CN116355465B - 一种上转换材料增强水性涂料及其制备方法 - Google Patents
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Abstract
本发明涉及涂料领域，提供了一种上转换材料增强水性涂料及其制备方法，包括以下原料：苯乙烯‑丙烯酸酯共聚乳液30～50份、甘油环氧树脂10～15份、滑石粉25～35份、三甲基六亚甲基二胺5～10份、上转换材料‑TiO2@CeO2复合体10～15份、三丙二醇丁醚5～10份、聚丙烯酰胺0.3～1份、聚硅氧烷‑聚醚共聚物2～3份、二甲基乙醇胺1～2份、有机硅氧烷0.2～0.5份去离子水20～30份。通过上转换材料的光吸收、发射特性，以及TiO2@CeO2光催化性质相结合，大大提高了水性涂料的抑菌、甲醛去除等性能。本申请涂料具有广泛的应用，特别是对于回南天的南方室内装修有着明显的优势。
Description
技术领域
本发明涉及涂料领域，具体涉及一种上转换材料增强水性涂料及其制备方法。
背景技术
水性涂料应用非常广泛，主要应用于交通运输、船舶、集装箱、军工等行业。室内墙面装修通常要用到水性涂料，能够起到装饰的效果。室内装修包括方方面面，或多或少的会出现甲醛等污染物的产生。虽然有不少方法可以去除甲醛，但是需要额外的措施，是一件非常麻烦的事。另外一方面，在我国南方地区，由于春季的雨水时间长，特别是“回南天”的到来使得墙面挂水严重，并且空气中湿气非常高，容易导致墙面涂料层发霉、滋生细菌。
现有技术中对水性涂料的研究非常多，也取得了良好的效果，并且也有大量的市售产品。
中国专利CN 109575726 A公开了一种室内用节能增亮功能涂料及其制备方法，该发明通过将新型碳量子点与涂料结合，利用碳量子点吸收紫外波段光（200-380 nm）和红外波段光（>780 nm），发射可见荧光的光学特性，将不可见的紫外线和红外线转化为可见光，大大增加室内光线的利用率，实现节能增亮的效果。
中国专利CN 107903747 A公开了一种水性丙烯酸酯防腐荧光涂料，在配料中添加荧光粉为硅酸钇上转换发光的荧光粉，该荧光粉的结构式为Y2-xSiO5:xHo3+；其中，Ho3+为掺杂子，x的取值范围为0.02～0.1，涂有该荧光粉发光层材料。这些荧光粉是在是做好单色(如红光) 的有机发光二极管做成之后，把荧光粉混在封装材料中涂在有机发光二极管外面，受到红光的激发，辐射出蓝光，具有较强的荧光感。
中国专利CN 108707357 A公开了一种涂料，该涂料包括涂料常规成分和所述的无机发光材料粉末，无机发光材料粉末均匀分布在涂料常规成分中，无机发光材料粉末的加入量为1～30%；所述的无机发光材料的分子式为Yb/Eu/Er/Li: La2Hf2O7，以摩尔百分比计其中Yb的掺杂量为10～30%，Eu的掺杂量为1～10%，Er的掺杂量为0.0001～0.01%，所述的Li的掺杂量为10～30%；所述的无机发光材料在980nm激发条件下可以得到Er3+离子的上转换绿光发射，在298、365与415nm氙灯激发下，得到Eu3+的下转换红光发射。
上转换材料，即反-斯托克斯材料，该类型材料在受到低能量的光激发，能够发射出高能量的光；即，经波长长、频率低的光激发，该类型材料发射出波长短、频率高的光。申请人在上述专利的启发下，经过前期调研，发现上转换材料的应用主要在荧光发光领域，在涂料领域中的应用非常少。
基于现有技术对涂料的需求、并且为了研究上转换材料在涂料领域中的应用前景。因此申请人在该方面作了一些研究。
发明内容
本发明的目的是提供一种上转换材料增强水性涂料及其制备方法，本发明制备的水性涂料具有优异的耐热性、耐候性、耐水性；并且同时具有优异的杀菌、抑菌效果；能够有效去除室内环境中的甲醛等污染物，可作为室内墙面装修的涂料。
为了实现本发明目的，本发明采用如下技术方案：
