CN1394918A - 纳米水性分散体组合物及其制备方法和用途 - Google Patents

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Abstract

本发明涉及一种纳米水性分散体组合物及其制备方法和用途。该水性分散体组合物包括：纳米粉体无机材料、表面处理剂、分散剂和水。这种纳米水性分散体组合物可用于涂料或油墨中，使用在涂料中可以提高涂料的抗老化性能、涂膜强度硬度、触变性能、流平性能以及阻燃性能等。

Description

纳米水性分散体组合物及其制备方法和用途
技术领域
本发明涉及一种涂料助剂，具体地说涉及一种用于涂料和油墨的改性剂，尤其是涉及一种用多种无机材料复合制成的水性分散体组合物。
背景技术
涂料，油墨等产品一般需要使用各种功能助剂，如触变剂、分散剂、抗老化剂、流平剂等，这些助剂对产品的性能产生很大的影响。可以说，涂料的档次很大程度上取决于这些助剂。目前市场上比较好的助剂有英国ICI公司生产的S系列分散剂，触变剂一般使用改性的纤维素，比较好的抗老化剂有瑞士汽巴公司生产的S-3225D，这些产品大多性能单一，且价格昂贵。
发明内容
因此，本发明的一个要解决的技术问题是提供一种具有多种功能的水性助剂，即一种纳米水性分散体组合物，它兼有抗老化剂，分散剂、补强剂以及阻燃剂等综合性能，特别是具有优异的抗老化性能和触变性能，且使用方便，成本较低。
本发明的另一个要解决的技术问题是提供一种制备纳米水性分散体组合物的方法。
本发明的再一个要解决的技术问题是提供所述水性分散体组合物的用途，即用该组合物改性涂料。
在本发明的一个实施方案中，提供了一种纳米水性分散体组合物，以重量份计，该组合物包括以下组分：
氧化锌粉体材料：                  1-15份
碳酸钙粉体材料：                  1-20份
二氧化钛粉体材料：                1-15份
二氧化硅粉体材料：                1-20份
三氧化二锑粉体材料：       0-20份
表面处理剂.：              1-20份
表面活性剂：               1-20份
分散剂：                   1-10份
水：                       余量
其中组合物的粉体材料的含量占组合物总重量份的10-50％，粉体材料的平均粒径为1-100纳米。
在本发明的实施中，所用的表面处理剂可以是本领域公知的表面处理剂，包括硅烷偶联剂、硬脂酸钠、烷氧乙烯醚或其任意一种或几种的混合物。优选的表面处理剂包括硅烷偶联剂、硬脂酸钠或其混合物。以水性分散体组合物的总重量份计，可以加入1-20份表面处理剂，优选加入1-15份表面处理剂。
在本发明中可以使用的表面活性剂是非离子型表面活性剂，其包括壬基酚聚氧烯醚、烷芳基聚醚醇和改性烷基酚聚氧乙烯醚，优选的表面活性剂为烷芳基聚醚醇。以水性分散体组合物的总重量份计，可以加入1-20份表面活性剂，优选加入2-10份表面活性剂。
可用于本发明的分散剂是2-氨基-2-甲基-1-丙醇。以水性分散体组合物的总重量份计，可以加入1-10份分散剂，优选加入3-10份分散剂。
在本发明的一个优选实施方案中，提供了一种纳米水性分散体组合物，以重量份计，该组合物包括以下组分：
氧化锌粉体材料：              1-15份
碳酸钙粉体材料：              1-20份
二氧化钛粉体材料：            1-15份
二氧化硅粉体材料：            1-15份
三氧化二锑粉体材料：          0-15份
表面处理剂：                  1-15份
表面活性剂：                  2-10份
分散剂：                      3-10份
水：                          余量
其中组合物的粉体材料的含量占组合物总重量份的20-40％，粉体材料的平均粒径为1-100纳米。
在本发明的另一个实施方案中，提供了一种制备纳米水性分散体组合物的方法，该方法包括以下步骤：a)将所需的粉体材料与表面处理剂进行混合研磨20-180分钟；b)将水、表面活性剂和分散剂均匀混合，配制成预混液；c)将第a步所得到的纳米混合物加入第b步配制的预混液中，以8-20米/秒的线速度搅拌20-100分钟；d)将所得混合物进行研磨20-180分钟；然后d)超声处理研磨后的混合物20-300分钟，超声频率为1-40K。
