CN115926503B - 一种可重涂的水性无机陶瓷涂料及其制备方法和应用 - Google Patents
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Abstract
本发明公开了一种可重涂的水性无机陶瓷涂料及其制备方法和应用，属于涂料技术领域。本发明提供的可重涂的水性无机陶瓷涂料，制备原料包括：酸性硅溶胶、填料、烷氧基硅烷单体和改性丙烯酸酯树脂；其中填料包括锌粉和玻璃粉；改性丙烯酸酯树脂为有机硅和氯代聚烯烃共同改性的丙烯酸酯树脂。本发明提供的可重涂的水性无机陶瓷涂料，能够有效提高所得水性无机陶瓷涂料的柔韧性和重涂性能。本发明还提供了上述无机陶瓷涂料的制备方法和应用。
Description
技术领域
本发明涉及涂料技术领域，尤其是涉及一种可重涂的水性无机陶瓷涂料及其制备方法和应用。
背景技术
无机陶瓷涂料通常是一种水性无机涂料，涂覆形成涂层的主要成分包括SiO2、TiO2等，在其制造和生产过程中无需加入全氟辛酸铵(PFOA)等种类的添加剂，所以是一种完全绿色环保、无毒健康的涂料。有效的保护物体表面不受外界气氛、酸碱、高温影响，避免材料的腐蚀、氧化、隔热防护、防火阻燃、阻止摩擦等。
无机陶瓷涂料成膜的过程，通常伴随溶胶凝胶的过程，具体的常利用硅氧烷或钛氧烷等的水解反应，生成二氧化硅、二氧化钛等，最终形成涂层。
随着科学技术的进步和经济的发展，采用溶胶-凝胶法制备的陶瓷涂料因其硬度高、耐摩擦、阻燃、超耐候、表面能低、抗涂鸦、环保安全等传统有机涂料无法比拟的优点，在不粘锅、建筑幕墙、地铁机车等领域得到了广泛应用。
但是现有的无机陶瓷涂料具有柔韧性差，漆膜易干燥开裂的问题；同时无机陶瓷涂料的重涂性也较差。因此，针对上述缺陷优化无机陶瓷涂料的综合性能尤为重要。
发明内容
本发明旨在至少解决现有技术中存在的技术问题之一。为此，本发明提出一种可重涂的水性无机陶瓷涂料，能够有效提高所得水性无机陶瓷涂料的柔韧性和重涂性能。
本发明还提供了上述水性无机陶瓷涂料的制备方法。
本发明还提供了上述水性无机陶瓷涂料的应用。
根据本发明第一方面的实施例，提供了一种可重涂的水性无机陶瓷涂料，所述水性无机陶瓷涂料的制备原料包括：
酸性硅溶胶、填料、烷氧基硅烷单体和改性丙烯酸酯树脂；
所述填料包括锌粉和玻璃粉；
所述改性丙烯酸酯树脂为有机硅和氯代聚烯烃共同改性的丙烯酸酯树脂。
根据本发明实施例的水性无机陶瓷涂料，至少具有如下有益效果：
(1)本发明提供的水性无机陶瓷涂料中，包括了改性丙烯酸酯树脂，相当于增加了有机柔性部分，由此其他部分反应生成的硅氧化物嵌于改性丙烯酸酯树脂形成的有机膜中，增加了所得涂层的柔性，避免了厚膜条件下涂层的开裂、脱落问题。
(2)改性丙烯酸酯树脂中，丙烯酸酯是中极性的链段，表面张力属于树脂类中等水平，和所述水性无机陶瓷涂料的其他组分之间相容性好，因此重涂的时候相当于在新涂层和旧涂层之间形成了相容的桥梁，提升了重涂性能。
改性丙烯酸酯树脂中，有机硅链段的存在进一步增加了丙烯酸酯链段和填料、硅溶胶等组分之间的相容性。
改性丙烯酸酯树脂中，氯代聚烯烃链段可以显著增加重涂的可操作时长。
综上，本发明通过对丙烯酸酯树脂的改性，引入的链段之间发生协同作用，一方面提升了所得水性无机陶瓷涂料的重涂性能，另一方面延长了重涂的可操作时限。