一种上转换材料增强水性涂料，按重量份计，包括以下原料：
苯乙烯-丙烯酸酯共聚乳液30～50份、
甘油环氧树脂10～15份、
滑石粉 25～35份、
三甲基六亚甲基二胺5～10份、
上转换材料-TiO2@CeO2复合体10～15份、
三丙二醇丁醚5～10份、
聚丙烯酰胺0.3～1份、
聚硅氧烷-聚醚共聚物2～3份、
二甲基乙醇胺1～2份、
有机硅氧烷0.2～0.5份
去离子水20～30份。
进一步地，所述上转换材料增强水性涂料，按重量份计，包括以下原料：
苯乙烯-丙烯酸酯共聚乳液35～45份、
甘油环氧树脂12～13份、
滑石粉 28～32份、
三甲基六亚甲基二胺6～8份、
上转换材料-TiO2@CeO2复合体11～13份、
三丙二醇丁醚7～9份、
聚丙烯酰胺0.5～0.8份、
聚硅氧烷-聚醚共聚物2.3～2.8份、
二甲基乙醇胺1.3～1.7份、
有机硅氧烷0.3～0.4份
去离子水23～26份。
进一步地，所述上转换材料为NaYF4:Er或NaYF4:Yb微米棒中的一种或两种。
进一步地，所述上转换材料-TiO2@CeO2复合体的制备方法如下：
（1）将0.1mol钛酸四丁酯、0.1mol硝酸铈、0.2mol苹果酸置于200mL去离子水中，超声搅拌30min后，将反应液转移至水热釜中加热至120℃、水热反应2h，反应结束后过滤、干燥得到TiO2@CeO2粉体；
（2）将所述TiO2@CeO2粉体置于石英管式炉中，加热至450℃下保温2h；
（3）按照0.1mol的上转换材料、0.05mol的TiO2@CeO2粉体加入至300mL十八烯溶剂中，搅拌均匀后继续加入0.02molγ-氨丙基三乙氧基硅烷；将溶剂加热至120℃下超声搅拌20min；冷却后过滤、干燥得到上转换材料-TiO2@CeO2复合体。
本申请中，利用大尺寸的上转换材料微米棒在溶剂中，利用硅烷偶联剂的作用将TiO2@CeO2吸附在上转换材料微米棒表面。
进一步地，所述上转换材料增强水性涂料还包括防腐剂、增稠剂等其他助剂。
防腐剂可以选择本领域公知的防腐剂，本发明不做具体限定；优选地，所述防腐剂为苯甲酸、五氯苯酚。
进一步地，所述防腐剂的重量份数为2～3份。
增稠剂可以选择本领域公知的增稠剂，本发明不做具体限定；优选地，所述增稠剂为甲基纤维素、羟丙基甲基纤维素。
进一步地，所述增稠剂的重量份数为0.3～0.4份。
一种上转换材料增强水性涂料的制备方法，其制备方法包括以下步骤：
（1）按照重量配比称取上述原料备用；
（2）将聚丙烯酰胺加入至去离子中并搅拌，加热至40～60℃时，依次加入苯乙烯-丙烯酸酯共聚乳液、甘油环氧树脂、二甲基乙醇胺并高速搅拌10～20min混合均匀；
（3）随后将滑石粉、三甲基六亚甲基二胺、上转换材料-TiO2@CeO2复合体、三丙二醇丁醚、聚硅氧烷-聚醚共聚物、有机硅氧烷同时加入，搅拌20～30min混合均匀，即得到上转换材料增强水性涂料。
进一步地，步骤（2）中所述高速搅拌的搅拌速率为600～800r/min。
与现有技术相比，本发明的有益效果：
（1）本申请制备的水性涂料具有优异的耐热性、耐候性、耐水性；
（2）本申请创造性的将上转换材料-TiO2@CeO2复合体应用到水性涂料中，利用上转换材料的光学特性来增强TiO2@CeO2的光催化性能，实现了水性涂料在大多数时间下能够发挥去除甲醛等污染物的作用并且同时具有优异的杀菌、抑菌效果，可作为室内墙面装修的涂料；
（3）本发明制备的水性涂料在潮湿的环境中也有良好的应用。
具体实施方式
为了使本发明的目的、技术方案及优点更加清楚明白，以下结合具体实施例、对比例，对本发明进行进一步详细说明。此处所描述的具体实施例仅仅用以解释本发明，并不用于限定本发明。
本申请实施例提供的技术方案为解决上述技术问题，总体思路如下：
