CN117025049A - 一种水性不锈钢涂料及其制备方法 - Google Patents
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Abstract
本发明属于不锈钢涂料技术领域，具体涉及一种水性不锈钢涂料及其制备方法。该方法包括：将纳米花状Bi‑Co‑O纳米材料与硅铁共聚物混合，之后经煅烧、保温，冷却至室温后，研磨成纳米级的混合物粉末，之后置于稀土金属的盐溶液浸泡，最后取出，洗涤，干燥，得到负载稀土金属元素的混合纳米材料；将水性聚氨酯丙烯酸酯树脂与丙烯酸酯单体混合，然后在惰性气氛下将其加热并搅拌，之后加入催化剂，恒温反应后过滤即得共聚产物溶液；将上述所得共聚产物与负载稀土金属元素的混合纳米材料混合并超声分散均匀，冷却得到预混液，之后将预混液、流平剂、附着力促进剂以及去离子水按照比例混合并搅拌均匀，将所得溶液冷却至室温，即得水性不锈钢涂料。
Description
技术领域
本发明属于不锈钢涂料技术领域，具体涉及一种水性不锈钢涂料及其制备方法。
背景技术
不锈钢是一种银白色具有优异的耐蚀性、耐磨性、韧性及工艺性的合金钢，其优良的力学性能、较好的化学稳定性及无毒等特性使其广泛地应用于宇航、海洋、医药、核能工程、石油化工等方面。此外，建筑行业、家用器具、厨房设备、汽车工业、办公用品等的表面装饰也采用不锈钢，它精美的自然表面可提供美感和清洁感。但不锈钢材料在使用过程中，容易发生腐蚀污染，因此，人们常常采用一些适当的表面处理办法，如在表面涂布一层丙烯酸树脂涂层对普通不锈钢进行表面改性，提高其耐污耐蚀能力，以满足人们对材料的高档次及多样化装饰性要求。涂布在不锈钢表面的丙烯酸树脂涂层具有色浅，透明度高，色正，保光，光亮丰满，耐热，附着力强，坚韧等特点，但是丙烯酸树脂涂料的耐老化性能，抗紫外性，以及抗指纹性能不够好。
目前在不锈钢涂膜的行业中，使用如正丁醇，正戊醇等作溶剂的油性涂料较为常见，油性涂料具有其较好的硬度，外观较好，固化时间快等优点，行业中使用广泛。近年来，因为环保方面压力，行业中开始逐渐转型采用水性涂料，水性涂料具有环保，价格低，不会对环境和人造成危害等特性。但是，常用的水性涂料其配方中树脂在水中溶解性及分散性不好，水性涂料材料存在耐污能力差，外观有气孔，光泽度差，抗老化性能差等问题。
例如申请号为CN201911048527.0的中国发明专利公开了一种不锈钢用高硬度哑光水性涂料。具体为：a)具体为：将水性树脂28-36份、去离子水40-60份、成膜助剂1-2份、硅烷偶联剂7-15份、荷叶疏水剂4-8份、催化剂0.5-1份、交联剂5-10份依次混合均匀得到A组分，将水69份、硫酸钡70份、防沉降剂1份、分散剂0.5份高速分散过筛得到B组分b)混合处理：将步骤a)所得AB组份混合高速分散0.5h得到成品。
又如申请号为CN201810164512.X的中国发明专利公开了一种具有优异耐CNC性能的不锈钢水性UV型保护涂料，包括以重量份计的以下各组分：水性聚氨酯丙烯酸酯树脂20-60份，单官能丙烯酸酯5-15份，滑石粉10-30份，气相硅粉0.5-1.5份，水性流平剂0.1-0.5份，水性光引发剂1-5份，稀释剂20-50份。
目前市面上的水性不锈钢涂料仍以树脂类聚合物为主要原料，同时辅以多种有机物料增加其性能。虽然得到的水性涂料性能良好，但是其对环境的危害也较大。由此可见，目前水性涂料仍有需要提高的空间。