(3)本发明采用的填料中包括锌粉和玻璃粉，在所述水性无机陶瓷涂料成膜的过程中，所述锌粉可以和其他成分之间发生化学反应，生成硅酸锌网络，由此提升所得涂层的附着力强度和耐磨性，还可提升所得涂层的重涂性能。
玻璃粉与水性无机陶瓷涂料的其他成分之间相互结合，可显著提升所得涂层的外观、附着力、硬度和耐腐蚀性能。
(4)本发明采用的填料中包括锌粉，由此提升了所得涂层的重涂性能，具体的：当水性无机陶瓷涂料的应用基材是铁基材料时，由于锌对基材的保护性能，因此即使涂层意外损坏，损坏范围也不会扩大，因此重涂后新漆膜可以和旧漆膜之间形成良好的结合。
综上所述，本发明提供的水性无机陶瓷涂料，各制备原料之间发生了协同作用，最终提升了其重涂性能，以及附着力、硬度、耐腐蚀性等基础性能。
根据本发明的一些实施例，所述酸性硅溶胶和所述填料的质量比为20～120:10。由此所述水性无机陶瓷涂料中，成膜组分(可形成网状膜层的组分，包括酸性硅溶胶和改性丙烯酸酯树脂)对填料的包裹性能较好，最终形成的涂层的外观性能和附着力优异。
根据本发明的一些实施例，所述酸性硅溶胶和所述填料的质量比为90～110:10。例如具体可以是约100:10。
根据本发明的一些实施例，所述酸性硅溶胶的pH为3～5。例如具体可以是pH为4或4.5。
根据本发明的一些实施例，所述酸性硅溶胶中的固含量为30～40％。例如具体可以是约35％、36％或38％。
根据本发明的一些实施例，所述酸性硅溶胶的粒径为20～80nm。
根据本发明的一些实施例，所述锌粉占所述填料的质量百分数为10～50％。所述填料中，所述锌粉为活性成分，可以和其他组分发生化学反应；所述玻璃粉为惰性成分；两者在上述比例范围内结合，可显著优化所得水性无机陶瓷涂料的重涂性能和外观。
根据本发明的一些实施例，所述填料的粒径为1～20μm。
根据本发明的一些实施例，所述填料还包括云母、滑石粉、氧化铝粉、晶须硅、硅微粉、玻璃鳞片和沉淀硫酸钡中的至少一种。
根据本发明的一些实施例，所述烷氧基硅烷单体包括甲基三烷氧基硅烷、苯基三烷氧基硅烷、四烷氧基硅烷、二甲基二烷氧基硅烷和二苯基二烷氧基硅烷中的至少一种。
根据本发明的一些实施例，所述甲基三烷氧基硅烷包括甲基三乙氧基硅氧烷(CAS：2031-67-6)、甲基三甲氧基硅烷(CAS：1185-55-3)和甲基三丙氧基硅烷(CAS：5581-66-8)中的至少一种。
根据本发明的一些实施例，所述苯基三烷氧基硅烷包括苯基三甲氧基硅烷(CAS：2996-92-1)和苯基三乙氧基硅烷(CAS：780-69-8)中的至少一种。
根据本发明的一些实施例，所述四烷氧基硅烷包括四甲氧基硅烷(CAS：681-84-5)、四乙氧基硅烷(CAS：78-10-4)和四丙氧基硅烷(CAS：682-01-9)中的至少一种。
根据本发明的一些实施例，所述二甲基二烷氧基硅烷包括二甲基二甲氧基硅烷(CAS：1112-39-6)和二甲基二乙氧基硅烷(CAS：78-62-6)中的至少一种。
根据本发明的一些实施例，所述二苯基二烷氧基硅烷包括二苯基二甲氧基硅烷(CAS：6843-66-9)和二苯基二乙氧基硅烷(CAS：2553-19-7)中的至少一种。
根据本发明的一些实施例，所述烷氧基硅烷单体包括甲基三烷氧基硅烷和苯基三烷氧基硅烷；
