CN117304801A - 一种纳米有机硅陶瓷涂料及其制备方法 - Google Patents
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Abstract
本发明公开了一种纳米有机硅陶瓷涂料及其制备方法，所述纳米陶瓷涂料以如下组分为原料制备而得：烷氧基硅烷、正硅酸酯、咪唑啉聚醚季铵盐化合物、催化剂、助剂和去离子水。其中所述咪唑啉聚醚季铵盐化合物的存在提高了纳米级颜填料在涂料底漆中的分散性，在一定程度上防止助剂的团聚，提高涂料底漆的稳定性。将所得纳米陶瓷涂料底漆通过喷涂的方式在基材上成膜，所得涂层具有优异的附着性和抗开裂性。
Description
技术领域
本发明涉及涂料领域，尤其涉及一种纳米有机硅陶瓷涂料及其制备方法。
背景技术
随着建筑业和轨道交通业的飞速发展，摩天大楼、高速、高铁、机场等建筑设施不断兴建，对于铝幕墙等建筑内外墙的装饰效果和保护需求越来越多，有机硅陶瓷涂料凭借着良好的综合性能和装饰效果受到市场的广泛关注；如美国通用电气公司、日本精化株式会社、韩国金刚高丽化学公司、襄阳市百盾防护涂层材料有限公司、安徽友瓷化工科技有限公司等国内外知名企业均有推出相应有机硅陶瓷涂料产品，产品商业化日益广泛。
传统有机硅陶瓷涂料通常采用正硅酸甲酯、甲基三甲氧基硅烷、甲基三乙氧基硅烷、苯基三甲氧基硅烷等硅烷单体和硅溶胶、颜填料、助剂等组成，具有高硬度，耐划伤、耐沾污、阻燃、耐候性、绝缘性能良好等特点，是一种环保、低毒、高性能的绿色涂料；但是，有机硅陶瓷涂料涂膜收缩韧性普遍较差，涂膜中硅羟缩合产生的收缩内应力容易使涂膜龟裂、脱落，直接影响涂膜的使用寿命和耐候等综合性能。为此，Dow Corning公司利用树脂一线型硅氧烷嵌段共聚物的方法，来提高硅树脂的断裂伸长率和断裂韧性，但此方法会降低涂膜的铅笔硬度和耐划伤性能；Howard等提出用短链羟基硅油等来提高硅树脂的抗开裂性能，但此方法会影响涂膜附着力；解决有机硅陶瓷涂料涂膜韧性问题迫在眉睫。
研究发现，作为有机硅陶瓷涂料的重要组成部分，颜填料不仅能够赋予陶瓷涂层丰富的色彩，对于改善陶瓷涂层的抗开裂性能、提高涂层的耐高温能力等也有重要的作用。公开号为CN101781484A的专利公开了一种光催化环保型纳米瓷膜及其制备方法，其在陶瓷涂料中引入一定量的硅酸钾晶须，达到了提高涂层抗开裂能力的目的。水分散纳米二氧化硅离子表面的硅羟基能够与硅氧烷单体水解产生的硅羟基发生缩合反应，可同时提高涂层的柔韧性、硬度和耐摩擦性能，是有机硅陶瓷涂料不可或缺的组分。这些颜填料能够与硅氧烷树脂上的官能团反应或者对上述反应起催化作用，并在主链上形成Si-O-M结构（M为Si或金属原子），在聚硅氧烷高温分解时，还能参与涂层的二次成膜过程，保证涂层的完整性和致密性。
虽然颜填料能够提升陶瓷涂料抗开裂性等特质，但在一些应用场景中，涂料中添加的颜填料均为纳米级粒子，纳米粒子的小粒径及其表面活性基团的存在，使其在涂料底漆体系中极易团聚，影响到涂料底漆的保存稳定性。因此，含纳米颜填料的陶瓷涂料制备的关键还在于如何改善纳米陶瓷涂料中纳米颗粒的稳定分散，从而更为理想化地提高陶瓷涂料的诸多性能。