在本发明的另一个优选实施方案中，提供了一种制备纳米水性分散体组合物的方法，该方法包括以下步骤：a)将所述的粉体材料与表面处理剂进行混合研磨20-120分钟；b)将水、表面活性剂和分散剂均匀混合，配制成预混液；c)将第a步所得到的纳米混合物加入第b步配制的预混液中，以8-20米/秒的线速度搅拌20-100分钟；d)将所得混合物进行研磨20-120分钟；e)超声处理研磨后的混合物20-200分钟，超声频率为1-40K。
在本发明的另一个实施方案中，还可以使用气流粉碎设备对粉体混合材料与表面处理剂进行处理1-5遍。
在本发明的另一个实施方案中，可以选择性地加入所述的粉体材料。例如，主要为了提高抗老化性能并有较好的强度，就可以只加入粉体氧化锌、碳酸钙、二氧化钛和二氧化硅；如果要提高阻燃性能，则可以再加入三氧化二锑粉体。本领域普通技术人员可以根据所需的性能加入不同的粉体材料，而制得不同的分散体组合物。
在本发明的实施中，在步骤c完成后，为了增加产品的使用性能，还可以在分散过程中加入防霉剂、消泡剂，例如瑞士Clariant生产的Kathon LXE、Rozone2000等防霉剂，德国Henkel生产的NXZ、F111等消泡剂。
在第a)步和第d)步的研磨过程中，可以采用研磨机，砂磨机和球磨机等。研磨后将混合物收集于玻璃或塑料容器中。研磨时间为20-180分钟，优选20-120分钟。在第e)步的超声处理中，超声源可以直接采用超声波发生器或具有超声波发生功能的器具。处理时间为20-300分钟，优选为20-200分钟。
在本发明的另一个实施方案中，提供了一种包含所述水性分散体组合物的涂料。具体方法是在涂料生产过程中的分散、研磨等过程中加入本发明的水性分散体组合物，加入后进行充分搅拌使之均匀，加入的量为涂料总重量份的1-10％。该涂料的综合性能得到了明显改善。
由于本发明的纳米水性分散体组合物含有多种纳米材料，因而具有多种特殊性能。纳米是长度单位，1纳米等于十亿分之一米，纳米材料通常是指材料在三维方向上至少有一维的尺寸在1-100纳米之间，并且具有区别于常规尺寸时的特殊的物理化学性能。研究实验表明，纳米二氧化硅、二氧化钛等具有优异的紫外光线(引起老化的主要因素)吸收特性，纳米碳酸钙粉、纳米氧化锌具有较好的增强性能，纳米三氧化二锑粉体材料是一种很好的阻燃材料。本发明涉及的纳米水性分散体组合物含有多种功能纳米材料，并由于经过了适当的处理，可以保证纳米材料在体系中形成纳米级的分散。这种纳米水性分散体组合物使用在涂料中可以提高涂料的抗老化性能、涂膜强度硬度、触变性能、流平性能以及阻燃性能等。由于该产品不含有易挥发的有机物质，因此它还是一种对环境友好型的产品。
此外，涂料经本发明的纳米水性分散体组合物改性后，可获得抗老化、耐擦洗、耐污染、涂层硬度、流平性、阻燃性能等的提高。
下面通过实施例举例说明本发明。在不背离本发明的构思和保护范围的情况下，在涂料助剂的技术领域内，可以对本发明进行其他的修改。
除非具体指明，本说明书中所有百分数和份数都以重量为基准。
具体实施方式
实施例1采用以下配方制备纳米水性分散体：
氧化锌粉体材料：          5份
碳酸钙粉体材料：          8份
二氧化钛粉体材料：        4份
二氧化硅粉体材料：        5份
三氧化二锑粉体材料：     5份
硅烷偶联剂：             5份
壬基酚聚氧烯醚：         6份
2-氨基-2-甲基-1-丙醇：   6份
水：                     56份
将粉体材料与硅烷偶联剂混合并进行球磨60分钟，或者使用气流粉碎设备进行处理1-5遍；然后将壬基酚聚氧烯醚、2-氨基-2-甲基-1-丙醇和水均匀混合，配制成预混液；将粉体材料与硅烷偶联剂的球磨后的混合物倒入预混液中，同时在线速度为8-20米/秒的搅拌器中高速搅拌30分钟；再将所得的混合物研磨60分钟；最后用频率为1-40K的超声处理器处理研磨后的混合物80分钟，则得到了本发明的纳米水性分散体组合物。实施例1的组合物显示了优良的抗老化性、耐水浸泡性、阻燃性和耐擦洗性等综合性能。
实施例2采用以下配方制备纳米水性分散体：
氧化锌粉体材料：           5份
碳酸钙粉体材料：           1份
二氧化钛粉体材料：         1份
二氧化硅粉体材料：         20份
