CN1257948C - 有机—无机杂化涂料及其制备方法 - Google Patents
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Abstract
本发明公开了一种有机-无机杂化涂料及其制备方法,原料为2,4,6,8-四甲基环四硅氧烷(D4 H),乙烯基烷氧基硅烷(VTMO),正硅酸乙酯(TEOS),异丙醇,0.1mol/L的对甲苯磺酸溶液和作为催化剂的氯铂酸溶液。制备涂料的前驱体仅需一步加成反应,不需要醇解或水解,反应物沸点均在100℃以上,而最高反应温度在60℃左右,反应条件温和,反应装置简单,成本低、纯度高。涂料施工方便,漆膜性能优良,尤其是光泽、附着力和耐溶剂性能优异,表现出与现有结构类似涂料相似的综合性能。
Description
技术领域
本发明公开了一种有机-无机杂化涂料及其制备方法。
技术背景
美国专利US 5677410(申请日:1996.05.02,授权日:1997.10.14)公开了一种有机-无机杂化涂料及其制备方法。其方法是:以四氢呋喃为溶剂,2,4,6,8-四甲基四乙烯基环四硅氧烷与二甲基氯硅烷(或甲基二氯硅烷)在氯铂酸的催化作用下发生乙烯基与硅氢的加成反应,然后水解或醇解生成如下结构的溶胶-凝胶的前驱体。
其化学反应过程分别如下:
上述过程包括两步反应:加成反应、醇解或水解反应。所得的前驱体再与正硅酸乙酯一起在酸性条件下水解、缩合形成溶胶,涂膜于基材,凝胶干燥得到漆膜。
上述有机-无机杂化涂料及其制备方法存在如下的不足之处:1、反应物二甲基氯硅烷的沸点为34.7℃,甲基二氯硅烷的沸点为40.4℃,而该方案中反应条件是50~60℃,这势必需要冷凝或密封装置以防止氯硅烷的挥发,技术设备条件要求复杂,而且势必使反应物的转化率也受影响。2、Si-Cl的水解会产生HCl,生成所示结构的硅醇储存困难,在酸性条件下极易缩合,得到的产物实际上是低聚体,因此对制备具有明确结构反应产物的控制有一定困难;为了中和体系中产生的酸,需要使用碱,势必引入杂质,如不处理,这将影响最终漆膜的耐老化性能;需要使用大量的醚溶剂来缓冲溶液的酸性,成本较高,且不安全。3、要得到稳定能保存的前驱体,必须将Si-Cl醇解转化为Si-R,其中R为1-2个碳的烷氧基。这同样面临第2点所提到的问题。4、两步反应条件均较复杂、苛刻,对反应装置的要求较高。
发明内容
本发明的目的就是公开一种类似结构和性能的有机-无机杂化涂料,包括前驱体的制备、涂料溶胶的制备和凝胶漆膜的形成。前驱体的制备方法和反应装置简单,反应条件温和,化学结构明确,产物纯度高,不需醇解或水解反应过程,成本低。
本发明是通过如下技术方案来实现的:制备原料采用2,4,6,8-四甲基环四硅氧烷,记作D4 H;乙烯基三甲氧基硅烷,记作VTMO;正硅酸乙酯,记作TEOS;异丙醇;0.1mol/L的对甲苯磺酸溶液;氯铂酸作为催化剂。
前驱体的制备方法是:将D4 H和VTMO按摩尔比1∶m,m=2~4混合,在冰水浴、氮气保护和搅拌条件下滴加氯铂酸催化剂,40℃反应2h,60℃反应12h,得到淡黄色、透明油状的合成产物,即前驱体,记作D4 H-VTMO。
涂料溶胶的制备方法是:以异丙醇为溶剂,将D4 H-VTMO和TEOS按摩尔比1∶q,q=1~4混合,以浓度为0.1mol/L对甲苯磺酸溶液调节体系的pH值为4.0,室温搅拌2h,制得溶胶;
