CN115710456A - 一种水性功能涂料及其制备方法 - Google Patents

Abstract

本申请涉及水性涂料领域，尤其涉及一种水性功能涂料及其制备方法。其中水性面漆包括以下各重量份的成分：a、90～100份丙烯酸聚氨酯；b、1～3份经极性改性剂改性后的二氧化硅气凝胶微球；c、1～3份埃洛石纳米管；d、面漆助剂。本申请所得水性面漆在配合水性底漆使用后形成的水性功能涂料，其可以有效起到长效防腐、隔热和减振降噪的作用。

Description

一种水性功能涂料及其制备方法

技术领域

本申请涉及水性涂料领域，尤其涉及一种水性功能涂料及其制备方法。

背景技术

金属材料或运输工具，如船舶、车辆等装备在服役中会受到环境的腐蚀作用，涂层防护是该类材料或装备表面最主要的防腐手段，是防腐措施中最有效、最经济、应用最普遍、最易被工程设计者和用户共同认可的措施。通过在材料或装备表面涂覆有机涂料，可以隔绝水分及氧气等腐蚀性介质的渗入，降低其腐蚀速率。有机涂料又分为油性涂料和水性涂料，传统的油性涂料含有大量挥发性的有机化合物(VOC)，对人体有毒害、对环境也会造成严重的污染，采用无毒无味低碳环保的水性涂料替代油性涂料是目前有机涂料研究的重要方向。

现有水性涂料在使用过程中，部分水性涂料并不能达到令人满意的防腐性能，尤其是在长时间使用后的防腐性能(低频阻抗模值)保持情况并不能令人满意，从而导致如船舶在需要长时间航行或动车需要长时间行驶以及减少涂料涂覆频次方面并不具有优势。

另外，对于一些材料或装备而言，除了具有必要的耐腐蚀性能，还需要在特定条件下的隔热和减振降噪等性能。因此，本领域亟需开发一种具有多功能的水性涂料，以满足复杂现实环境中对装备的要求。

发明内容

本申请的目的在于提供一种水性功能涂料及其制备方法，本申请所得水性功能涂料中的水性面漆在配合水性底漆使用后即可形成本申请所述的水性功能涂料，其可以有效起到隔热、减振及长效防腐多种作用，尤其是在室温下固化后，200微米厚可以达到2W/(m·K)以下的导热系数和0.3以上的损耗因子，在3.5％的NaCl溶液中浸泡49d的低频阻抗模值可以达到9×10⁷Ω·cm²以上，浸泡70d后，低频阻抗模值可以达到1.4×10⁸Ω·cm²以上。

本申请所提供的第一种方案为：一种水性功能涂料，包括水性底漆和水性面漆，所述水性面漆包括以下各重量份的成分：

a、90～100份丙烯酸聚氨酯；

b、1～3份经极性改性剂改性后的二氧化硅气凝胶微球；

c、1～3份埃洛石纳米管；

d、面漆助剂。

可选的，所述成分b是通过以下制备方式获取得到：所述成分b是通过以下制备方式获取得到：将1～3重量份的二氧化硅气凝胶微球配置成二氧化硅气凝胶微球-乙醇溶液，调节pH为1～3，加入10～20重量份的极性改性剂，90～95℃搅拌6～12h，清洗并真空干燥10～12h即得成分b。

可选的，所述极性改性剂为脲醛、酚醛、γ-氨丙基三乙氧基硅烷、γ-(2,3-环氧丙氧)丙基三甲氧基硅烷中的任意一种。

可选的，所述埃洛石纳米管的长度为1.0～1.5微米，孔径为0.8～1.0纳米。

可选的，所述二氧化硅气凝胶微球的直径为20～25纳米。

可选的，所述水性底漆包括90～100重量份的环氧树脂和底漆助剂。

可选的，所述面漆助剂至少包括20～25重量份固化剂、25～30重量份稀释剂；和/或所述底漆助剂至少包括20～25重量份固化剂、25～30重量份稀释剂。

可选的，所述面漆助剂还包括2～4重量份消泡剂、2～3重量份分散剂、3～4重量份流平剂；和/或所述底漆助剂还包括2～4重量份消泡剂、2～3重量份分散剂、3～4重量份流平剂。

