CN115678375A - 一种含有氧化石墨烯的环保涂料制备方法 - Google Patents
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Abstract
本发明公开一种含有氧化石墨烯的环保涂料制备方法,包括以下步骤:S1、将氧化石墨烯和KH550分别使用去离子水分散,其中KH550水解形成的‑OH连接于氧化石墨烯的羟基和羧基,清洗,干燥得表面枝接有链结构的‑NH2;S2、将枝接有‑NH2的氧化石墨烯超声分散于环氧树脂;S3、将经过S2的氧化石墨烯和环氧树脂加入到溶解有乳化剂的去离子水中,高速搅拌形成交联剂乳液;S4、调节交联剂乳液为碱性;S5、喷涂前,将羧基丙烯酸酯加入至交联剂乳液中高速搅拌获得涂料乳液;本发明利用氧化石墨烯提供片状平面连接丙烯酸酯分子链,形成空间范围内体交联,提高成膜的致密性;本发明所得涂料乳液兼顾粘度和成膜后力学性能。
Description
技术领域
本发明涉及水性环保涂料技术领域,特别是涉及一种含有氧化石墨烯的环保涂料制备方法。
背景技术
丙烯酸树脂涂料由于其自身的结构特点具有良好的耐候性,因此常作为户外涂料使用。常用的丙烯酸树脂涂料固化形成漆膜除丙烯酸树脂自身的长链分子还需要配合交联剂参与的固化,才能形成耐磨性和层间附着稳定的漆膜。
CN106560494发明专利制备的户外水性木器涂料用羟基丙烯酸乳液提高交联程度高,利用羟基丙烯酸乳液的配合提升交联程度,提升涂膜综合性能。但是上述羟基丙烯酸乳液中单体组成多,其交联程度的改善有限。
发明内容
本发明的目的在于提供一种含有氧化石墨烯的环保涂料制备方法,本发明利用氧化石墨烯提供片状的平面连接丙烯酸酯分子链,氧化石墨烯参与形成空间范围内体交联,提高成膜的致密性。
为解决此技术问题,本发明的技术方案是:一种含有氧化石墨烯的环保涂料制备方法,所述环保涂料为羧基丙烯酸酯-环氧树脂乳液体系,制备方法包括以下步骤:
S1、将氧化石墨烯和KH550分别使用去离子水分散,其中KH550水解形成的-OH连接于氧化石墨烯的羟基和羧基,清洗,干燥得表面枝接有链结构的-NH2;
S2、将枝接有-NH2的氧化石墨烯超声分散于环氧树脂;
S3、将经过S2的氧化石墨烯和环氧树脂加入到溶解有乳化剂的去离子水中,高速搅拌形成交联剂乳液;
S4、调节交联剂乳液为碱性;
S5、喷涂前,将羧基丙烯酸酯加入至交联剂乳液中高速搅拌获得涂料乳液。
优选喷涂S5制得的涂料乳液,加热固化,固化温度为150℃至160℃。本发明乳液的固化机理是羧基丙烯酸酯中的羧基与环氧树脂的环氧基在碱性催化以及比较高的固化温度下开环,通过电荷耦合加成形成化学键连接形成线性结构;在交联的过程中,本发明所得的膜层交联的层次丰富,分别包括以下过程:由于电荷加成后原本羧酸丙烯酸树脂羧基上的氢原子加成到环氧基的第二个C原子,在交联后的侧链上形成了一个羟基,此时该羟基的形成配合分散在树脂分子之间的氧化石墨烯上的羟基或者羧基进行一步通过氢键或者是缩水加强膜层间的分子连接,尤其是空间范围内多条长链分子多点的连接于处于其周围的某一片状结构的氧化石墨烯;
交联剂还包括连接于氧化石墨烯的氨基,进一步促进了交联后丙烯酸树脂与氧化石墨烯的连接;
而氧化石墨烯其片状结构的存在使得成膜的丙烯酸树脂和环氧树脂呈现空间范围内的致密的多点交联,即多条丙烯酸树脂分子通过环氧树脂化学键连接于片状石墨烯,紧凑的空间结构抑制了丙烯酸树脂主链上σ键的内旋,从而抑制成膜分子的蠕动,保证分子间的相对位置稳定,从而获得稳定的膜层结构。