二氧化铈、二氧化钛等无机物是一种光催化类型催化剂，在光照下一定程度上能够催化分解甲醛等有机物。并且二氧化钛也同时具有良好的杀菌、抑菌作用。然而在室内的环境中光照强度比较弱，并且室内灯光的强度也弱。而二氧化铈、二氧化钛的的禁带宽度较高，只能吸收波长较短的高能量光才能有效的发挥其光催化效果。而上转换材料具有在受到低能量的光激发，能够发射出高能量的光的特点，申请人认为室内灯光、以及白天室内较弱光线在照射上转换材料的基础上，其是能够受激发发射出能够激发二氧化钛、二氧化铈产生电子-空穴对，进而可以大大提高对甲醛等有机物的催化活性。这样就可以利用墙面涂料时刻对甲醛等有机物进行催化分解达到去除甲醛的效果。
为了更好地说明，以NaYF4:Yb微米棒制备复合体，接下来的实施例如无特殊说明，上转换材料都是表示NaYF4:Yb微米棒。具体的所述上转换材料-TiO2@CeO2复合体的制备方法如下： （1）将0.1mol的钛酸四丁酯、0.1mol的硝酸铈、0.2mol的苹果酸置于200mL去离子水中，超声搅拌30min后，将反应液转移至水热釜中加热至120℃、水热反应2h，反应结束后过滤、干燥得到TiO2@CeO2粉体。（2）将所述TiO2@CeO2粉体置于石英管式炉中，加热至450℃下保温2h。（3）按照0.1mol的上转换材料、0.05mol的TiO2@CeO2粉体加入至300mL十八烯溶剂中，搅拌均匀后继续加入0.02mol γ-氨丙基三乙氧基硅烷；将溶剂加热至120℃下超声搅拌20min；冷却后过滤、干燥得到上转换材料-TiO2@CeO2复合体。
实施例1
一种上转换材料增强水性涂料，按重量份计，包括以下原料：
苯乙烯-丙烯酸酯共聚乳液30kg、
甘油环氧树脂10kg、
滑石粉 25kg、
三甲基六亚甲基二胺5kg、
上转换材料-TiO2@CeO2复合体10kg、
三丙二醇丁醚5kg、
聚丙烯酰胺0.3kg、
聚硅氧烷-聚醚共聚物2kg、
二甲基乙醇胺1kg、
有机硅氧烷0.2kg、
去离子水20kg。
所述上转换材料增强水性涂料的制备方法包括以下步骤：
（1）按照重量配比称取上述原料备用；
（2）将聚丙烯酰胺加入至去离子中并搅拌，加热至40℃时，依次加入苯乙烯-丙烯酸酯共聚乳液、甘油环氧树脂、二甲基乙醇胺并高速搅拌20min混合均匀，其中所述高速搅拌的搅拌速率为600r/min；
（3）随后将滑石粉、三甲基六亚甲基二胺、上转换材料-TiO2@CeO2复合体、三丙二醇丁醚、聚硅氧烷-聚醚共聚物、有机硅氧烷同时加入，搅拌20min混合均匀，即得到上转换材料增强水性涂料。
实施例2
一种上转换材料增强水性涂料，按重量份计，包括以下原料：
苯乙烯-丙烯酸酯共聚乳液50kg、
甘油环氧树脂15kg、
滑石粉 35kg、
三甲基六亚甲基二胺10kg、
上转换材料-TiO2@CeO2复合体15kg、
三丙二醇丁醚10kg、
聚丙烯酰胺1kg、
聚硅氧烷-聚醚共聚物3kg、
二甲基乙醇胺2kg、
有机硅氧烷0.5kg
去离子水30kg。
所述上转换材料增强水性涂料的制备方法包括以下步骤：
（1）按照重量配比称取上述原料备用；
（2）将聚丙烯酰胺加入至去离子中并搅拌，加热至60℃时，依次加入苯乙烯-丙烯酸酯共聚乳液、甘油环氧树脂、二甲基乙醇胺并高速搅拌10min混合均匀，其中所述高速搅拌的搅拌速率为800r/min；
（3）随后将滑石粉、三甲基六亚甲基二胺、上转换材料-TiO2@CeO2复合体、三丙二醇丁醚、聚硅氧烷-聚醚共聚物、有机硅氧烷同时加入，搅拌30min混合均匀，即得到上转换材料增强水性涂料。
实施例3
一种上转换材料增强水性涂料，按重量份计，包括以下原料：
苯乙烯-丙烯酸酯共聚乳液40kg、
甘油环氧树脂12kg、
滑石粉 30kg、
三甲基六亚甲基二胺7kg、
上转换材料-TiO2@CeO2复合体12kg、
三丙二醇丁醚8kg、
聚丙烯酰胺0.6kg、
聚硅氧烷-聚醚共聚物2.5kg、