发明内容
为了解决上述现有技术中纳米有机硅陶瓷涂料的分散稳定性、易开裂、附着力不佳等问题，本发明提出了一种纳米有机硅陶瓷涂料及其制备方法，所述纳米有机硅陶瓷涂料中含有咪唑啉聚醚季胺盐化合物，该化合物分子能够与纳米颜填料表面通过离子键和氢键结合，使得纳米颜填料表面形成空间位阻，提高了其在涂料体系中的分散稳定性。另外，因为存在的咪唑啉聚醚季胺盐化合物，所述纳米有机硅陶瓷涂料的开裂性和附着力得到极大地改善。
一种纳米有机硅陶瓷涂料，按重量份数计，包含如下组分：10-15份烷氧基硅烷，10-23份正硅酸酯，0.1-0.5份咪唑啉聚醚季胺盐化合物，1-2份催化剂，20-40份助剂，40-60份去离子水。
在本发明的一些实施方式中，所述烷氧基硅烷为甲基三烷氧基硅烷、苯基三烷氧基硅烷、二甲基二烷氧基硅烷、甲基苯基二烷氧基硅烷中的至少一种。其中，所述甲基三烷氧基硅烷可以为甲基三甲氧基硅烷和甲基三乙氧基硅烷，所述苯基三烷氧基硅烷可以为苯基三甲氧基硅烷、苯基三乙氧基硅烷，所述二甲基二烷氧基硅烷可以为二甲基二甲氧基硅烷和二甲基二乙氧基硅烷，所述甲基苯基二烷氧基硅烷可以为甲基苯基二甲氧基硅烷和甲基苯基二乙氧基硅烷。由于甲氧基硅烷的水解速率比乙氧基硅烷的水解速率高，在喷涂时不易出现缩孔现象，所以，优选地，采用甲氧基硅烷作为所述纳米陶瓷涂料的成膜原料之一。
在本发明的一些实施方式中，所述正硅酸酯为正硅酸甲酯、正硅酸乙酯中的至少一种。
在本发明的一些实施方式中，所述所述咪唑啉聚醚季胺盐化合物的制备过程包含如下步骤：
S1：将一元羧酸类化合物与多元胺类化合物按羧基与伯胺、仲胺的摩尔比1:1-2:1-2加入反应容器，并将体系温度升至170-200℃，在惰性气体的保护下进行脱水缩合反应，冷凝回流，排出水分，即得羧基咪唑啉中间体；
S2：待S1中装有所得羧基咪唑啉中间体的反应容器冷却至室温后，再将其置于水浴中，向其中缓慢加入卤代聚醚，反应3-5h后，将产物分离纯化即得所述咪唑聚醚季胺盐化合物。
在本发明的一些实施方式中，S1中，所述羧酸类化合物为一元羧酸，且羧基所连基团为C5-12的烷基、C3-12的烯基、苄基的一种；其中所述烷基或烯基可以为脂肪碳链及其同分异构体，也可以是环烷基或环烯基。
在本发明的一些实施方式中，所述羧酸类化合物中羧基所连基团为烯基时，烯基的碳碳双键与羧基不直接相连。
在本发明的一些实施方式中，所述多胺类化合物为羟乙基乙二胺、N-(2-羟丙基)乙二胺、N-苄基乙二胺、N,N'-二(2-氨乙基)-1,3-丙二胺、N-(2-氨乙基)-3-氨丙基三甲氧基硅烷中的至少一种。
在本发明的一些实施方式中，制备所述咪唑啉聚醚季铵盐化合物时，S1中进行的脱水缩合反应时间控制在3-5h；S2中，所述水浴温度控制在55-65℃。
在本发明的一些实施方式中，S2中所述卤代聚醚为氯化聚醚、溴化聚醚中的至少一种，且其投加量为S1中所得羧基咪唑啉中间体质量的20-35%。
上述咪唑啉聚醚季胺盐化合物的制备原理如式I所示，一元羧酸类化合物与多元胺类化合物经过两步缩合脱水并脱除多余的多胺后，得到羧基咪唑啉中间体，再利用羧基咪唑啉中间体中叔胺基的碱性与卤代聚醚的酸性，形成季胺盐。