发明内容
基于上述问题，本发明的目的在于提供一种水性不锈钢涂料及其制备方法。本发明的。本发明的水性不锈钢涂料配方简单，所得涂料硬度高、附着力强，且具有优异的防水、隔热性能。
为实现上述目的，本发明提供如下技术方案。
在一方面，本发明提供了一种水性不锈钢涂料的制备方法，所述方法包括以下步骤：
将纳米花状Bi-Co-O纳米材料与硅铁共聚物按照质量比1:0.3-0.5混合，之后将所得混合物在800-1000℃下煅烧6-8h后，在100-150℃下保温1-3h，冷却至室温后，研磨成纳米级的混合物粉末，之后置于浓度为15-20mol/L稀土金属的盐溶液浸泡2-3天，最后取出，用去离子水洗涤2～3次，干燥，得到负载稀土金属元素的混合纳米材料；
将水性聚氨酯丙烯酸酯树脂与丙烯酸酯单体按照体积质量比为(1～3)：1的量混合，然后在惰性气氛下将其加热至80-120℃并搅拌3-5h，之后加入催化剂，恒温反应12-20h后过滤，即得共聚产物溶液；
将上述所得共聚产物与负载稀土金属元素的混合纳米材料按照体积质量比1:0.1-0.3混合并在40-60℃下超声分散均匀，冷却得到预混液，之后按照总份量100计，将预混液60-80份、流平剂0.1-0.3份、附着力促进剂1-3份以及余量的去离子水混合并搅拌均匀，将所得溶液冷却至室温，即得水性不锈钢涂料。
进一步地，所述纳米花状Bi-Co-O纳米材料的制备方法如下：将泡沫镍依次经盐酸、无水乙醇、去离子水超声清洗，干燥；将1-1.5mmol钴源和0.4-0.8mmol铋源超声分散在20-40mL的乙二醇中，然后放入泡沫镍，在100-120℃下进行热反应10-12h，反应结束后，产物经清洗、干燥，再在300-350℃下高温热处理1-3h后即可得到纳米花状Bi-Co-O纳米材料。
进一步地，所述钴源选自硝酸钴、氯化钴或硫酸钴中的一种或多种；所述铋源选自硝酸铋、氯化铋或柠檬酸铋中的的一种或多种。
进一步地，所述硅铁共聚物为硅酸钠和高铁酸盐按照摩尔比为8:5聚合而形成。
进一步地，所述稀土金属的盐溶液选自以下组中的任一种的氯化物或者氢氧化物，该组为：La、Ce、Pr、Nd、Pm、Sm、Eu、Gd、Tb、Dy、Ho、Er、Tm、Yb、Lu。
进一步地，所述丙烯酸酯单体选自丙烯酸甲酯、丙烯酸乙酯、2-甲基丙烯酸甲酯和2-甲基丙烯酸乙酯中的任一种。
进一步地，所述催化剂选自溴化亚锡、氯化亚锡、二丁基氧化锡、溴化锡、氯化锡中的任一种。
进一步地，所述催化剂按照与丙烯酸酯单体的质量比0.01-0.03:1的量加入。
进一步地，所述流平剂为BYK333。
进一步地，所述附着力促进剂是油高Tego410。
与现有技术比，本发明取得的有益效果是：本发明的纳米花状的Bi-Co-O纳米材料的形貌为次级薄纳米片组成的纳米花结构，该结构稳定性好，且比表面积高，通过与硅铁聚合物混合煅烧、保温，使得聚合物附着于纳米花状的Bi-Co-O纳米材料的表面并且能保持良好的稳定性，再将所得纳米混合物粉末浸泡于一定浓度的稀土金属的盐溶液中，使得其中的稀土金属离子负载于纳米材料中，得到负载稀土金属元素的混合纳米材料，该材料兼具高比表面积和高稳定性的优势，用于水性涂料的制备中能够起到良好的隔热效果。以水性聚氨酯丙烯酸酯树脂为主要原料，通过与丙烯酸酯单体接枝共聚得到一种具有防水性的共聚产物，将该共聚产物与上述得到负载稀土金属元素的混合纳米材料在一定温度下超声分散，该温度稍比常温高，这样能够促进纳米材料在溶液中的运动，使得分散更加均匀，这样所得的预混液是一种兼具隔热、防水性能的溶液，最后与一些助剂混合得到终产物水性不锈钢涂料。本发明的水性不锈钢涂料还具有硬度高、附着力强等优异性能。本发明的原料简单，保护环境和保证人体健康。