漆膜的制备方法是:以浸涂、刮涂、刷涂或喷涂方法可在各种金属基材上涂膜,在室温下挥发溶剂,时间30min以上,得到凝胶化(表干)的漆膜;在120℃热处理20min,得到固化(实干)的漆膜,漆膜厚度为10μm。
本发明的有机-无机杂化涂料,其结构和性能与现有的涂料相似,但其制备方法中选取了特定的原料,仅需一步反应即制备前驱体,而且反应物沸点均在100℃以上,反应温度60℃左右,故反应条件温和,反应装置简单,前驱体的制备不需要醇解或水解反应,故成本低,纯度高。
附图说明
图1为单体以及杂化材料的红外光谱图。其中:a,杂化涂料;b,D4 H-VTMO(1∶4);c,D4 H-VTMO(1∶2);d,VTMO;e,D4 H。
具体实施例
现结合具体实施方式对本发明作进一步的描述:
本发明所采用如下原料:2,4,6,8-四甲基环四硅氧烷,记作D4 H,氯铂酸催化剂,化工部成都有机硅中心提供;乙烯基三甲氧基硅烷,记作VTMO,工业品,德国Siga公司产品。以上原料用于制备有机-无机杂化涂料的前驱体。正硅酸乙酯,记作TEOS,分析纯,上海化学试剂厂;异丙醇,分析纯,天津化学试剂一厂,对甲苯磺酸,分析纯,广州化学试剂厂,配成0.1mol/L溶液使用。
1、本发明的有机-无机杂化涂料前驱体的制备方法
例1:将D4 H和VTMO按摩尔比1∶4混合,在冰水浴、氮气保护和搅拌条件下滴加氯铂酸催化剂,40℃反应2h,60℃反应12h,得到淡黄色、透明油状合成前驱体,记作D4 H-VTMO(1∶4);其化学反应式如下:
例2:将D4 H和VTMO按摩尔比1∶3混合,在冰水浴、氮气保护和搅拌条件下滴加氯铂酸催化剂,40℃反应2h,60℃反应12h,得到淡黄色、透明油状合成前驱体,记作D4 H-VTMO(1∶3);其化学反应式如下:
例3:将D4 H和VTMO按摩尔比1∶2混合,在冰水浴、氮气保护和搅拌条件下滴加氯铂酸催化剂,40℃反应2h,60℃反应12h,得到淡黄色、透明油状合成前驱体,记作D4 H-VTMO(1∶2);其化学反应式如下:
2、本发明的有机-无机杂化涂料溶胶的制备方法
以异丙醇为溶剂,将前述制备的不同配比的前驱体产物D4 H-VTMO分别与TEOS按摩尔比1∶q,q=1~4混合,以0.1mol/L对甲苯磺酸溶液调节体系pH值为4.0,室温搅拌2h,制得涂料溶胶。
3、本发明的有机-无机杂化涂料漆膜的制备方法
按GB/T 1727-92“漆膜一般制备法”,可以用浸涂、刮涂、刷涂或喷涂方法在镀锡不锈钢基材上涂膜。在室温下挥发溶剂,时间30min以上,得到凝胶化(表干)的漆膜;在120℃热处理20min,得到固化(实干)的漆膜。漆膜厚度为10μm,其凝胶化过程形成的体型网络结构示意如下:
漆膜各项性能测试结果
(1)结构分析
前驱体D4 H-VTMO的合成原理是,1摩尔的D4 H与m摩尔,m=2~4的VTMO在氯铂酸的催化作用下发生硅氢与乙烯基的加成反应。前驱体D4 H-VTMO在酸性条件与TEOS一起发生水解-缩合反应,形成有机-无机的体型网络结构。由图1可以看出,D4 H出现在2170.1cm-1处的Si-H吸收峰(谱线e)和VTMO出现在1600.2cm-1处的Si-CH=CH2吸收峰(谱线d),在合成前驱体D4 H-VTMO(1∶4)(谱线b)中消失,同时在1412.4cm-1处生成新的吸收峰,此峰为Si-C-C-Si键的特征吸收峰。作为对比,谱线c为前驱体D4 H-VTMO(1∶2)的红外光谱图,Si-H伸缩振动吸收峰在c中有所减弱,说明产物上尚有多余的Si-H未参加反应;而Si-CH=CH2吸收峰消失,说明中VTMO的乙烯基已完全反应。