三氧化二锑粉体材料：       3份
硬脂酸钠和硅烷偶联剂：     15份
烷芳基聚醚醇：             1份
2-氨基-2-甲基-1-丙醇：     3份
水：                       52份
将粉体材料与硬脂酸钠和硅烷偶联剂混合并进行球磨180分钟，或者使用气流粉碎设备进行处理1-5遍；然后将烷芳基聚醚醇、2-氨基-2-甲基-1-丙醇和水均匀混合，配制成预混液；将粉体材料的球磨后的混合物加入预混液中，同时在线速度为8-20米/秒的搅拌器中搅拌100分钟；再将所得的混合物研磨180分钟；最后用频率为1-40K的超声处理器处理研磨后的混合物300分钟，则得到了本发明的纳米水性分散体组合物。实施例2的组合物显示了良好的综合性能。
实施例3采用以下配方制备纳米水性分散体：
氧化锌粉体材料：           1份
碳酸钙粉体材料：           15份
二氧化钛粉体材料：         1份
二氧化硅粉体材料：         10份
三氧化二锑粉体材料：       0份
烷氧乙烯醚和硬脂酸钠：     20份
改性烷基酚聚氧乙烯醚：     1份
2-氨基-2-甲基-1-丙醇：     3份
水：                       49份
将粉体材料与烷氧乙烯醚和硬脂酸钠混合并进行球磨120分钟；然后将1，2-丙二醇、2-氨基-2-甲基-1-丙醇和水均匀混合，配制成预混液；将经表面处理的粉体材料的混合物加入预混液中，同时在线速度为8-20米/秒的搅拌器中高速搅拌100分钟；再将所得的混合物研磨120分钟；最后用频率为1-40K的超声处理器处理研磨后的混合物200分钟，则得到了本发明的纳米水性分散体组合物。实施例3的组合物显示了良好的抗老化性能和增强性能。
实施例4采用以下配方制备纳米水性分散体：
氧化锌粉体材料：        3份
碳酸钙粉体材料：        2份
二氧化钛粉体材料：      1份
二氧化硅粉体材料：      3份
三氧化二锑粉体材料：    1份
烷氧乙烯醚：            2份
改性烷基酚聚氧乙烯醚：  2份
2-氨基-2-甲基-1-丙醇：  3份
水：                      83份
将粉体材料与烷氧乙烯醚混合并进行球磨20分钟；然后将1，2-丙二醇、2-氨基-2-甲基-1-丙醇和水均匀混合，配制成预混液；将经表面处理的粉体材料的混合物加入预混液中，同时在线速度为8-20米/秒的搅拌器中搅拌20分钟；再将所得的混合物研磨20分钟；最后用频率为1-40K的超声处理器处理研磨后的混合物20分钟，则得到了本发明的纳米水性分散体组合物。
实施例5采用以下配方制备纳米水性分散体：
氧化锌粉体材料：          5份
碳酸钙粉体材料：          6份
二氧化钛粉体材料：        4份
二氧化硅粉体材料：        4份
氧化二锑粉体材料：        3份
硅烷偶联剂：              5份
壬基酚聚氧烯醚：          20份
2-氨基-2-甲基-1-丙醇：    10份
水：                      43份
将粉体材料与硅烷偶联剂混合并进行球磨80分钟；然后将壬基酚聚氧烯醚、2-氨基-2-甲基-1-丙醇和水均匀混合，配制成预混液；将经表面处理的粉体材料的混合物加入预混液中，同时在线速度为8-20米/秒的搅拌器中高速搅拌50分钟；再将所得的混合物研磨60分钟；最后用频率为1-40K的超声处理器处理研磨后的混合物120分钟，则得到了本发明的纳米水性分散体组合物。。
实施例6
用5份本发明组合物与95份丙烯酸涂料进行充分混合改性，改性前后涂料部分性能如下：
    性能名称     普通涂料     改性涂料
    人工老化     250小时     750-1000小时
    耐水浸泡     14天强度下降     60天无变化
    漆膜硬度     3-4H     6H以上
    触变性     一般     很好
    耐沾污系数     小于15％为优     2％
    耐擦洗性     1000次为一等品     10000次
实施例7
用10份本发明组合物与90份丙烯酸涂料进行充分混合改性，改性前后涂料部分性能如下：
    性能名称     普通涂料     改性涂料
    人工老化     250小时     750-1000小时