可选的，所述固化剂为水性固化剂；或所述稀释剂为水；或所述消泡剂包括有机硅型消泡剂、聚醚型消泡剂、聚醚有机硅复配消泡剂和硅醚共聚类消泡剂的一种或几种；或所述分散剂包括阴离子型分散剂、阳离子型分散剂、非离子型分散剂和两性型分散剂中的一种或几种；或所述流平剂包括有机硅流平剂、氟碳化合物类流平剂和丙烯酸流平剂中的一种或几种。

本申请还提供第二种方案，即前述所述的水性功能涂料的制备方法，所述水性面漆的制备包括以下步骤：

S1、将成分b和c放入成分a中，充分搅拌均匀后得到混合物1；

S2、将面漆助剂混合并搅拌均匀后得到混合物2；

S3、将混合物2加入到混合物1内，充分搅拌均匀后得到水性面漆。

本申请所得水性面漆在配合水性底漆使用后形成的水性涂料，其可以有效起到隔热、减振及长效防腐的作用，尤其是在室温下固化后，200微米厚可以达到2W/(m·K)以下的导热系数和0.3以上的损耗因子，在3.5％的NaCl溶液中浸泡49d的低频阻抗模值可以达到9×10⁷Ω·cm²以上，浸泡70d后，低频阻抗模值可以达到1.4×10⁸Ω·cm²以上。

附图说明

图1是经本申请改性后的二氧化硅气凝胶微球和埃洛石纳米管的结构分析对比图；

图2是未加入二氧化硅气凝胶和埃洛石纳米管的水性涂料(空白)、加入本申请改性后二氧化硅气凝胶的水性涂料(SiO₂)、加入本申请改性后二氧化硅气凝胶和埃洛石纳米管的水性涂料(HNTs)的电化学阻抗性能对比图；

图3是未加入二氧化硅气凝胶和埃洛石纳米管的水性涂料(空白)、加入本申请改性后二氧化硅气凝胶的水性涂料(SiO₂)、加入本申请改性后二氧化硅气凝胶和埃洛石纳米管的水性涂料(HNTs)的接触角性能对比图；

图4是未加入二氧化硅气凝胶和埃洛石纳米管的水性涂料(空白)、加入本申请改性后二氧化硅气凝胶的水性涂料(SiO₂)、加入本申请改性后二氧化硅气凝胶和埃洛石纳米管的水性涂料(HNTs)的耐盐雾性能对比图；

图5是未加入二氧化硅气凝胶和埃洛石纳米管的水性涂料(空白)、加入本申请改性后二氧化硅气凝胶的水性涂料(SiO₂)、加入本申请改性后二氧化硅气凝胶和埃洛石纳米管的水性涂料(HNTs)的附着力性能对比图。

图6是本申请实施例1、2、3、未加入二氧化硅气凝胶和埃洛石纳米管的水性涂料(空白)、实施例1的水性底漆以及无涂层的减振降噪性能对比图。

具体实施方式

为使本申请实施例的目的、技术方案和优点更加清楚，下面将结合本申请实施例，对本申请实施例中的技术方案进行清楚、完整地描述，显然，所描述的实施例是本申请一部分实施例，而不是全部的实施例。通常在此处描述和示出的本申请实施例的组件可以以各种不同的配置来布置和设计。

以下是对本申请方案的详细举例说明：

填料改性是提升涂层防腐性能的最有效手段，通过在涂层中加入纳米填料，可以起到一定的阻隔腐蚀性离子扩散的作用，同时加入的功能化填料可以赋予涂层更多的功能，气凝胶是指具有纳米多孔网络结构且在网络骨架中充满大量气态分散介质的轻质纳米固态材料。得益于其结构的特殊性，气凝胶材料具有广泛的用途，其中二氧化硅气凝胶材料便是基于气凝胶技术对SiO₂应用的探索成果，相较于其他气凝胶材料，二氧化硅气凝胶原材料来源丰富，工艺简单，可控性好，具有较高的孔隙率和较低的尺寸，可以反射和折射声波，表现出优异的减振、隔热以及高比表面积等特性。然而其表面具有较强的疏水性且易于团聚，在水性涂料体系中分散性和稳定性较差，现有常利用表面活性剂在其表面接枝极性基团从而对其进行改性，以期可以提高二氧化硅气凝胶的亲水性和涂层的相容性，但目前的改性材料和改性方法所获得的二氧化硅气凝胶在应用于水性涂料领域中，所获得的水性涂料并不能获得较好的减振、隔热及防腐效果，即使通过现有改性方式后，所得水性涂料中二氧化硅气凝胶也不够稳定，所得水性涂料在长效防腐性能的提升上也不明显。