二甲基乙醇胺1.6kg、
有机硅氧烷0.4kg、
去离子水25kg。
所述上转换材料增强水性涂料的制备方法包括以下步骤：
（1）按照重量配比称取上述原料备用；
（2）将聚丙烯酰胺加入至去离子中并搅拌，加热至50℃时，依次加入苯乙烯-丙烯酸酯共聚乳液、甘油环氧树脂、二甲基乙醇胺并高速搅拌15min混合均匀，其中所述高速搅拌的搅拌速率为700r/min；
（3）随后将滑石粉、三甲基六亚甲基二胺、上转换材料-TiO2@CeO2复合体、三丙二醇丁醚、聚硅氧烷-聚醚共聚物、有机硅氧烷同时加入，搅拌25min混合均匀，即得到上转换材料增强水性涂料。
对比例1
对比例1与实施例3基本相同，区别在于只添加TiO2@CeO2粉体，而不添加上转换材料-TiO2@CeO2复合体；其他原料组成和制备方法与实施例3一致。其中TiO2@CeO2粉体的制备方法如下：（1）将0.1mol的钛酸四丁酯、0.1mol的硝酸铈、0.2mol的苹果酸置于200mL去离子水中，超声搅拌30min后，将反应液转移至水热釜中加热至120℃、水热反应2h，反应结束后过滤、干燥得到TiO2@CeO2粉体。（2）将所述TiO2@CeO2粉体置于石英管式炉中，加热至450℃下保温2h。
对比例2
对比例2与实施例3基本相同，区别在于既不添加上转换材料-TiO2@CeO2复合体，也不添加TiO2@CeO2粉体；其他原料组成和制备方法与实施例3一致。
为了更好地体现本申请涂料的性能，对实施例1-2以及对比例1-2制备的水性涂料进行相关测试。
附着力测试
采用ISO 2409-2007（色漆和清漆-划格试验）来测试涂料的附着力；附着力评价值记录如下表1。
吸收率测试
通过测量涂料的吸水率来判断涂料的耐水性能。具体测试条件：称取10g涂料，将其涂覆在10×10cm的玻璃板上，待涂料干燥后称量其重量为W1。然后将其挂放置于湿度为30%的密闭容器中24h，然后重量其重量为W2。吸收率=（W2-W1）/W1×100%。吸水率数值越低说明涂料的耐水性越好。计算得到的吸水率数值记录于表。
涂料抑菌测试
通过GB/T 21866-2008测定涂料的抑菌效果、防霉效果。防霉效果采用0-4级表示，其中等级越小、说明防霉效果越好。
涂料对甲醛的除去率测试
具体测试条件：称取10g涂料，将其涂覆在10×10cm的玻璃板上，待涂料干燥后将其挂放置于甲醛浓度为10ppm的透明的玻璃密闭容器中24h，然后测量密闭容器中甲醛的浓度并计算甲醛浓度的去除率。测试过程中分别采用紫外灯照射（功率40W，波长365nm）、普通照明灯照射（24W，波长450nm）。
表1
由表1测试数据可知，本发明制备的水性涂料具有优异的附着力，并且对比例1-2的附着力等级也达到0级。由此说明，上转换材料-TiO2@CeO2复合体的添加与否并不会对附着力产生明显影响。另外，吸水率的测试数据也表明上转换材料-TiO2@CeO2复合体对吸水率的影响虽然有，但是影响并不大。本申请涂料的吸水率非常低，在0.3%左右；说明涂料在潮湿的环境中吸水量少，在很大程度上可以避免我国南方“回南天”的墙面大量吸水导致墙面挂水、潮湿、发霉等不利影响。
从表1可以明显看出对比例1-2无论是在抑菌效果、甲醛去除率上都明显劣于本申请水平；并且对比例2的数据也远低于对比例1的数据。可见，本申请在水性涂料组成中加入上转换材料-TiO2@CeO2复合体能够显著地提高涂料的抑菌效果和甲醛去除率。而仅仅添加TiO2@CeO2粉体的对比例1，各方面数据都下降严重表明上转换材料对增强TiO2@CeO2粉体的效果有着积极影响。带来上述影响的原因在于上转换材料在低能光照（普通照明灯）就能够发射部分高能光进而激发TiO2@CeO2的电子跃迁，提高电子-空穴对的产生率进而对于抑菌、甲醛催化分解起到增强作用。而对比例2既不添加上转换材料-TiO2@CeO2复合体也不添加TiO2@CeO2粉体，其抑菌效果、甲醛去除率都显著下降的原因在于涂料中不含光催化半导体类型TiO2、CeO2，所以光的照射对涂料并没有产生太大的积极效果。这也符合现有技术中TiO2光的性质。