所述烷氧基硅烷单体包括甲基三乙氧基硅氧烷和苯基三乙氧基硅烷；
所述烷氧基硅烷单体中，甲基三乙氧基硅氧烷和苯基三乙氧基硅烷的质量比为3～5:1。
根据本发明的一些实施例，所述酸性硅溶胶和所述烷氧基硅烷单体的质量比为15～20:10。在该比例范围内，所述水性无机陶瓷涂料形成的涂层附着力更优；硬度和耐腐蚀性能也更优。
根据本发明的一些实施例，所述酸性硅溶胶和所述烷氧基硅烷单体的质量比为16～19:10。例如具体可以是约18.5:10。
根据本发明的一些实施例，所述酸性硅溶胶和所述改性丙烯酸酯树脂的质量比为20～30:4。由此可维持所述水性无机陶瓷涂料整体上是无机的，保持其耐水性、耐腐蚀性、硬度和阻燃性等优良特征；同时改性丙烯酸酯树脂引入的柔性链段也足以给所述水性无机陶瓷涂料带来柔韧性。
根据本发明的一些实施例，所述酸性硅溶胶和所述改性丙烯酸酯树脂的质量比为22～28:4。例如具体可以是约25:4。
进一步的，本发明采用的改性丙烯酸酯树脂还可显著促进水性无机陶瓷涂料的附着力，同时还具备抗氧化的作用，由此在实际使用过程中，所述水性无机陶瓷涂料的制备原料可不包括附着力促进剂，也可不添加抗氧剂。
根据本发明的一些实施例，所述水性无机陶瓷涂料的制备原料还包括助剂。
根据本发明的一些实施例，所述助剂包括分散剂、消泡剂和流平剂中的至少一种。
根据本发明的一些实施例，所述分散剂包括BYK-190、AFCONA4530和EDAPLAN 490中的至少一种。
根据本发明的一些实施例，所述消泡剂包括Airex 901W。
根据本发明的一些实施例，所述流平剂包括BYK-333。
根据本发明的一些实施例，所述助剂占所述水性无机陶瓷涂料的质量百分数为0.5～1％。
根据本发明的一些实施例，所述水性无机陶瓷涂料的制备原料还包括水和有机溶剂。
根据本发明的一些实施例，所述水性无机陶瓷涂料由以下制备原料制备而成：
酸性硅溶胶、填料、烷氧基硅烷单体、改性丙烯酸酯树脂、助剂、水和溶剂；
所述填料包括锌粉和玻璃粉；所述酸性硅溶胶和所述填料的质量比为20～120:10；
所述酸性硅溶胶和所述烷氧基硅烷单体的质量比为15～20:10；
所述改性丙烯酸酯树脂为有机硅和氯代聚烯烃共同改性的丙烯酸酯树脂；
所述酸性硅溶胶和所述改性丙烯酸酯树脂的质量比为20～30:4。
根据本发明第二方面的实施例，提供了一种所述水性无机陶瓷涂料的制备方法，所述制备方法包括以下步骤：
S1.将氯代聚烯烃改性的丙烯酸酯树脂，和硅烷类单体混合反应得所述改性丙烯酸酯树脂；
S2.将所述酸性硅溶胶、填料和烷氧基硅烷单体混合熟化；
S3.将步骤S2所得混合物与所述改性丙烯酸酯树脂混合即得。
由于所述制备方法采用了上述实施例的水性无机陶瓷涂料的全部技术方案，因此至少具有上述实施例的技术方案所带来的所有有益效果。
本发明提供的制备方法通过简单的混合、放置等步骤即可，整体上方法简单，便于工业规模的生产。
根据本发明的一些实施例，所述氯代聚烯烃改性的丙烯酸酯树脂包括CP-7540。
根据本发明的一些实施例，所述硅烷类单体包括乙烯基三乙氧基硅烷(CAS：78-08-0)、乙烯基三异丙氧基硅烷(CAS：18023-33-1)、甲基乙烯基二乙氧基硅烷(CAS：5507-44-8)、乙烯基三异丙烯氧基硅烷(CAS：15332-99-7)、二甲基二乙氧基硅烷(CAS：78-62-6)和3-甲基丙烯酰氧丙基三乙氧基硅烷(CAS：21142-29-0)中的至少一种。