埃洛石纳米管(HNTs)是一种硅铝酸盐矿物和新型的无机材料，具有独特的中空纳米管状结构和较高的比表面积，同时具有丰富、价廉、热稳定性强等优点，在能源、催化和纳米反应器等许多领域取得了广泛的应用，埃洛石纳米管表面含有大量的羟基和硅氧基，在环氧树脂等极性聚合物中具有较好的分散性，将埃洛石纳米管和二氧化硅气凝胶共同加入水性涂料中，埃洛石纳米管和二氧化硅气凝胶会形成复合结构，埃洛石纳米管会进一步提升二氧化硅气凝胶的分散性和结构稳定性，从而显著提升了涂层的长效防腐性能。除此之外，埃洛石纳米管的中空结构和较高的比表面积进一步延长了声波和热传导的路径，从而使涂层同时具有优异的隔热和阻尼减振性能。

为此，本申请提供的水性功能涂料包括水性底漆和水性面漆，其中水性面漆主要包括以下各重量份的成分：

a、90～100份丙烯酸聚氨酯；

b、1～3份经极性改性剂改性后的二氧化硅气凝胶微球；

c、1～3份埃洛石纳米管；

d、面漆助剂。

上述组分b可通过以下制备方式获取得到：将1～3重量份的二氧化硅气凝胶微球配置成二氧化硅气凝胶微球-乙醇溶液，调节pH为1～3，加入10～20重量份的极性改性剂，90～95℃搅拌6～12h，清洗并真空干燥10～12h即得组分b。所述极性改性剂为脲醛、酚醛、γ-氨丙基三乙氧基硅烷、γ-(2,3-环氧丙氧)丙基三甲氧基硅烷中的任意一种；

本申请所得的水性面漆也可通过以下制备方式获取得到：

S1、将成分b和成分c放入成分a中，充分搅拌均匀后得到混合物1；

S2、将面漆助剂混合并搅拌均匀后得到混合物2；

S3、将混合物2加入到混合物1内，充分搅拌均匀后得到水性面漆。

将上述制备得到的水性面漆，可将其与现有常规的水性底漆共同涂覆于材料表面，待自然风干后即可在材料表面形成一层保护性涂层，起到隔热、阻尼减振和防腐的作用；对于本申请而言，本申请还可采用以下含底漆的水性涂料：包括前述本申请提供的水性面漆和水性底漆，所述水性底漆包括90～100重量份的环氧树脂和底漆助剂。

在本申请中，不论是在水性面漆亦或是水性底漆中，均可含有助剂，分别为面漆助剂、底漆助剂。助剂可为固化剂，同时还可含有稀释剂。更进一步的，可优选含有消泡剂、分散剂、流平剂。其中，所述固化剂为水性固化剂；所述稀释剂为水；所述消泡剂包括有机硅型消泡剂、聚醚型消泡剂、聚醚有机硅复配消泡剂和硅醚共聚类消泡剂的一种或几种；所述分散剂包括阴离子型分散剂、阳离子型分散剂、非离子型分散剂和两性型分散剂中的一种或几种；所述流平剂包括有机硅流平剂、氟碳化合物类流平剂和丙烯酸流平剂中的一种或几种。更优选的，不论是在水性面漆亦或是水性底漆中，固化剂的重量份数可优选20～25份，稀释剂的重量份数可优选25～30份，消泡剂的重量份数可优选2～3份，分散剂的重量份数可优选1～2份，流平剂的重量份数可优选3～4份。

上述制备方法中，所采用的基础原料来源均可以通过市售购买的方式获取。

为更好的说明本申请所得水性涂料在隔热、减振和防腐方面所具备的优势，下面将以三种实验组：未加入填料(空白)的水性涂料、加入二氧化硅气凝胶的水性涂料、加入二氧化硅气凝胶和埃洛石纳米管的水性涂料分别验证其结构特征及性能效果，具体的制备方式除加入的二氧化硅气凝胶和埃洛石纳米管不同外，其余步骤参考前述制备方法，包括水性底漆和水性面漆，所采用的各材料组分、结构特征、工艺参数等均参考以下说明。