本申请涂料在普通照明灯照射下依然具有良好的甲醛去除率，由此可见，在正常家庭照明的情况下，室内的墙面涂料对于甲醛的去除也是可以进行的。特别是在于新房的装修前期，本申请涂料特别适合墙面装饰，并且并不需要通过额外的手段来除甲醛等污染物。
以上所述仅为本发明的优选实施例，并非因此即限制本发明的专利保护范围，运用本发明说明书所作的等效变换，直接或间接运用在其他相关的技术领域，均包括在本发明的保护范围内。
Claims (7)
1.一种上转换材料增强水性涂料，其特征在于，按重量份计，包括以下原料：
苯乙烯-丙烯酸酯共聚乳液30～50份、
甘油环氧树脂10～15份、
滑石粉 25～35份、
三甲基六亚甲基二胺5～10份、
上转换材料-TiO2@CeO2复合体10～15份、
三丙二醇丁醚5～10份、
聚丙烯酰胺0.3～1份、
聚硅氧烷-聚醚共聚物2～3份、
二甲基乙醇胺1～2份、
有机硅氧烷0.2～0.5份
去离子水20～30份；
所述上转换材料为NaYF4:Er或NaYF4:Yb微米棒中的一种或两种；
所述上转换材料-TiO2@CeO2复合体的制备方法如下：
（1）将0.1mol的钛酸四丁酯、0.1mol的硝酸铈、0.2mol的苹果酸置于200mL去离子水中，超声搅拌30min后，将反应液转移至水热釜中加热至120℃、水热反应2h，反应结束后过滤、干燥得到TiO2@CeO2粉体；
（2）将所述TiO2@CeO2粉体置于石英管式炉中，加热至450℃下保温2h；
（3）按照0.1mol的上转换材料、0.05mol的TiO2@CeO2粉体加入至300mL十八烯溶剂中，搅拌均匀后继续加入0.02molγ-氨丙基三乙氧基硅烷；将溶剂加热至120℃下超声搅拌20min；冷却后过滤、干燥得到上转换材料-TiO2@CeO2复合体。
2.根据权利要求1所述的一种上转换材料增强水性涂料，其特征在于，按重量份计，包括以下原料：
苯乙烯-丙烯酸酯共聚乳液35～45份、
甘油环氧树脂12～13份、
滑石粉 28～32份、
三甲基六亚甲基二胺6～8份、
上转换材料-TiO2@CeO2复合体11～13份、
三丙二醇丁醚7～9份、
聚丙烯酰胺0.5～0.8份、
聚硅氧烷-聚醚共聚物2.3～2.8份、
二甲基乙醇胺1.3～1.7份、
有机硅氧烷0.3～0.4份
去离子水23～26份。
3.根据权利要求1～2任一项所述的一种上转换材料增强水性涂料，其特征在于，还包括防腐剂和/或增稠剂。
4.根据权利要求3所述的一种上转换材料增强水性涂料，其特征在于，所述防腐剂为苯甲酸、五氯苯酚；所述防腐剂的重量份数为2～3份。
5.根据权利要求3所述的一种上转换材料增强水性涂料，其特征在于，所述增稠剂为甲基纤维素、羟丙基甲基纤维素；所述增稠剂的重量份数为0.3～0.4份。
6.一种如权利要求1～5任一项所述上转换材料增强水性涂料的制备方法，其特征在于，其制备方法包括以下步骤：
（1）按照重量配比称取上述原料备用；
（2）将聚丙烯酰胺加入至去离子中并搅拌，加热至40～60℃时，依次加入苯乙烯-丙烯酸酯共聚乳液、甘油环氧树脂、二甲基乙醇胺并高速搅拌10～20min混合均匀；
（3）随后将滑石粉、三甲基六亚甲基二胺、上转换材料-TiO2@CeO2复合体、三丙二醇丁醚、聚硅氧烷-聚醚共聚物、有机硅氧烷同时加入，搅拌20～30min混合均匀，即得到上转换材料增强水性涂料。
7.根据权利要求6所述上转换材料增强水性涂料的制备方法，其特征在于，步骤（2）中所述高速搅拌的搅拌速率为600～800r/min。
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