优选加热固化的过程中,环氧树脂的环氧基在碱性环境下开环分别连接于氧化石墨烯和丙烯酸树脂的羧基。
优选环氧树脂的环氧基开环后连接于氧化石墨烯的-NH2、-OH和-COOH中的至少一个。本发明利用氧化石墨烯表面丰富的基团,构建多点连接同一片状结构的立体空间,将线性交联集中在片状的氧化石墨烯形成类似体交联的空间结构。
优选环氧树脂与羧酸丙烯酸酯加热固化交联的过程中,多条羧基丙烯酸酯的链结构通过其侧链连接于片状氧化石墨烯。
优选环氧树脂为双酚A型环氧树脂。本发明优选环氧基结构对称的环氧树脂,促进空间连接结构的有效形成。
优选所述涂料乳液按照质量份数包括以下物质:
羧基丙烯酸酯 20份至40份;
环氧树脂 5份至12份;
乳化剂 2.5份至3.5份;
枝接有-NH2的氧化石墨烯 3份至5份;
去离子水 30至45份。
本发明在形成涂料乳液过程中,由于氧化石墨烯具有良好的水分散性,在形成乳液后,枝接有氨基的氧化石墨烯也部分分散至水相中,利用自身形成空间位阻,促进所得涂料乳液的均匀分散。
优选所述乳液涂料体系的pH值为8.0至8.7。
优选S1中氧化石墨烯和KH550的质量比为(0.1-0.2):1。本发明枝接氨基充分。
通过采用上述技术方案,本发明的有益效果是:
本发明利用枝接有氨基的氧化石墨烯配合在固化过程中作为交联剂的环氧树脂中环氧基的开环,在与丙烯酸树脂的羧基形成交联的同时,与片状的氧化石墨烯形成化学键连接,该过程中,将丙烯酸树脂高分子通过环氧树脂连接在了氧化石墨烯,由于氧化石墨烯是片状结果的而丙烯酸树脂和环氧树脂均为链结构,通过上述交联过程形成排列紧密的体式交联,获得致密的、机械性能好的膜层。
具体实施方式
为了进一步解释本发明的技术方案,下面通过具体实施例来对本发明进行详细阐述。
实施例1
本实施例公开一种含有氧化石墨烯的环保涂料制备方法,所述环保涂料为羧基丙烯酸酯-环氧树脂乳液体系,制备方法包括以下步骤:
S1、将氧化石墨烯和KH550分别使用去离子水分散,其中KH550水解形成的-OH连接于氧化石墨烯的羟基和羧基,清洗,干燥得表面枝接有链结构的-NH2;
氧化石墨烯和KH550的质量比为0.1:1。本发明枝接氨基充分。
S2、将枝接有-NH2的氧化石墨烯(GO-NH2)超声分散于环氧树脂;
S3、将经过S2的氧化石墨烯和环氧树脂加入到溶解有乳化剂的去离子水中,高速搅拌形成交联剂乳液;
S4、调节交联剂乳液为碱性;
S5、喷涂前,将羧基丙烯酸酯加入至交联剂乳液中高速搅拌获得涂料乳液。
本实施例所得涂料乳液按照质量份数如表1所示;
使用碱性物质如氢氧化钠调节所述乳液涂料体系的pH值为8.7。
本实施例中双酚A型环氧树脂为E-44。
本实施例中羧基丙烯酸树脂的单体组成为甲基丙烯酸甲酯、丙烯酸丁酯和苯乙烯,三者的质量比为1:1:0.6;
将甲基丙烯酸甲酯、丙烯酸丁酯和苯乙烯均匀混合液滴加到反应釜中,同时滴加引发剂水溶液,引发剂过硫酸铵和亚硫酸氢钠,将两者分别溶于水中,滴加时间为1小时,聚合反应温度控制在75°上下,制得羧基丙烯酸树脂。
优选喷涂S5制得的涂料乳液在铝合金板材表面,加热固化,固化温度为150℃,固化时间1h。
实施例2
本实施例公开一种含有氧化石墨烯的环保涂料制备方法,所述环保涂料为羧基丙烯酸酯-环氧树脂乳液体系,制备方法包括以下步骤:
S1、将氧化石墨烯和KH550分别使用去离子水分散,其中KH550水解形成的-OH连接于氧化石墨烯的羟基和羧基,清洗,干燥得表面枝接有链结构的-NH2;
氧化石墨烯和KH550的质量比为0.2:1。本发明枝接氨基充分。