水性底漆：

将Y1重量份底漆固化剂加入Z1重量份稀释剂中，充分搅拌混合均匀后获得混合物1；将其他助剂(例如2～3重量份消泡剂、1～2重量份分散剂、3～4重量份流平剂)加入混合物1中，搅拌均匀后获得混合物2；将X1重量份水性环氧树脂加入混合物2中，充分搅拌均匀并超声30～35min后获得水性底漆。

水性面漆：

将L重量份二氧化硅气凝胶微球配置成二氧化硅气凝胶微球-乙醇溶液，调节pH为1～3，加入S重量份极性改性剂，90～95℃搅拌6～12h，清洗并真空干燥10～12h即得经极性改性剂改性后的二氧化硅气凝胶微球；所述极性改性剂可选脲醛、酚醛、γ-氨丙基三乙氧基硅烷、γ-(2,3-环氧丙氧)丙基三甲氧基硅烷中的任意一种

将N重量份埃洛石纳米管和M重量份经极性改性剂改性后的二氧化硅气凝胶微球加入X2重量份丙烯酸聚氨酯中，搅拌混合均匀后获得混合物1；将Y2重量份面漆固化剂加入Z2重量份稀释剂中，充分搅拌混合均匀后获得混合物2；将其他助剂(例如2～3重量份消泡剂、1～2重量份分散剂、3～4重量份流平剂)加入混合物2中，搅拌均匀后获得混合物3；将混合物3加入混合物1中，搅拌均匀后获得水性面漆。

上述制备方法中，所述固化剂为水性聚氨酯固化剂；所述稀释剂为水；所述消泡剂包括有机硅型消泡剂、聚醚型消泡剂、聚醚有机硅复配消泡剂和硅醚共聚类消泡剂的一种或几种；所述分散剂包括阴离子型分散剂、阳离子型分散剂、非离子型分散剂和两性型分散剂中的一种或几种；所述流平剂包括有机硅流平剂、氟碳化合物类流平剂和丙烯酸流平剂中的一种或几种。

复合组的水性涂料的制备方法如上所述；二氧化硅气凝胶组的水性涂料的制备方法除不加入埃洛石纳米管外，其余步骤、参数不变；空白组的水性涂料的制备方法除不加入二氧化硅气凝胶和埃洛石纳米管外，其余步骤、参数不变。

采用不同X1、Y1、Z1、L、S、M、N、X2、Y2、Z2的数值，制备不同实施例的水性涂料，根据上述制备方法制备得到的多项实施例所采用的具体数据参数如下表所示：

实施例	X1	Y1	Z1	L	S	M	N	X2	Y2	Z2
											1	100	20	25	1	15	1	1	100	20	25
2	100	20	25	1	20	1	1	100	20	25
											3	100	20	30	1	20	1	1	100	20	30
4	95	20	30	1	20	1	1	95	20	30
											5	100	20	25	2	10	2	2	100	20	25
6	90	25	30	2	15	2	2	90	25	30
											7	90	25	25	3	20	3	3	90	25	25
8	95	25	30	3	20	3	3	95	25	30
											9	100	25	25	3	20	3	3	100	25	25
10	100	25	30	3	10	3	3	100	25	30

将上述制备得到的各项实施例的水性底漆先涂覆于材料表面，待底层涂料晾干后，在涂覆各实施例的水性面漆并晾干；空白组则采用其中实施例1的参数，但不添加二氧化硅气凝胶和埃洛石纳米管，即空白实施例；二氧化硅气凝胶组同样采用实施例1的参数，但不添加埃洛石纳米管，即气凝胶实施例；三者的涂覆厚度均相同，总厚度200微米，底漆厚度100微米，面漆厚度100微米。各实施例分别进行检测可知本申请制备方法得到的水性涂料的优势，具体检测的指标有电化学阻抗性能、接触角性能、耐盐雾性能、附着力性能、减振降噪性能；每种检测指标的对比图可具体参考图2～图6。具体每种检测指标的检测方式及对应附图如下：