根据本发明的一些实施例，步骤S1中，所述氯代聚烯烃改性的丙烯酸酯树脂，和硅烷类单体的摩尔比为3～4.5:1。例如具体可以是约3.5:1或4:1。
根据本发明的一些实施例，步骤S1中，所述混合反应的温度为75～85℃。例如具体可以是约80℃。
根据本发明的一些实施例，步骤S1中，所述混合反应的时长为2～6h。例如具体可以是约3h。
根据本发明的一些实施例，步骤S1中，所述混合反应在水中进行；水的添加量需控制所得改性丙烯酸酯树脂的固含量为40～45％。例如具体可以是约42％。
根据本发明的一些实施例，所述制备方法还包括在步骤S1和步骤S2之间调整步骤S1所得混合物的pH至7～9。
根据本发明的一些实施例，步骤S2中，所述烷氧基硅烷单体使用之前包括和所述有机溶剂进行混合；由此可提升所述烷氧基硅烷单体和其他成分之间的相容性。
所述有机溶剂包括甲醇、乙醇和异丙醇中的至少一种。
所述烷氧基硅烷单体和有机溶剂的质量比为8～9.5:1。例如具体可以是约9:1。
根据本发明的一些实施例，步骤S2中，所述混合熟化的时长为1～2h。
所述混合熟化在室温下进行，具体可以是5～40℃。
根据本发明的一些实施例，所述制备方法还包括在所述混合熟化过程中对步骤S2所得混合物进行研磨，以调整粒径至20μm以下。
根据本发明的一些实施例，若所述水性无机陶瓷涂料的制备原料包括助剂，则所述制备方法还包括在步骤S2中将所述助剂和所述酸性硅溶胶、填料和烷氧基硅烷单体共同混合熟化。
根据本发明的一些实施例，所述制备方法包括如下步骤：
S1.将氯代聚烯烃改性的丙烯酸酯树脂、硅烷类单体和水混合反应；并调整所得混合物的pH至7～9，得固含量为40～45％的改性丙烯酸酯树脂；
S2.将所述烷氧基硅烷单体和有机溶剂按照8～9.5：1的质量比混合得分散液；
将所述酸性硅溶胶、填料和所述分散液混合熟化；
S3.将步骤S2所得混合物与步骤S1所得改性丙烯酸酯树脂混合即得。
根据本发明第三方面的实施例，提出了一种所述水性无机陶瓷涂料在建筑涂装、汽车涂装和家具涂装中的应用。
由于所述应用采用了上述实施例的水性无机陶瓷涂料的全部技术方案，因此至少具有上述实施例的技术方案所带来的所有有益效果。
具体的，由于本发明提供的水性无机陶瓷涂料具有基础性能和重涂性能优异的特点，有望在建筑涂装、汽车涂装和家具涂装领域中广泛应用。
若无特殊说明，本发明的“约”实际表示的含义是允许误差在±2％的范围内，例如约100实际是100±2％×100。
若无特殊说明，本发明中的“在……之间”包含本数，例如“在2～3之间”包括端点值2和3。
本发明的其它特征和优点将在随后的说明书中阐述，并且，部分地从说明书中变得显而易见，或者通过实施本发明而了解。
具体实施方式
以下将结合实施例对本发明的构思及产生的技术效果进行清楚、完整地描述，以充分地理解本发明的目的、特征和效果。显然，所描述的实施例只是本发明的一部分实施例，而不是全部实施例，基于本发明的实施例，本领域的技术人员在不付出创造性劳动的前提下所获得的其他实施例，均属于本发明保护的范围。
实施例1
本实施例制备了一种水性无机陶瓷涂料，具体步骤为：