S2、将枝接有-NH2的氧化石墨烯(GO-NH2)超声分散于环氧树脂;
S3、将经过S2的氧化石墨烯和环氧树脂加入到溶解有乳化剂的去离子水中,高速搅拌形成交联剂乳液;
S4、调节交联剂乳液为碱性;
S5、喷涂前,将羧基丙烯酸酯加入至交联剂乳液中高速搅拌获得涂料乳液。
本实施例所得涂料乳液按照质量份数如表1所示;
使用碱性物质如氢氧化钠调节所述乳液涂料体系的pH值为8.3。
本实施例中双酚A型环氧树脂为E-44。
本实施例中羧基丙烯酸树脂的单体组成为甲基丙烯酸甲酯、丙烯酸丁酯和苯乙烯,三者的质量比为1:1:0.6;
将甲基丙烯酸甲酯、丙烯酸丁酯和苯乙烯均匀混合液滴加到反应釜中,同时滴加引发剂水溶液,引发剂过硫酸铵和亚硫酸氢钠,将两者分别溶于水中,滴加时间为1小时,聚合反应温度控制在75°上下,制得羧基丙烯酸树脂。
优选喷涂S5制得的涂料乳液在铝合金板材表面,加热固化,固化温度为160℃,固化时间1h。
实施例3
本实施例公开一种含有氧化石墨烯的环保涂料制备方法,所述环保涂料为羧基丙烯酸酯-环氧树脂乳液体系,制备方法包括以下步骤:
S1、将氧化石墨烯和KH550分别使用去离子水分散,其中KH550水解形成的-OH连接于氧化石墨烯的羟基和羧基,清洗,干燥得表面枝接有链结构的-NH2;
氧化石墨烯和KH550的质量比为0.15:1。本发明枝接氨基充分。
S2、将枝接有-NH2的氧化石墨烯(GO-NH2)超声分散于环氧树脂;
S3、将经过S2的氧化石墨烯和环氧树脂加入到溶解有乳化剂的去离子水中,高速搅拌形成交联剂乳液;
S4、调节交联剂乳液为碱性;
S5、喷涂前,将羧基丙烯酸酯加入至交联剂乳液中高速搅拌获得涂料乳液。
本实施例所得涂料乳液按照质量份数如表1所示;
使用碱性物质如氢氧化钠调节所述乳液涂料体系的pH值为8.0。
本实施例中双酚A型环氧树脂为E-44。
本实施例中羧基丙烯酸树脂的单体组成为甲基丙烯酸甲酯、丙烯酸丁酯和苯乙烯,三者的质量比为1:1:0.6;
将甲基丙烯酸甲酯、丙烯酸丁酯和苯乙烯均匀混合液滴加到反应釜中,同时滴加引发剂水溶液,引发剂过硫酸铵和亚硫酸氢钠,将两者分别溶于水中,滴加时间为1小时,聚合反应温度控制在75°上下,制得羧基丙烯酸树脂。
优选喷涂S5制得的涂料乳液在铝合金板材表面,加热固化,固化温度为150℃,固化时间1h。
实施例4
本实施例公开一种含有氧化石墨烯的环保涂料制备方法,所述环保涂料为羧基丙烯酸酯-环氧树脂乳液体系,制备方法包括以下步骤:
S1、将氧化石墨烯和KH550分别使用去离子水分散,其中KH550水解形成的-OH连接于氧化石墨烯的羟基和羧基,清洗,干燥得表面枝接有链结构的-NH2;
氧化石墨烯和KH550的质量比为0.1:1。本发明枝接氨基充分。
S2、将枝接有-NH2的氧化石墨烯(GO-NH2)超声分散于环氧树脂;
S3、将经过S2的氧化石墨烯和环氧树脂加入到溶解有乳化剂的去离子水中,高速搅拌形成交联剂乳液;
S4、调节交联剂乳液为碱性;
S5、喷涂前,将羧基丙烯酸酯加入至交联剂乳液中高速搅拌获得涂料乳液。
本实施例所得涂料乳液按照质量份数如表1所示;
使用碱性物质如氢氧化钠调节所述乳液涂料体系的pH值为8.5。
本实施例中双酚A型环氧树脂为E-44。
本实施例中羧基丙烯酸树脂的单体组成为甲基丙烯酸甲酯、丙烯酸丁酯和苯乙烯,三者的质量比为1:1:0.6;
将甲基丙烯酸甲酯、丙烯酸丁酯和苯乙烯均匀混合液滴加到反应釜中,同时滴加引发剂水溶液,引发剂过硫酸铵和亚硫酸氢钠,将两者分别溶于水中,滴加时间为1小时,聚合反应温度控制在75°上下,制得羧基丙烯酸树脂。
