解液，于温度为65℃，搅拌转速为300r/min条件下，加热搅拌反应80min后，出料，得改性硅酸钾水溶液；

产品的制备：

将所得改性硅酸钾水溶液滴加至硅溶胶溶液，以配置模数为5的硅酸钾水溶液；

将所得预处理氧化石墨烯和D50为300nm的片状锌粉按照质量比为1：8混合倒入球磨罐，其中，所述预处理氧化石墨烯的D50为所述片状锌粉D50的0.1倍；于球磨转速为300r/min条件下，球磨混合5min后，出料，得球磨料；

将所得模数为5的硅酸钾水溶液倒入混料机中，随后再加入硅酸钾水溶液质量50％的球磨料，以及硅酸钾水溶液质量3％的预处理海泡石，于超声频率为100kHz，温度为60℃条件下，恒温超声分散90min后，冷却，出料，即得产品。

实施例2

海泡石的预处理：

将海泡石和质量分数为11％的盐酸溶液按质量比为1：5混合倒入水热釜中，于温度为170℃，搅拌转速为700r/min条件下，水热反应90min后，过滤，收集滤饼，并用去离子水洗涤滤饼直至洗涤液呈中性，随后将洗涤后的滤饼转入烘箱中，于温度为120℃条件下干燥至恒重，再将干燥后的滤饼转入炭化炉中，于温度为220℃条件下，保温焙烧70min，冷却，出料，即得预处理海泡石；

氧化石墨烯的预处理：

将氧化石墨烯和聚苯乙烯磺酸钠按质量比为16：1混合倒入水中，水的用量为氧化石墨烯质量的8倍，于超声频率为90kHz，温度为70℃条件下，超声分散50min后，趁热抽滤，收集滤饼，并将所得滤饼转入烘箱中，于温度为100℃条件下干燥至恒重，得预处理氧化石墨烯；

改性硅酸钾水溶液的制备：

先将偶联剂和水按照质量比为1：9混合，再向水中加入水质量0.15倍的质量分数为10％的氨水，随后于温度为82℃，搅拌转速为700r/min条件下，加热搅拌水解反应90min，得偶联剂水解液；

其中，所述偶联剂为硅烷偶联剂，所述硅烷偶联剂选自硅烷偶联剂KH-570；

将模数为2.8的硅酸钾粉末和水按照质量比为1：3混合溶解后，得硅酸钾溶液；再向硅酸钾溶液中，加入硅酸钾溶液质量11％的偶联剂水解液，于温度为70℃，搅拌转速为400r/min条件下，加热搅拌反应100min后，出料，得改性硅酸钾水溶液；

产品的制备：

将所得改性硅酸钾水溶液滴加至硅溶胶溶液，以配置模数为6的硅酸钾水溶液；

将所得预处理氧化石墨烯和D50为500nm的片状锌粉按照质量比为1：9混合倒入球磨罐，其中，所述预处理氧化石墨烯的D50为所述片状锌粉D50的0.15倍；于球磨转速为350r/min条件下，球磨混合8min后，出料，得球磨料；

将所得模数为6的硅酸钾水溶液倒入混料机中，随后再加入硅酸钾水溶液质量50％的球磨料，以及硅酸钾水溶液质量5％的预处理海泡石，于超声频率为110kHz，温度为65℃条件下，恒温超声分散100min后，冷却，出料，即得产品。

实施例3

海泡石的预处理：

将海泡石和质量分数为12％的盐酸溶液按质量比为1：6混合倒入水热釜中，于温度为180℃，搅拌转速为800r/min条件下，水热反应100min后，过滤，收集滤饼，并用去离子水洗涤滤饼直至洗涤液呈中性，随后将洗涤后的滤饼转入烘箱中，于温度为120℃条件下干燥至恒重，再将干燥后的滤饼转入炭化炉中，于温度为240℃条件下，保温焙烧80min，冷却，出料，即得预处理海泡石；

氧化石墨烯的预处理：

将氧化石墨烯和聚苯乙烯磺酸钠按质量比为18：1混合倒入水中，水的用量为氧化石墨烯质量的8倍，于超声频率为100kHz，温度为80℃条件下，超声分散60min后，趁热抽滤，收集滤饼，并将所得滤饼转入烘箱中，于温度为100℃条件下干燥至恒重，得预处理氧化石墨烯；

改性硅酸钾水溶液的制备：

先将偶联剂和水按照质量比为1：10混合，再向水中加入水质量0.2倍的质量分数为10％的氨水，随后于温度为85℃，搅拌转速为800r/min条件下，加热搅拌水解反应120min，得偶联剂水解液；

其中，所述偶联剂为硅烷偶联剂，所述硅烷偶联剂选自硅烷偶联剂KH-570；

将模数为3.0的硅酸钾粉末和水按照质量比为1：4混合溶解后，得硅酸钾溶液；再向硅酸钾溶液中，加入硅酸钾溶液质量12％的偶联剂水解液，于温度为75℃，搅拌转速为500r/min条件下，加热搅拌反应120min后，出料，得改性硅酸钾水溶液；