(2)漆膜的基本性能
按国家标准,在镀锡不锈钢基材上制备了漆膜,经热处理后,测试了漆膜的基本性能包括光泽、附着力、冲击强度、铅笔硬度,其结果见下表:
D4 H∶VTMO∶TEOS(摩尔比) | 光泽度(光泽单位) | 附着力 | 冲击强度(1Kg) | 铅笔硬度 |
1∶2∶11∶2∶21∶2∶31∶2∶41∶3∶11∶3∶21∶3∶31∶3∶41∶4∶11∶4∶21∶4∶31∶4∶4 | 136.2130.6136.8139.2136.8139.2132.7134.6137.4132.1132.9138.2 | 1级1级1级1级1级1级1级1级1级1级1级1级 | 50cm50cm50cm50cm50cm50cm50cm50cm50cm50cm50cm45cm | 5H5H5H5H5H5H5H5H5H5H6H6H |
由表可以看出,漆膜的各项性能优异。光泽度>130(光泽单位),属高光涂料;附着力达1级,归属于杂化材料中所含的Si-OH基团能与基材表面很好的键合;由D4 H和VTMO按照1∶m,m=2~4摩尔比反应合成的前驱体D4 H-VTMO,经与TOES发生溶胶-凝胶反应,干燥后均可得到性能优异的漆膜。随涂料中无机含量的提高,漆膜硬度提高,但脆性也增加,反映在冲击强度上稍有降低。
(3)漆膜的耐化学试剂性能
为了考察漆膜的耐化学试剂性能,参照GB/T 1763-89“漆膜耐化学试剂性测定法”,选择异丙醇、丙酮、四氢呋喃(THF)、5% NaCl溶液、5% NaCl与0.1M的HCl混合溶液(体积比1∶1)、0.05M的H2SO4与0.5M的Na2SO4混合溶液(体积比1∶1)分别浸泡漆膜样板,不同TEOS用量漆膜耐上述溶液性能见下表:
化学溶剂 | D4-VTMO(1∶4)∶TOES(摩尔比) | |||
1∶1 | 1∶2 | 1∶3 | 1∶4 | |
异丙醇丙酮THF5%NaCl5%NaCl+0.1M HCl0.05M H2SO4+0.5M Na2SO4 | 1413654.53.5 | 14136654 | 14157765 | 14167765 |
注:单位为天
由表可以看出,有机-无机杂化涂料具有很好的耐有机溶剂性能,其中耐异丙醇和丙酮长达2周,耐THF达1周左右。对于盐、盐+酸等苛刻的溶剂环境,也可达4天左右。随着TEOS用量即无机组分含量的增加,有机-无机杂化涂料制得的漆膜,其耐化学试剂性也有所提高。
Claims (2)
2、一种制备如权利要求1所述的有机-无机杂化涂料的方法,其特征是:所述涂料的制备步骤如下:①将2,4,6,8-四甲基环四硅氧烷D4 H和乙烯基三甲氧基硅烷VTMO按摩尔比1∶m,m=2~4混合,在冰水浴、氮气保护和搅拌条件下滴加氯铂酸催化剂,40℃反应2h,60℃反应12h,得到淡黄色、透明油状的合成前驱体,记做D4 H-VTMO;②以异丙醇为溶剂,将D4 H-VTMO和正硅酸乙酯TEOS按摩尔比1∶q,q=1~4混合,以0.1mol/L对甲苯磺酸溶液调节体系的pH值为4.0,室温搅拌2h,制得溶胶;③在镀锡不锈钢基材上以浸涂、刮涂、刷涂或喷涂方法制备涂膜,室温干燥30min以上,形成凝胶,120℃热处理20min,得厚度10μm的无色透明漆膜。
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