具体实施方式
下面将结合本发明实施例，对本发明实施例中的技术方案进行清楚、完整地描述，显然，所描述的实施例仅仅是本发明一部分实施例，而不是全部的实施例。基于本发明中的实施例，本领域普通技术人员在没有做出创造性劳动前提下所获得的所有其他实施例，都属于本发明保护的范围。
实施例1
将泡沫镍依次经盐酸、无水乙醇、去离子水超声清洗，干燥。将1mmol硫酸钴和0.5mmol硝酸铋超声分散在30mL的乙二醇中，然后放入泡沫镍，在110℃下进行热反应11h，反应结束后，产物经清洗、干燥，再在350℃下高温热处理2h后即可得到纳米花状Bi-Co-O纳米材料。
将纳米花状Bi-Co-O纳米材料与硅铁共聚物(硅酸钠和高铁酸盐按照摩尔比为8:5聚合而形成)按照质量比1:0.4混合，之后将所得混合物在900℃下煅烧7h后，在130℃下保温2h，冷却至室温后，研磨成纳米级的混合物粉末，之后置于浓度为18mol/L氯化镧溶液中浸泡3天，最后取出，用去离子水洗涤2～3次，干燥，得到负载稀土金属元素的混合纳米材料。
将水性聚氨酯丙烯酸酯树脂(巴斯夫Joncryl系列4官能度)与丙烯酸甲酯单体按照体积质量比为2：1的量混合，然后在氦气气氛下将其加热至100℃并搅拌4h，之后加入溴化亚锡，恒温反应16h后过滤，即得共聚产物溶液；其中，溴化亚锡按照与丙烯酸甲酯单体的质量比0.02:1的量加入。
将上述所得共聚产物与负载稀土金属元素的混合纳米材料按照体积质量比1:0.2混合并在50℃下超声分散均匀，冷却得到预混液，之后按照总份量100计，将预混液70份、流平剂BYK333 0.2份、附着力促进剂油高Tego410 2份以及余量的去离子水混合并搅拌均匀，将所得溶液冷却至室温，即得水性不锈钢涂料。
实施例2
将泡沫镍依次经盐酸、无水乙醇、去离子水超声清洗，干燥。将1mmol硝酸钴和0.5mmol氯化铋超声分散在30mL的乙二醇中，然后放入泡沫镍，在110℃下进行热反应11h，反应结束后，产物经清洗、干燥，再在350℃下高温热处理2h后即可得到纳米花状Bi-Co-O纳米材料。
将纳米花状Bi-Co-O纳米材料与硅铁共聚物(硅酸钠和高铁酸盐按照摩尔比为8:5聚合而形成)按照质量比1:0.3混合，之后将所得混合物在1000℃下煅烧6h后，在100℃下保温3h，冷却至室温后，研磨成纳米级的混合物粉末，之后置于浓度为15mol/L氯化钕溶液中浸泡3天，最后取出，用去离子水洗涤2～3次，干燥，得到负载稀土金属元素的混合纳米材料。
将水性聚氨酯丙烯酸酯树脂(巴斯夫Joncryl系列4官能度)与丙烯酸乙酯单体按照体积质量比为1：1的量混合，然后在氦气气氛下将其加热至80℃并搅拌5h，之后加入氯化亚锡，恒温反应20h后过滤，即得共聚产物溶液；其中，氯化亚锡按照与丙烯酸乙酯单体的质量比0.01:1的量加入。
将上述所得共聚产物与负载稀土金属元素的混合纳米材料按照体积质量比1:0.1混合并在60℃下超声分散均匀，冷却得到预混液，之后按照总份量100计，将预混液80份、流平剂BYK333 0.3份、附着力促进剂油高Tego410 1份以及余量的去离子水混合并搅拌均匀，将所得溶液冷却至室温，即得水性不锈钢涂料。