其中，R为C5-12的烷基、C3-12的烯基、苄基中的一种，X为Cl、Br中的一种。
在本发明的一些实施方式中，制备所述纳米有机硅陶瓷涂料基料时，所用催化剂为酸性催化剂，包含但不限于甲酸、乙酸、丙酸中的至少一种。
在本发明的一些实施方式中，所述纳米有机硅陶瓷涂料基漆中所含助剂包括纳米级颜填料；所述纳米级颜填料的粒径在1-100nm之间，具体种类的选择可以为但不限于纳米二氧化钛、纳米二氧化硅、滑石粉、高岭土、硅微粉、硅藻土、硬脂酸铝等。当颜填料选用纳米二氧化钛时，可以选择宁波极微纳新材料科技有限公司的纳米二氧化钛，例如锐钛型的有JWN-A01/10/30/50、JWN-R15，及红石型的有JWN-OR15/R30/R50等，其型号中的数字代表纳米二氧化硅钛的纳米级粒径。当颜填料选用纳米二氧化硅时，可以选择上海汇精亚纳米新材料有限公司的纳米级二氧化硅系列产品，其平均粒径不大于30nm。所述颜填料选用滑石粉时，可以选择上海聚千化工有限公司的纳米级滑石粉，其平均粒径为20-80nm，也可选择东海县富彩矿物制品有限公司的高白纳米级滑石粉，货号为FC-HSF。当颜填料选用高岭土时，可以选择东海县富彩矿物制品有限公司15000目以上的纳米煅烧高岭土等。
在本发明的一些实施方式中，所述纳米有机硅陶瓷涂料所含助剂还可以包括流平剂等；所述流平剂可以为但不限于甲基硅油，具体选择可以是盼得（上海）国际贸易有限公司的甲基硅油63148-62-9、云盛化学（山东）有限公司的201甲基硅油等。
一种所述纳米陶瓷涂料的制备方法，包含如下步骤：按照计量比，将烷氧基硅烷、正硅酸酯和一部分去离子水混合，搅拌形成稳定的溶液，催化剂则在搅拌的同时向溶液中滴加，形成溶液A；将助剂、咪唑啉聚醚季胺盐化合物和剩余去离子水混合均匀，形成溶液B；将溶液A与溶液B混合搅拌，静置熟化8-10h后，再次搅拌均匀即得所述纳米有机硅陶瓷涂料。
有益效果：与现有技术相比，本发明所述纳米有机硅陶瓷涂料中含有自制的咪唑啉聚醚季铵盐化合物：
1，所述咪唑啉聚醚季铵盐化合物分子中含有的聚醚链段可以纳米级颜填料表面形成氢键，借由聚醚链段侧链上连有长链烷基、长链烯基或苄基的咪唑啉基团形成的空间位阻效应，极大地提高了纳米级颜填料在涂料体系中的分散性；
2，咪唑啉基团中的碳氮双键可以与金属形成π-d键及配位键，使所述纳米有机硅涂料在金属基材上的附着力得到改善，聚醚链段的存在则与碳氮双键协同促进了所述涂料的附着力及抗开裂性；
3，所述咪唑啉聚醚季铵盐的添加，意外地使得所述纳米有机硅陶瓷涂料无需经过长时间的熟化，即可得到抗开裂性优异的涂层，这可能是由于所述咪唑啉聚醚季铵盐在涂料体系中与有机硅分子之间形成了强有力的交联网络，从而实现了固化的不易开裂性；
4，所述咪唑啉聚醚季铵盐的存在也使得所述纳米有机硅陶瓷涂料无需添加必要用量的流平剂和/或分散剂，降低了生产成本，有利于有机硅陶瓷涂料在工业中多方位的应用。
具体实施方式
下面结合实例对本发明作进一步详细描述。需要说明的是，下面的实施例及对比例为本发明的示例，仅用来说明本发明，而不用来限制本发明。在不偏离本发明主旨或范围的情况下，可进行本发明构思内的其他组合和各种改良。