S1.将氯代聚烯烃改性的丙烯酸酯树脂(海明斯德谦的CP-7540)和硅烷类单体(乙烯基三乙氧基硅烷)和水混合反应；
其中CP-7540和乙烯基三乙氧基硅烷的摩尔比为4:1；
混合反应的温度约为80℃，反应时长为3h；
混合反应结束后，将所得混合物的pH调整至7～9(pH试剂为氨水)，得固含量为42％的改性丙烯酸酯树脂；
S2.将烷氧基硅烷单体(甲基三乙氧基硅氧烷和苯基三乙氧基硅烷质量比为5:1)和有机溶剂(乙醇)按照9:1的质量比混合得分散液；
将酸性硅溶胶(pH为4，固含量为35％，细度为50nm)、填料(D50为8μm的锌粉和D50为15μm的玻璃粉按照1:4的质量比混合)、分散液和助剂混合熟化；
其中：酸性硅溶胶和填料的质量比为10:1；
酸性硅溶胶和分散液中烷氧基硅烷单体的质量比为18.5:1；
酸性硅溶胶和助剂的质量比为100：1.5；
其中助剂为BYK-190、Airex 901W和BYK-333按照1:1:1的质量比形成的混合物。
混合熟化的温度为25℃，时长为2h。
S3.将步骤S2所得混合物与步骤S1所得改性丙烯酸酯树脂混合即得。
其中酸性硅溶胶和改性丙烯酸酯树脂的质量比为25:4。
实施例2
本实施例制备了一种水性无机陶瓷涂料，具体和实施例1的区别在于：
步骤S2中，酸性硅溶胶和填料的质量比为3:1。
对比例1
本对比例制备了一种水性无机陶瓷涂料，具体和实施例1的区别在于：
不包括步骤S1，步骤S3中，直接将步骤S1的制备原料添加至步骤S2所得混合物中。
即丙烯酸酯树脂不被有机硅(硅烷类单体)改性，而是直接使用硅烷类单体和CP-7540的混合物。
对比例2
本对比例制备了一种水性无机陶瓷涂料，具体和实施例1的区别在于：
填料由和实施例1相同的玻璃粉组成，不包括锌粉。
测试例
本测试例测试了实施例1～2和对比例1～2所得水性无机陶瓷涂料的性能，具体测试方法如下：
重涂性能：参考编号为GB/T 34681-2017规定的方法进行，其采用的基材为马口铁板；记录是否可重涂，以及重涂间隔，重涂间隔表示后道涂层可涂覆的时间，与头道涂层实干之间的最大时间间隔，例如3个月表示在头道涂层实干后的三个月内均可进行重涂。
柔韧性：参考编号为GB/T 1731-2020规定的方法进行，采用的基材为马口铁板；
硬度：参考编号为GB/T 6739-2006规定的方法进行，采用的基材为马口铁板；
涂层厚度：参考编号为GB/T13452.2-2008规定的方法进行，采用的基材为马口铁板；
耐水性：参考编号为GB/T 1733-1993甲法规定的方法进行，采用的基材为马口铁板。测试200h浸泡后的结果。
耐人工气候：参考编号为GB/T 14522-2008规定的方法进行，采用的基材为马口铁板。
耐盐雾性能：参考编号为GB/T 1765-1979规定的方法进行，共测试120h，采用的基材为马口铁板。
通过目测法测试外观，无裂纹、无起翘则表示通过，否则则表示不通过。
以上各测试结果如表1所示。
表1实施例1～2和对比例1～2所得水性无机陶瓷涂料的性能
表1结果说明，本发明制备的水性无机陶瓷涂料具有优异的重涂性能，且重涂的可操作时间较长，给施工带来了便利。此外，本发明制备的水性无机陶瓷涂料还具有优异的常规性能，例如具有较优异的硬度、柔韧性、外观、耐水性、耐人工气候和耐盐雾性能；有望在建筑涂装、汽车涂装和家具涂装领域广泛推广使用。