实施例3
将泡沫镍依次经盐酸、无水乙醇、去离子水超声清洗，干燥。将1mmol氯化钴和0.5mmol柠檬酸铋超声分散在30mL的乙二醇中，然后放入泡沫镍，在110℃下进行热反应11h，反应结束后，产物经清洗、干燥，再在350℃下高温热处理2h后即可得到纳米花状Bi-Co-O纳米材料。
将纳米花状Bi-Co-O纳米材料与硅铁共聚物(硅酸钠和高铁酸盐按照摩尔比为8:5聚合而形成)按照质量比1:0.5混合，之后将所得混合物在800℃下煅烧8h后，在150℃下保温1h，冷却至室温后，研磨成纳米级的混合物粉末，之后置于浓度为20mol/L氢氧化镧溶液中浸泡3天，最后取出，用去离子水洗涤2～3次，干燥，得到负载稀土金属元素的混合纳米材料。
将水性聚氨酯丙烯酸酯树脂(巴斯夫Joncryl系列4官能度)与2-甲基丙烯酸甲酯单体按照体积质量比为3：1的量混合，然后在氦气气氛下将其加热至120℃并搅拌3h，之后加入溴化锡，恒温反应12h后过滤，即得共聚产物溶液；其中，溴化锡按照与2-甲基丙烯酸甲酯单体的质量比0.03:1的量加入。
将上述所得共聚产物与负载稀土金属元素的混合纳米材料按照体积质量比1:0.3混合并在40℃下超声分散均匀，冷却得到预混液，之后按照总份量100计，将预混液60份、流平剂BYK333 0.1份、附着力促进剂油高Tego410 3份以及余量的去离子水混合并搅拌均匀，将所得溶液冷却至室温，即得水性不锈钢涂料。
实施例4
将泡沫镍依次经盐酸、无水乙醇、去离子水超声清洗，干燥。将1.2mmol硝酸钴和0.6mmol柠檬酸铋超声分散在30mL的乙二醇中，然后放入泡沫镍，在120℃下进行热反应12h，反应结束后，产物经清洗、干燥，再在350℃下高温热处理3h后即可得到纳米花状Bi-Co-O纳米材料。
将纳米花状Bi-Co-O纳米材料与硅铁共聚物(硅酸钠和高铁酸盐按照摩尔比为8:5聚合而形成)按照质量比1:0.4混合，之后将所得混合物在800℃下煅烧7h后，在120℃下保温2h，冷却至室温后，研磨成纳米级的混合物粉末，之后置于浓度为18mol/L氢氧化钕溶液中浸泡3天，最后取出，用去离子水洗涤2～3次，干燥，得到负载稀土金属元素的混合纳米材料。
将水性聚氨酯丙烯酸酯树脂(巴斯夫Joncryl系列4官能度)与2-甲基丙烯酸乙酯单体按照体积质量比为2：1的量混合，然后在氦气气氛下将其加热至110℃并搅拌3h，之后加入二丁基氧化锡，恒温反应16h后过滤，即得共聚产物溶液；其中，二丁基氧化锡按照与2-甲基丙烯酸乙酯单体的质量比0.03:1的量加入。
将上述所得共聚产物与负载稀土金属元素的混合纳米材料按照体积质量比1:0.3混合并在40℃下超声分散均匀，冷却得到预混液，之后按照总份量100计，将预混液70份、流平剂BYK333 0.1份、附着力促进剂油高Tego410 3份以及余量的去离子水混合并搅拌均匀，将所得溶液冷却至室温，即得水性不锈钢涂料。
对比实施例1
将水性聚氨酯丙烯酸酯树脂(巴斯夫Joncryl系列4官能度)与丙烯酸甲酯单体按照体积质量比为2：1的量混合，然后在氦气气氛下将其加热至100℃并搅拌4h，之后加入溴化亚锡，恒温反应16h后过滤，即得共聚产物溶液；其中，溴化亚锡按照与丙烯酸甲酯单体的质量比0.02:1的量加入。