优选喷涂S5制得的涂料乳液在铝合金板材表面,加热固化,固化温度为160℃,固化时间1h。
对比例1
本对比例公开一种环保涂料制备方法,所述环保涂料为羧基丙烯酸酯-环氧树脂乳液体系,制备方法包括以下步骤:
S1、将环氧树脂加入到溶解有乳化剂的去离子水中,高速搅拌形成交联剂乳液;
S2、喷涂前,将羧基丙烯酸酯加入至交联剂乳液中高速搅拌获得涂料乳液。
本实施例所得涂料乳液按照质量份数如表1所示;
使用碱性物质如氢氧化钠调节所述乳液涂料体系的pH值为8.5。
本实施例中双酚A型环氧树脂为E-44。
本实施例中羧基丙烯酸树脂的单体组成为甲基丙烯酸甲酯、丙烯酸丁酯和苯乙烯,三者的质量比为1:1:0.6;
将甲基丙烯酸甲酯、丙烯酸丁酯和苯乙烯均匀混合液滴加到反应釜中,同时滴加引发剂水溶液,引发剂过硫酸铵和亚硫酸氢钠,将两者分别溶于水中,滴加时间为1小时,聚合反应温度控制在75°上下,制得羧基丙烯酸树脂。
喷涂S2制得的涂料乳液在铝合金板材表面,加热固化,固化温度为160℃,固化时间1h。
对比例2
本对比例公开一种环保涂料制备方法,所述环保涂料为将环氧树脂在丙烯酸树脂单体聚合的过程中枝接,形成羧基丙烯酸酯-环氧树脂乳液体系,具体的物质用量如表1所示。
本例中羧基丙烯酸树脂的单体组成为甲基丙烯酸甲酯、丙烯酸丁酯和苯乙烯,三者的质量比为1:1:0.6;
将甲基丙烯酸甲酯、丙烯酸丁酯和苯乙烯均匀混合液滴加到反应釜中,同时滴加引发剂水溶液,引发剂过硫酸铵和亚硫酸氢钠,将两者分别溶于水中,滴加时间为1小时,聚合反应温度控制在75°上下,制得羧基丙烯酸树脂。
在制备羟基丙烯酸树脂的过程中向反应体系中加入环氧树脂E-44,制得羧基丙烯酸酯-环氧树脂;将其加入至乳化剂的水溶液高速搅拌形成涂料乳液;
喷涂S2制得的涂料乳液在铝合金板材表面,加热固化,固化温度为160℃,固化时间1h。
组份 | 实施例1 | 实施例2 | 实施例3 | 实施例4 | 对比例1 | 对比例2 |
羧基丙烯酸酯 | 20 | 27 | 33 | 40 | 33 | 33 |
E-44 | 5 | 8 | 12 | 12 | 12 | 12 |
乳化剂 | 2.5 | 3.0 | 3.5 | 3.5 | 3.5 | 3.5 |
GO-NH<sub>2</sub> | 3.2 | 3.8 | 4.6 | 5.0 | / | / |
去离子水 | 30 | 40 | 40 | 45 | 40 | 40 |
实施例1至4以及对比例所得的的乳液涂料和漆膜膜层分别性能测试,具体测试数据详见表2和表3所示。
表2实施例1至4以及对比例1和2所得乳液涂料性能
粘度的测试条件为:将实施例1至4以及对比例1和2所得乳液稀释至固体含量为20%,测试室温下60rpm的粘度。
表3 实施例1至4以及对比例1和2所得膜层的力学性能
项目 | 硬度 | 柔韧性 | 附着力等级 |
参考标准 | GB/T 6739-2006 | GB/T1731-1993 | GB/T 9286-1998 |
实施例1 | 3H | 3 | 2 |
实施例2 | 3H | 4 | 2 |
实施例3 | 3H | 5 | 2 |
实施例4 | 3H | 5 | 2 |
对比例1 | H | 1.5 | 2 |
对比例2 | H | 1.5 | 2 |