    耐水浸泡     14天强度下降     60天无变化
    漆膜硬度     3-4H     6H以上
    触变性     一般     很好
    耐沾污系数     小于15％为优     2％
    耐擦洗性     1000次为一等品     10000次
实施例8
用1份本发明组合物与99份丙烯酸涂料进行充分混合改性，改性前后涂料部分性能如下：
    性能名称     普通涂料     改性涂料
    人工老化     250小时     300-500小时
    耐水浸泡     14天强度下降     30天无变化
    漆膜硬度     3-4H     4H以上
    触变性     一般     很好
    耐沾污系数     小于15％为优     2％
    耐擦洗性     1000次为一等品     ＞1000次

Claims (10)

1.一种纳米水性分散体组合物，其特征在于以重量计，该组合物包括以下组分：
氧化锌粉体材料：              1-15份
碳酸钙粉体材料：              1-20份
二氧化钛粉体材料：            1-15份
二氧化硅粉体材料：            1-20份
三氧化二锑粉体材料：          0-20份
表面处理剂：                  1-20份
表面活性剂：                  1-20份
分散剂：                      1-10份
水：                          余量其中以组合物的固体含量占整重量的10-50％，粉体材料的平均粒径为1-100纳米。
2.根据权利要求1的水性分散体组合物，其特征在于该组合物包括以下组分：
氧化锌粉体材料：                    1-15份
碳酸钙粉体材料：                    1-20份
二氧化钛粉体材料：                  1-15份
二氧化硅粉体材料：                  1-15份
三氧化二锑粉体材料：                1-15份
表面处理剂：                        1-15份
表面活性剂：                        2-10份
分散剂：                            3-10份
水：                                余量其中以组合物的固体含量占整重量的20-40％，粉体材料的平均粒径为1-100纳米。
3.根据权利要求1的水性分散体组合物，其特征在于所述表面处理剂包括硅烷偶联剂、硬脂酸钠、烷氧乙烯醚或其任意一种或几种的混合物。
4.根据权利要求1的水性分散体组合物，其特征在于所述表面活性剂是非离子型表面活性剂，包括壬基酚聚氧烯醚、烷芳基聚醚醇和改性烷基酚聚氧乙烯醚。
5.根据权利要求1的水性分散体组合物，其特征在于所述分散剂是2-氨基-2-甲基-1-丙醇。
6.一种制备纳米水性分散体组合物的方法，其特征在于该方法包括以下步骤：e)将所需的粉体材料与表面处理剂进行混合研磨20-180分钟；f)将水、表面活性剂和分散剂均匀混合，配制成预混液；g)将第a步所得到的纳米混合物加入第b步配制的预混液中，以8-20米/秒的线速度搅拌20-120分钟；d)将所得混合物进行研磨20-180分钟；然后e)超声处理研磨后的混合物20-300分钟，超声频率为1-40K。
7.根据权利要求6所述的方法，其特征在于该方法包括以下步骤：a)将所需的粉体材料与表面处理剂进行混合球磨20-120分钟；b)将水、表面活性剂和分散剂均匀混合，配制成预混液；c)将第a步所得到的纳米混合物加入第b步配制的预混液中，以8-20米/秒的线速度搅拌20-100分钟；d)将所得混合物进行研磨20-120分钟；然后e)超声处理研磨后的混合物20-200分钟，超声频率为1-40K。
8.根据权利要求6或7所述的方法，其特征在于步骤a还可以采用气流粉碎设备进行处理1遍-5遍。
9.一种涂料，其特征在于以所述涂料的重量计，在所述涂料中加入1-10份的权利要求1所述的水性分散体组合物。
10.一种涂料，其特征在于以所述涂料的重量计，在所述涂料中加入1-10份的权利要求2所述的水性分散体组合物。
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