以下示例性地说明实施例中所用咪唑啉聚醚季铵盐的制备过程：
咪唑啉聚醚季铵盐-1
S1：将环戊酸与羟乙基乙二胺按摩尔比1:1的投料比加入反应容器，并将体系温度升至170℃，在氮气的保护下进行脱水缩合反应，冷凝回流3h，排出水分，即得羧基咪唑啉中间体，收率为91.5%；
S2：待S1中装有所得羧基咪唑啉中间体的反应容器冷却至室温后，再将其置于55℃水浴中，向其中缓慢加入占S1中所得羧基咪唑啉中间体质量20%的氯代聚醚，反应3h后，将产物分离纯化即得所述咪唑聚醚季胺盐化合物-1。
咪唑啉聚醚季铵盐-2
S1：将正壬酸与N-苄基乙二胺按摩尔比1:1.05的投料比加入反应容器，并将体系温度升至175℃，在氮气的保护下进行脱水缩合反应，冷凝回流3h，排出水分，即得羧基咪唑啉中间体，产率为93.0%；
S2：待S1中装有所得羧基咪唑啉中间体的反应容器冷却至室温后，再将其置于55℃水浴中，向其中缓慢加入占S1中所得羧基咪唑啉中间体质量20%的氯代聚醚，反应3h后，将产物分离纯化即得所述咪唑聚醚季胺盐化合物-2。
咪唑啉聚醚季铵盐-3
S1：将顺十二碳-11-烯酸与N,N'-二(2-氨乙基)-1,3-丙二胺按摩尔比2:1.1的投料比加入反应容器，并将体系温度升至180℃，在氮气的保护下进行脱水缩合反应，冷凝回流3h，排出水分，即得羧基咪唑啉中间体，产率为92.1%；
S2：待S1中装有所得羧基咪唑啉中间体的反应容器冷却至室温后，再将其置于60℃水浴中，向其中缓慢加入占S1中所得羧基咪唑啉中间体质量25%的溴代聚醚，反应4h后，将产物分离纯化即得所述咪唑聚醚季胺盐化合物-3。
咪唑啉聚醚季铵盐-4
S1：将4-己烯酸与N-(2-氨乙基)-3-氨丙基三甲氧基硅烷按摩尔比1:1.2的投料比加入反应容器，并将体系温度升至190℃，在氮气的保护下进行脱水缩合反应，冷凝回流3h，排出水分，即得羧基咪唑啉中间体，产率为93.8%；
S2：待S1中装有所得羧基咪唑啉中间体的反应容器冷却至室温后，再将其置于60℃水浴中，向其中缓慢加入占S1中所得羧基咪唑啉中间体质量30%的溴代聚醚，反应4h后，将产物分离纯化即得所述咪唑聚醚季胺盐化合物-4。
咪唑啉聚醚季铵盐-5
S1：将苄酸与N-(2-氨乙基)-3-氨丙基三甲氧基硅烷按摩尔比1:1.2的投料比加入反应容器，并将体系温度升至200℃，在氮气的保护下进行脱水缩合反应，冷凝回流3h，排出水分，即得羧基咪唑啉中间体产率为92.7%；
S2：待S1中装有所得羧基咪唑啉中间体的反应容器冷却至室温后，再将其置于60℃水浴中，向其中缓慢加入占S1中所得羧基咪唑啉中间体质量30%的溴代聚醚，反应4h后，将产物分离纯化即得所述咪唑聚醚季胺盐化合物-5。
实施例1
按照重量比，将10份甲基三甲氧基硅烷、10份正硅酸甲酯和20份去离子水混合，搅拌形成稳定的溶液，1份催化剂甲酸则在搅拌的同时向溶液中滴加，形成溶液A；将20份纳米二氧化钛JWN-A01、0.2份咪唑啉聚醚季胺盐化合物-1和20份去离子水混合均匀，形成溶液B；将溶液A与溶液B混合搅拌，静置熟化8h后，再次搅拌均匀即得所述纳米有机硅陶瓷涂料。