按照总份量100计，将共聚产物70份、流平剂BYK333 0.2份、附着力促进剂油高Tego410 2份以及余量的去离子水混合并搅拌均匀，将所得溶液冷却至室温，即得水性不锈钢涂料。
对比实施例2
将泡沫镍依次经盐酸、无水乙醇、去离子水超声清洗，干燥。将1mmol硫酸钴和0.5mmol硝酸铋超声分散在30mL的乙二醇中，然后放入泡沫镍，在110℃下进行热反应11h，反应结束后，产物经清洗、干燥，再在350℃下高温热处理2h后即可得到纳米花状Bi-Co-O纳米材料。
将纳米花状Bi-Co-O纳米材料与硅铁共聚物(硅酸钠和高铁酸盐按照摩尔比为8:5聚合而形成)按照质量比1:0.4混合，之后将所得混合物在900℃下煅烧7h后，在130℃下保温2h，冷却至室温后，研磨成纳米级的混合物粉末，之后置于浓度为18mol/L氯化镧溶液中浸泡3天，最后取出，用去离子水洗涤2～3次，干燥，得到负载稀土金属元素的混合纳米材料。
将水性聚氨酯丙烯酸酯树脂(巴斯夫Joncryl系列4官能度)与负载稀土金属元素的混合纳米材料按照体积质量比1:0.2混合并在50℃下超声分散均匀，冷却得到预混液，之后按照总份量100计，将预混液70份、流平剂BYK333 0.2份、附着力促进剂油高Tego410 2份以及余量的去离子水混合并搅拌均匀，将所得溶液冷却至室温，即得水性不锈钢涂料。
试验例1水性不锈钢涂料的理化性能检测
实验对象：实施例1-4及对比实施例1-2
实验方法：将各实施例中的涂料按照标准方法喷涂于不锈钢素材的表面，涂覆厚度为20μm，通过下述方法检测不同涂料的性能。
1、铅笔硬度：三菱铅笔，750g/2H，要求：试验后无划痕；
2、附着力：百格刀以1.0mm划10×10，用3M胶带扯3次，要求：试验后为≥4B；
3、RCA：200g，500次，要求：试验后漆膜无损伤、素材不透底；
4、耐CNC切削液：浸泡切削液中10分钟，超声波振荡，要求：漆膜表面无异常；
5、耐CNC清洗剂：浸泡清洗剂中20分钟，超声波振荡，要求：漆膜未脱落，漆膜表面无异常；
6、盐雾测试：在35℃密闭环境中，湿度＞85％，pH在6.5-7.2之间，用5％的氯化钠溶液连续喷雾360小时；要求：试验后大于7级。
根据上述检测方法得到的结果见表1。
表1不同涂料理化性能比较
由表1的结果可以看下，与对比实施例1-2相比，根据本发明实施例1-4得到的水性不锈钢涂料综合性能优越
试验例2水性不锈钢涂料的耐水、隔热性能检测
实验对象：实施例1-4及对比实施例1-2
实验方法：将各实施例中的涂料按照标准方法喷涂于不锈钢素材的表面，涂覆厚度为20μm，通过下述方法检测不同涂料的性能。
1、耐水性测试：按照GB/T1733—93《漆膜耐水性测定法》，测定漆膜的耐水性能。把制备好的涂料样板用石蜡封边，然后浸入水中测试涂膜的耐水性。
2、隔热性能测试：于室温条件下，在各个样板的下方放置保温盒，并在保温盒内置温度计，以测试盒腔体内的温度，随后于样板上方放置300W的红外灯，光源距离基板40cm，测试持续照射10min后，测定盒内的温度。
具体测试结果见表2。
表2不同涂料的耐水性和隔热性能比较
由表1的结果可以看出，与对比实施例1-2相比，本发明实施例1-4得到的涂料喷涂于不锈钢表面得到的样板耐水性能和隔热性能均更加好。同时，本发明的混合纳米材料用于涂料的制备中，能够起到协同增效的作用，使得最终的产品性能更加优越。
本发明未详述之处，均为本领域技术人员的公知技术。