产品的制备：

将所得改性硅酸钾水溶液滴加至硅溶胶溶液，以配置模数为7的硅酸钾水溶液；

将所得预处理氧化石墨烯和D50为600nm的片状锌粉按照质量比为1：10混合倒入球磨罐，其中，所述预处理氧化石墨烯的D50为所述片状锌粉D50的0.2倍；于球磨转速为400r/min条件下，球磨混合10min后，出料，得球磨料；

将所得模数为7的硅酸钾水溶液倒入混料机中，随后再加入硅酸钾水溶液质量50％的球磨料，以及硅酸钾水溶液质量6％的预处理海泡石，于超声频率为120kHz，温度为70℃条件下，恒温超声分散120min后，冷却，出料，即得产品。

实施例4

本实施例和实施例1相比，区别在于：海泡石未进行预处理，直接使用，其余条件保持不变。

实施例5

本实施例和实施例1相比，区别在于：在硅酸钾水溶液中，未加入预处理海泡石，其余条件保持不变。

实施例6

本实施例和实施例1相比，区别在于：氧化石墨烯未进行预处理，直接使用，其余条件保持不变。

对比例1

本对比例和实施例1相比，区别在于：预处理氧化石墨烯的D50为锌粉D50的0.3倍，其余条件保持不变。

对比例2

本对比例和实施例1相比，区别在于：其锌粉采用球形或类球形的锌粉颗粒，其余条件保持不变。

对比例3

本对比例和实施例1相比，区别在于：锌粉和预处理氧化石墨烯的质量比为5：1，其余条件保持不变。

对实施例1-6及对比例1-3所得产品进行性能测试，具体测试方法和测试结果如下所述：

按照《GB/T 5210-2006》对漆膜的附着力进行测试；

按照《GB/T 1732-2020》对漆膜耐冲击性能进行测试；

按照《GB/T 1771-2007》对漆膜耐盐雾性能进行测试；

具体测试结果如表1所示：

表1：产品性能测试结果

	附着力/MPa	耐冲击性能/cm	耐盐雾性/h
				实施例1	6.1	60	9210
实施例2	6.2	59	9220
				实施例3	6.2	59	9230
实施例4	6.0	55	9190
				实施例5	5.7	50	9120
实施例6	5.9	56	9180
				对比例1	5.4	46	9050
对比例2	5.2	41	8950
				对比例3	5.1	42	8940

由表1测试结果可知，本发明技术方案可以有效提升水性涂料对基材的粘附力，以及提升漆膜的抗冲击性能，并且使得产品具有相当优异的耐盐雾性能。

上述实施例为本发明较佳的实施方式，但本发明的实施方式并不受上述实施例的限制，其他的任何未背离本发明的精神实质与原理下所作的改变、修饰、替代、组合、简化，均应为等效的置换方式，都包含在本发明的保护范围之内。

Claims (8)

1.一种水性涂料，其特征在于，包括硅酸钾，锌粉，氧化石墨烯以及偶联剂；

所述硅酸钾为模数为5-7的硅酸钾水溶液；

所述锌粉为D50为300-600nm的片状锌粉；

所述氧化石墨烯的D50为所述锌粉D50的0.1-0.2倍；

所述锌粉和所述氧化石墨烯的质量比为8：1-10：1。

2.根据权利要求1所述的一种水性涂料，其特征在于，所述偶联剂为硅烷偶联剂，所述硅烷偶联剂选自硅烷偶联剂KH-550，硅烷偶联剂KH-560，硅烷偶联剂KH-570中的任意一种。

3.根据权利要求1所述的一种水性涂料，其特征在于，所述氧化石墨烯层间嵌入有聚苯乙烯磺酸钠。

4.根据权利要求1所述的一种水性涂料，其特征在于，所述水性涂料中，还包括所述硅酸钾水溶液质量3-6％的海泡石。

5.一种如权利要求1-4任一项所述的水性涂料的制备方法，其特征在于，具体制备步骤包括：

先将偶联剂加入水中，并向水中加入氨水，加热水解反应，得偶联剂水解液；

将模数为2.5-3.0的硅酸钾粉末溶解于水中后，再加入所得偶联剂水解液，得改性硅酸钾水溶液；

再将改性硅酸钾水溶液滴加至硅溶胶溶液中，以得到模数为5-7的硅酸钾水溶液；

将氧化石墨烯和锌粉球磨混合后，倒入硅酸钾水溶液中，超声分散均匀，出料，即得水性涂料产品。

6.根据权利要求5所述的一种水性涂料的制备方法，其特征在于，所述氧化石墨烯为预处理氧化石墨烯；

所述预处理氧化石墨烯的制备步骤包括：

将氧化石墨烯和聚苯乙烯磺酸钠在水中超声分散后，抽滤，干燥，即可。

7.根据权利要求5所述的一种水性涂料的制备方法，其特征在于，所述具体制备步骤还包括：

在所述超声分散均匀之前，向所述硅酸钾水溶液中，加入海泡石。

8.根据权利要求7所述的一种水性涂料的制备方法，其特征在于，所述海泡石为预处理海泡石；

所述预处理海泡石的制备步骤包括：

将海泡石和盐酸溶液水热反应后，过滤，洗涤，干燥，焙烧，即可。