实施例2
按照重量比，将15份甲基三甲氧基硅烷、18份正硅酸甲酯和30份去离子水混合，搅拌形成稳定的溶液，1份催化剂甲酸则在搅拌的同时向溶液中滴加，形成溶液A；将20份纳米二氧化钛JWN-A30、0.2份咪唑啉聚醚季胺盐化合物-2和20份去离子水混合均匀，形成溶液B；将溶液A与溶液B混合搅拌，静置熟化10h后，再次搅拌均匀即得所述纳米有机硅陶瓷涂料。
实施例3
按照重量比，将15份甲基三甲氧基硅烷、23份正硅酸甲酯和35份去离子水混合，搅拌形成稳定的溶液，1份催化剂甲酸则在搅拌的同时向溶液中滴加，形成溶液A；将25份纳米二氧化钛JWN-A50、0.1份咪唑啉聚醚季胺盐化合物-3和20份去离子水混合均匀，形成溶液B；将溶液A与溶液B混合搅拌，静置熟化9h后，再次搅拌均匀即得所述纳米有机硅陶瓷涂料。
实施例4
按照重量比，将15份甲基三甲氧基硅烷、23份正硅酸甲酯和35份去离子水混合，搅拌形成稳定的溶液，2份催化剂甲酸则在搅拌的同时向溶液中滴加，形成溶液A；将30份上海汇精亚纳米新材料的纳米二氧化硅、0.3份咪唑啉聚醚季胺盐化合物-4和25份去离子水混合均匀，形成溶液B；将溶液A与溶液B混合搅拌，静置熟化8h后，再次搅拌均匀即得所述纳米有机硅陶瓷涂料。
实施例5
按照重量比，将15份甲基三甲氧基硅烷、23份正硅酸甲酯、5份201甲基硅油和35份去离子水混合，搅拌形成稳定的溶液，2份催化剂甲酸则在搅拌的同时向溶液中滴加，形成溶液A；将30份上海汇精亚纳米新材料的纳米二氧化硅、0.5份咪唑啉聚醚季胺盐化合物-5和25份去离子水混合均匀，形成溶液B；将溶液A与溶液B混合搅拌，静置熟化8h后，再次搅拌均匀即得所述纳米有机硅陶瓷涂料。
对比例1
同实施例5类似，不同之处在于，将咪唑啉聚醚季铵盐-5替换为未与聚醚反应且未季铵化的咪唑啉衍生物，其结构如式II。
对比例2
同实施例5类似，不同之处在于，不添加咪唑啉聚醚季铵盐-5。
将上述实施例1-5及对比例1-2所得纳米有机硅陶瓷涂料于金属基材上，详细的施工步骤如下：
1，选取铸铝、铸铁、铸镁底材，洗涤底材表面的残留物及异物；
2，使用金刚砂对底材进行喷砂处理，粗糙度控制在3.5-4.5μm；
3，使用高压水喷雾或压缩空气去除底材表面的喷砂粒等异物；
4，将底材预热至40-60℃时，使用普通空气喷枪进行喷涂，采用湿喷涂方式施工，其膜厚为15-20μm；
5，将喷涂好的工件置于60-80℃烘箱中表干5-10min后移入200℃烘箱中进行高温固化20min。
将实施例1-5及对比例1-2所得产品按照上述步骤施工，相同工艺参数下所得涂膜的性能测试结果见表1：
由表1的测试结果表明，本发明提供的纳米有机硅陶瓷涂料具有优异的分散稳定性、金属基板上的附着力以及抗开裂性，能够在喷涂之后形成较好的类似于陶瓷的性能，起到保护基材的作用，并在长期使用过程中不易脱落，在适配与表面状况不同的基材时，能够形成光滑的涂膜而不会产生裂纹。在不添加本发明提供的咪唑啉聚醚季铵盐类化合物，而是用未有聚醚链段和季铵基的咪唑啉衍生物时，所得涂料基漆的稳定性较实施例1-5的结果不足，且形成的涂层附着力及抗开裂性均受到影响，这是由于聚醚链段和季铵盐结构的缺失，使得涂料体系中的纳米级颜填料的聚集变得更加容易，导致涂层的均匀性和致密性变差，涂层内部的交联性降低。在不添加本发明提供的咪唑啉聚醚季铵盐化合物时，所得涂料基漆中颜填料的分散稳定性、涂层的附着力及抗开裂性均出现明显劣化。由此可知，所述咪唑啉聚醚季铵盐的完整结构对所述纳米有机硅陶瓷涂料综合性能十分重要。