以上所述，仅是本发明的较佳实施例而已，并非对本发明作任何形式上的限制，虽然本发明已以较佳实施例揭露如上，然而并非用以限定本发明，任何熟悉本专业的技术人员，在不脱离本发明技术方案范围内，当可利用上述揭示的方法及技术内容作出些许的更动或修饰为等同变化的等效实施例，但凡是未脱离本发明技术方案的内容，依据本发明的技术实质对以上实施例所作的任何简单修改、等同变化与修饰，均仍属于本发明技术方案的范围内。
Claims (10)
1.一种水性不锈钢涂料的制备方法，其特征在于，所述方法包括以下步骤：
将纳米花状Bi-Co-O纳米材料与硅铁共聚物按照质量比1:0.3-0.5混合，之后将所得混合物在800-1000℃下煅烧6-8h后，在100-150℃下保温1-3h，冷却至室温后，研磨成纳米级的混合物粉末，之后置于浓度为15-20mol/L稀土金属的盐溶液浸泡2-3天，最后取出，用去离子水洗涤2～3次，干燥，得到负载稀土金属元素的混合纳米材料；
将水性聚氨酯丙烯酸酯树脂与丙烯酸酯单体按照体积质量比为(1～3)：1的量混合，然后在惰性气氛下将其加热至80-120℃并搅拌3-5h，之后加入催化剂，恒温反应12-20h后过滤，即得共聚产物溶液；
将上述所得共聚产物与负载稀土金属元素的混合纳米材料按照体积质量比1:0.1-0.3混合并在40-60℃下超声分散均匀，冷却得到预混液，之后按照总份量100计，将预混液60-80份、流平剂0.1-0.3份、附着力促进剂1-3份以及余量的去离子水混合并搅拌均匀，将所得溶液冷却至室温，即得水性不锈钢涂料。
2.根据权利要求1所述的制备方法，其特征在于，所述纳米花状Bi-Co-O纳米材料的制备方法如下：将泡沫镍依次经盐酸、无水乙醇、去离子水超声清洗，干燥；将1-1.5mmol钴源和0.4-0.8mmol铋源超声分散在20-40mL的乙二醇中，然后放入泡沫镍，在100-120℃下进行热反应10-12h，反应结束后，产物经清洗、干燥，再在300-350℃下高温热处理1-3h后即可得到纳米花状Bi-Co-O纳米材料。
3.根据权利要求2所述的制备方法，其特征在于，所述钴源选自硝酸钴、氯化钴或硫酸钴中的一种或多种；所述铋源选自硝酸铋、氯化铋或柠檬酸铋中的的一种或多种。
4.根据权利要求1所述的制备方法，其特征在于，所述硅铁共聚物为硅酸钠和高铁酸盐按照摩尔比为8:5聚合而形成。
5.根据权利要求1所述的制备方法，其特征在于，所述稀土金属的盐溶液选自以下组中的任一种的氯化物或者氢氧化物，该组为：La、Ce、Pr、Nd、Pm、Sm、Eu、Gd、Tb、Dy、Ho、Er、Tm、Yb、Lu。
6.根据权利要求1所述的制备方法，其特征在于，所述丙烯酸酯单体选自丙烯酸甲酯、丙烯酸乙酯、2-甲基丙烯酸甲酯和2-甲基丙烯酸乙酯中的任一种。
7.根据权利要求1所述的制备方法，其特征在于，所述催化剂选自溴化亚锡、氯化亚锡、二丁基氧化锡、溴化锡、氯化锡中的任一种。
8.根据权利要求1所述的制备方法，其特征在于，所述催化剂按照与丙烯酸酯单体的质量比0.01-0.03:1的量加入。
9.根据权利要求1所述的制备方法，其特征在于，所述流平剂为BYK333。
10.根据权利要求1所述的制备方法，其特征在于，所述附着力促进剂是油高Tego410。
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