对比实施例1和实施例2可知，调整酸性硅溶胶和填料的比例，会一定程度上影响所得水性无机陶瓷涂料的重涂间隔、硬度和柔韧性；这是由于当成膜物质的用量减少时，对填料的包裹性能下降，因此重涂性能下降；进一步的，填料对涂层硬度会有显著提升，由此导致的柔韧性下降。
对比实施例1和对比例1可知，若采用的丙烯酸酯树脂没有被有机硅改性，则所得水性无机陶瓷涂料的各项性能下降，理由是丙烯酸酯树脂不能和酸性硅溶胶等其他种类的成膜物质之间形成良好的相容，因此不能发挥其对柔韧性的作用，不能发挥其对重涂方面的作用，还因为成膜物质之间的不相容，生成的涂层的致密性不足，进而导致耐水性、耐人工气候性、耐盐雾性能下降。
对比实施例1和对比例2可知，若填料中不包括锌粉，缺少了锌粉对基材的保护，由此其耐水性、耐人工气候性以及耐盐雾性能显著下降，同时前道涂层出现了破损，该破损会迅速扩大，由此也显著降低了重涂间隔。
综上，本发明提供的水性无机陶瓷涂料具有优异的综合性能，且制备简单，有望在建筑涂装、汽车涂装和家具涂装领域广泛推广使用。
上面对本发明实施例作了详细说明，但是本发明不限于上述实施例，在所属技术领域普通技术人员所具备的知识范围内，还可以在不脱离本发明宗旨的前提下作出各种变化。此外，在不冲突的情况下，本发明的实施例及实施例中的特征可以相互组合。
Claims (10)
1.一种可重涂的水性无机陶瓷涂料，其特征在于，所述水性无机陶瓷涂料的制备原料包括：
酸性硅溶胶、填料、烷氧基硅烷单体和改性丙烯酸酯树脂；
所述填料包括锌粉和玻璃粉；
所述改性丙烯酸酯树脂为有机硅和氯代聚烯烃共同改性的丙烯酸酯树脂；
所述水性无机陶瓷涂料由包括以下步骤的制备方法制得：
S1.将氯代聚烯烃改性的丙烯酸酯树脂，和硅烷类单体混合反应得所述改性丙烯酸酯树脂；
S2.将所述酸性硅溶胶、填料和烷氧基硅烷单体混合熟化；
S3.将步骤S2所得混合物与所述改性丙烯酸酯树脂混合即得。
2.根据权利要求1所述的水性无机陶瓷涂料，其特征在于，所述酸性硅溶胶和所述填料的质量比为20～120:10。
3.根据权利要求1所述的水性无机陶瓷涂料，其特征在于，所述锌粉占所述填料的质量百分数为10～50％。
4.根据权利要求1所述的水性无机陶瓷涂料，其特征在于，所述酸性硅溶胶和所述烷氧基硅烷单体的质量比为15～20:10。
5.根据权利要求1所述的水性无机陶瓷涂料，其特征在于，所述酸性硅溶胶和所述改性丙烯酸酯树脂的质量比为20～30:4。
6.根据权利要求1～5任一项所述的水性无机陶瓷涂料，其特征在于，所述水性无机陶瓷涂料的制备原料还包括助剂。
7.根据权利要求6所述的水性无机陶瓷涂料，其特征在于，所述助剂包括分散剂、消泡剂和流平剂中的至少一种。
8.根据权利要求1所述的水性无机陶瓷涂料，其特征在于，步骤S1中，所述混合反应的温度为75～85℃。
9.根据权利要求1所述的水性无机陶瓷涂料，其特征在于，步骤S2中，所述混合熟化的时长为1～2h。
10.一种如权利要求1～9任一项所述水性无机陶瓷涂料在建筑涂装、汽车涂装和家具涂装中的应用。
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