Claims (10)
1.一种纳米有机硅陶瓷涂料，其特征在于，按重量份数计，包含如下组分：10-15份烷氧基硅烷，10-23份正硅酸酯，0.1-0.5份咪唑啉聚醚季胺盐化合物，1-2份催化剂，20-40份助剂，40-60份去离子水。
2.根据权利要求1所述纳米有机硅陶瓷涂料，其特征在于，所述烷氧基硅烷为甲基三烷氧基硅烷、苯基三烷氧基硅烷、二甲基二烷氧基硅烷、甲基苯基二烷氧基硅烷中的至少一种。
3.根据权利要求1所述纳米有机硅陶瓷涂料，其特征在于，所述正硅酸酯为正硅酸甲酯、正硅酸乙酯中的至少一种。
4.根据权利要求1所述纳米有机硅陶瓷涂料，其特征在于，所述咪唑啉聚醚季胺盐化合物的制备过程包含如下步骤：
S1：将一元羧酸类化合物与多元胺类化合物按羧基与伯胺、仲胺的摩尔比1:1-3:1-3加入反应容器，并将体系温度升至170-200℃，在惰性气体的保护下进行脱水缩合反应，冷凝回流，排出水分，即得羧基咪唑啉中间体；
S2：待S1中装有所得羧基咪唑啉中间体的反应容器冷却至室温后，再将其置于水浴中，向其中缓慢加入卤代聚醚，反应3-5h后，将产物分离纯化即得所述咪唑啉聚醚季胺盐化合物。
5.根据权利要求4所述纳米有机硅陶瓷涂料，其特征在于，S1中，所述羧酸类化合物中羧基所连基团为C5-12的烷基、C3-12的烯基、苄基中的一种；且羧基所连基团为烯基时，碳碳双键与羧基不直接相连。
6.根据权利要求5所述纳米有机硅陶瓷涂料，其特征在于，所述羧酸类化合物中所述多元胺类化合物为羟乙基乙二胺、N-(2-羟丙基)乙二胺、N-苄基乙二胺、N,N'-二(2-氨乙基)-1,3-丙二胺、N-(2-氨乙基)-3-氨丙基三甲氧基硅烷中的至少一种。
7.根据权利要求4所述纳米有机硅陶瓷涂料，其特征在于，S1中，所述脱水缩合反应的时间为3-5h；S2中，所述水浴温度为55-65℃，所述卤代聚醚为氯化聚醚、溴化聚醚中的至少一种，投加量为所述羧基咪唑啉中间体质量的20-35%。
8.根据权利要求1所述纳米陶瓷涂料，其特征在于，所述催化剂为酸性催化剂，包含甲酸、乙酸、丙酸中的至少一种。
9.根据权利要求1所述纳米有机硅陶瓷涂料，其特征在于，所述助剂包含纳米级颜填料。
10.权利要求1-9任意一项所述纳米有机硅陶瓷涂料的制备方法，其特征在于，包含如下步骤：按照计量比，将烷氧基硅烷、正硅酸酯和一部分去离子水混合，搅拌形成稳定的溶液，催化剂则在搅拌的同时向溶液中滴加，形成溶液A；将助剂、咪唑啉聚醚季胺盐化合物和剩余去离子水混合均匀，形成溶液B；将溶液A与溶液B混合搅拌，静置熟化8-10h后，再次搅拌均匀即得所述纳米陶瓷涂料。
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