结构分析：

图1是经本申请改性后的二氧化硅气凝胶微球和埃洛石纳米管的结构分析对比图。

电化学阻抗性能：

采用本申请实施例1(HNTs)、空白实施例(空白)、气凝胶实施例(SiO₂)分别做电化学阻抗性能测试，所得分析结果基本如图2所示。

接触角性能：

采用本申请实施例1(HNTs)、空白实施例(空白)、气凝胶实施例(SiO₂)分别接触角性能测试，所得结果基本如图3所示。

耐盐雾性能：

采用本申请实施例1(HNTs)、空白实施例(空白)、气凝胶实施例(SiO₂)分别做耐盐雾性能测试，所得结果基本如图4所示。

附着力性能：

采用本申请实施例1(HNTs)、空白实施例(空白)、气凝胶实施例(SiO₂)分别做附着力性能测试，所得结果基本如图5所示。

减振降噪性能：

采用本申请实施例1、2、3(HNTs)、空白实施例(空白)、实施例1的水性底漆以及无涂层的裸金属分别做减振降噪性能测试，所得结果基本如图6所示。

根据上述检测方式，针对本申请所得不同实施例(HNTs)的水性涂料，根据现有检测方式测定低频阻抗模值、导热系数，具体所得各项数据，详见下表：

从上述数据及图表中均可以看出，本申请所得水性功能涂料，在防腐领域上具有更明显的性能优势，更适用于海洋环境下的长期使用。室温固化后，复合涂层在3.5％的NaCl溶液中浸泡49d的低频阻抗模值可以达到9×10⁷Ω·cm²以上，浸泡70d后，低频阻抗模值可以达到1.4×10⁸Ω·cm²以上。同时，复合涂层还具有2W/(m·K)以下的导热系数和0.3以上的损耗因子，具有优异的隔热和阻尼减振性能。

以上所述仅为本申请的优选实施例而已，并不用于限制本申请，对于本领域的技术人员来说，本申请可以有各种更改和变化。凡在本申请的精神和原则之内，所作的任何修改、等同替换、改进等，均应包含在本申请的保护范围之内。

Claims (10)

1.一种水性功能涂料，其特征在于，包括水性底漆和水性面漆，

所述水性面漆包括以下各重量份的成分：

a、90～100份丙烯酸聚氨酯；

b、1～3份经极性改性剂改性后的二氧化硅气凝胶微球；

c、1～3份埃洛石纳米管；

d、面漆助剂。

2.根据权利要求1所述的水性功能涂料，其特征在于，所述成分b是通过以下制备方式获取得到：将1～3重量份的二氧化硅气凝胶微球配置成二氧化硅气凝胶微球-乙醇溶液，调节pH为1～3，加入10～20重量份的极性改性剂，90～95℃搅拌6～12h，清洗并真空干燥10～12h即得成分b。

3.根据权利要求1所述的水性功能涂料，其特征在于，所述极性改性剂为脲醛、酚醛、γ-氨丙基三乙氧基硅烷、γ-(2,3-环氧丙氧)丙基三甲氧基硅烷中的任意一种。

4.根据权利要求1所述的水性功能涂料，其特征在于，所述埃洛石纳米管的长度为1.0～1.5微米，孔径为0.8～1.0纳米。

5.根据权利要求1所述的水性功能涂料，其特征在于，所述二氧化硅气凝胶微球的直径为20～25纳米。

6.根据权利要求1所述的水性功能涂料，其特征在于，所述水性底漆包括90～100重量份的环氧树脂和底漆助剂。

7.根据权利要求1或6任一所述的水性功能涂料，其特征在于，所述面漆助剂至少包括20～25重量份固化剂、25～30重量份稀释剂；和/或所述底漆助剂至少包括20～25重量份固化剂、25～30重量份稀释剂。

8.根据权利要求7所述的水性功能涂料，其特征在于，所述面漆助剂还包括2～3重量份消泡剂、1～2重量份分散剂、3～4重量份流平剂；和/或所述底漆助剂还包括2～3重量份消泡剂、1～2重量份分散剂、3～4重量份流平剂。

9.根据权利要求8所述的水性功能涂料，其特征在于，所述固化剂为水性固化剂；或所述稀释剂为水；或所述消泡剂包括有机硅型消泡剂、聚醚型消泡剂、聚醚有机硅复配消泡剂和硅醚共聚类消泡剂的一种或几种；或所述分散剂包括阴离子型分散剂、阳离子型分散剂、非离子型分散剂和两性型分散剂中的一种或几种；或所述流平剂包括有机硅流平剂、氟碳化合物类流平剂和丙烯酸流平剂中的一种或几种。

10.权1所述的水性功能涂料的制备方法，其特征在于，所述水性面漆的制备包括以下步骤：

S1、将成分b和成分c放入成分a中，充分搅拌均匀后得到混合物1；

S2、将面漆助剂混合并搅拌均匀后得到混合物2；

S3、将混合物2加入到混合物1内，充分搅拌均匀后得到水性面漆。

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