本发明引入氧化石墨烯配合环氧树脂与羧基丙烯酸酯在线交联的反应条件下形成体式交联的空间结构,且本发明的交联是发生在固化过程中,涂料乳液状态下,氧化石墨烯由于其自身的亲水性,搅拌的过程中分散于环氧树脂的部分进入至水相中,氧化石墨烯表面带有多种基团,空间位阻作用明显,所得乳液具有良好的储存稳定性,结合表1中的组分和表2的粘度以及存储性能可知,本发明所得的涂料乳液粘度适宜,不易分层。喷涂后加热固化,环氧树脂的环氧基在碱性环境下开环分别连接于氧化石墨烯和丙烯酸树脂的羧基。环氧树脂的环氧基开环后连接于氧化石墨烯的-NH2、-OH和-COOH中的至少一个。本发明利用氧化石墨烯表面丰富的基团,构建多点连接同一片状结构的立体空间,将线性交联集中在片状的氧化石墨烯形成类似体交联的空间结构,因此结合表1和表3可知,本发明制得的膜层其力学性能明显优于对比例1和对比例2所得膜层。环氧树脂与羧酸丙烯酸酯加热固化交联的过程中,多条羧基丙烯酸酯的链结构通过其侧链连接于片状氧化石墨烯。环氧树脂为双酚A型环氧树脂。本发明优选环氧基结构对称的环氧树脂,促进空间连接结构的有效形成。
本发明利用枝接有氨基的氧化石墨烯配合在固化过程中作为交联剂的环氧树脂中环氧基的开环,在与丙烯酸树脂的羧基形成交联的同时,与片状的氧化石墨烯形成化学键连接,该过程中,将丙烯酸树脂高分子通过环氧树脂连接在了氧化石墨烯,由于氧化石墨烯是片状结构的而丙烯酸树脂和环氧树脂均为链结构,通过上述交联过程形成排列紧密的体式交联,获得致密的、机械性能好的膜层。另一方面氧化石墨烯其片状结构的存在使得成膜的丙烯酸树脂和环氧树脂呈现空间范围内的致密的多点交联,即多条丙烯酸树脂分子通过环氧树脂化学键连接于片状的氧化石墨烯,紧凑的空间结构抑制了丙烯酸树脂主链上σ键的内旋,从而抑制成膜分子的蠕动,保证分子间的相对位置稳定,从而获得稳定的膜层结构。
Claims (9)
1.一种含有氧化石墨烯的环保涂料制备方法,其特征在于:所述环保涂料为羧基丙烯酸酯-环氧树脂乳液体系,制备方法包括以下步骤:
S1、将氧化石墨烯和KH550分别使用去离子水分散,其中KH550水解形成的-OH连接于氧化石墨烯的羟基和羧基,清洗,干燥得表面枝接有链结构的-NH2;
S2、将枝接有-NH2的氧化石墨烯超声分散于环氧树脂;
S3、将经过S2的氧化石墨烯和环氧树脂加入到溶解有乳化剂的去离子水中,高速搅拌形成交联剂乳液;
S4、调节交联剂乳液为碱性;
S5、喷涂前,将羧基丙烯酸酯加入至交联剂乳液中高速搅拌获得涂料乳液。
2.如权利要求1所述的制备方法,其特征在于:喷涂S5制得的涂料乳液,加热固化,固化温度为150℃至160℃。
3.如权利要求2所述的料制备方法,其特征在于:加热固化的过程中,环氧树脂的环氧基在碱性环境下开环分别连接于氧化石墨烯和丙烯酸树脂的羧基。
4.如权利要求3所述的制备方法,其特征在于:环氧树脂的环氧基开环后连接于氧化石墨烯的-NH2、-OH和-COOH中的至少一个。
5.如权利要求3所述的制备方法,其特征在于:环氧树脂与羧酸丙烯酸酯加热固化交联的过程中,多条羧基丙烯酸酯的链结构通过其侧链连接于片状氧化石墨烯。
6.如权利要求3所述的制备方法,其特征在于:环氧树脂为双酚A型环氧树脂。
7.如权利要求1所述的制备方法,其特征在于:所述涂料乳液按照质量份数包括以下物质:
羧基丙烯酸酯 20份至40份;
环氧树脂 5份至12份;
乳化剂 2.5份至3.5份;
枝接有-NH2的氧化石墨烯 3份至5份;
去离子水 30至45份。
8.如权利要求1所述的制备方法,其特征在于:所述乳液涂料体系的pH值为8.0至8.7。
9.如权利要求1所述的制备方法,其特征在于:S1中氧化石墨烯和KH550的质量比为(0.1-0.2):1。
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