TWI413665B - 塗料與塗層的形成方法 - Google Patents
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Description
本發明係關於一種水性低紅外線放射率塗料，更特別關於此塗料的組成、形成方法、與應用方法。
目前國內外市售的水性低紅外線放射率塗料雖具備低紅外線放射率，卻因為製程及材料的關係，其環保性還是遠遠比不上其他環保低碳塗料。目前市售的低紅外線放射率塗料還是以油性塗料為主流，其溶劑為甲苯，且揮發性有機化合物(VOC)濃度遠高於660 g/L。目前為止，只有美國SOLEC公司開發出具有水性基的低紅外線放射塗料LO/MIT-II，其揮發性有機化合物(VOC)濃度約在170 g/L；還是無法符合低VOC環保塗料的需求。目前推動零VOC塗料(～1 g/L)或低VOC塗料(＜30 g/L)在低紅外線放射率塗料領域還是難以達成。主要原因是塗料在水性化後，其金屬填料易遭嚴重氧化，也會在水溶液中發氣而造成塗料起泡。所以市售產品還是以油性塗料為主。為了發展水性低紅外線放射率塗料，業界先開發防水金屬填料，比如在金屬填料表面塗佈改質有機或無機薄層。根據實驗測試結果，其防水發氣性還是有其侷限，同時還會犧牲金屬填料的反射能力，使塗層放射率偏高。另一種作法是開發防水性黏結劑，比如水性矽乳液(silica emulsion)，此種水性黏結劑使用油性矽高分子單體先包金屬填料使其紅外透明，且可避免後續起泡。接著加酸使油性高分子轉成親水性或乳化成半油半水溶液，成為水性塗料。雖然產品是水性樹脂，但來源仍是油性單體，其VOC還是很高。
綜上所述，目前亟需一種新的紅外透明水性樹脂搭配金屬填料，以同時達到不發氣、高反射、和低VOC的要求。
本發明一實施例提供一種塗料，包括：70重量份至50重量份之水性黏結劑；30至50重量份之高漂浮金屬填料；以及100重量份至250重量份的水。
本發明一實施例提供一種塗層的形成方法，包括：混合50重量份至70重量份之水性黏結劑與100重量份至250重量份的水，形成第一塗料；將30至50重量份之高漂浮金屬填料加入第一塗料後攪拌混合，形成第二塗料；將第二塗料塗佈於基材上；以及去除第二塗料中的水，以形成塗層。
本發明之低放紅線放射率塗料是一種降低紅外熱輻射損失，達到節能效果的環保產品。此塗料可用於各種加熱容器如鍋爐或保溫杯的表面，以降低輻射熱損失，或運用於汽車及建築節能等場合。當熱源溫度越高，可減少的輻射熱就愈明顯。
首先，塗料需為環保節能塗料且具備低環境污染性(低VOC)。除了節能減排外，還可將溫室氣體CO2
轉換成新材料，常見方式是以碳捕獲的CO2
為原料製成聚碳酸酯二元醇(APC)開發出非異氫酸酯聚氨酯(NIPU)。此種脂肪族聚碳酸酯APC-PU具有良好低溫柔順性、抗氧化性和生物降解性，比起傳統PU具有無毒、良好抗濕敏性、耐水解、耐化學性及抗滲透性。添加聚碳酸酯多元醇polycarbonate polyols到PU上，還具有透明性、優良的機械強度和耐UV功能，有助於塗料應用到綠建築上。利用此種NIPU合成的聚氨酯分散體(polyurethane dispersion，PUD)接枝上述環保聚碳酸酯二元醇，即形成聚碳酸酯-聚氨酯(PC-PU)水性樹脂，可作為本發明塗料之水性黏結劑的主要組成。上述PC-PU共聚物可為市售商品，如購自Bayer之PUD(BAYHYDROL XP 2546)。此外，亦可參考Vanesa Garcia-Pacios或Xia Jiang的文章(Progress in Organic Coatings 71(2011) 136-146，European Polymer Journal 43(2007) 1838-1846)，製備水性的PC-PU共聚物。在本發明一實施例中，PC-PU共聚物為線型嵌段共聚物，而非交聯的網狀共聚物，減少高度的不飽和官能基產生強烈紅外吸收峰，以避免紅外波段範圍有強烈吸收基團。上述之PC-PU共聚物的重量平均分子量約介於50000至200000之間。若PC-PU共聚物的重量平均分子量過高，則物理特性變差。若共聚物PC-PU的重量平均分子量過低，則膜附著性變差。此外，PC-PU共聚物中，PC鏈段(軟鏈段)的OH基與PU鏈段(硬鏈段)的NCO基的莫耳比約介於1:0.9至1:1.1之間。若PC鏈段的比例過高，則塗層機械性變差。若PC鏈段的比例過低，則降低吸水率能力變差容易起泡。
除了上述環保、防水及減少金屬填料發氣等優點外，水性黏結劑之主要組成如PC-PU共聚物還具備高紅外透明度(或紅外低吸收)。由於PC-PU共聚物在1110 cm-1
波段並沒有-C-O-鍵的特徵峰，所以有較好的紅外透明度。舉例來說，PC-PU共聚物在2.5～25μm紅外區段之透明度約在90%以上。在本發明一實施例中，進一步採用奈米粒徑(1nm至100nm之間)之PC-PU共聚物，其紅外區段的透明度可高達95%，遠高於傳統PU樹脂的50～60%。在這必需說明的是，低紅外線放射塗料的放射率(α)(亦為吸收率(ε))如式1所示：
α=ε=1-R-T (式1)
在式1中，R為塗料中金屬填料的反射率，而T為塗料中黏結劑的穿透率。可以理解的是，當熱源的紅外線照射塗料時被黏結劑吸收而非穿透過去，則輻射熱能將累積於塗料中。如此一來，在塗料溫度提高後，將會朝另一方向輻射出紅外線(即熱能)。另一方面，若金屬填料的紅外線反射率不佳，熱能亦會累積於塗料中。換言之，塗料的放射率(α)與吸收率(ε)越低越好，最理想的狀況是熱源的紅外線直接穿過塗料中的黏結劑後，被金屬填料反射回熱源，而不會累積於塗料中。
在本發明一實施例中，水性黏結劑除了上述的PC-PU共聚物以外，還可包含其他添加劑如潤濕劑、消泡劑、及/或流平劑。PC-PU共聚物和這些添加劑的重量比約介於95:5至90:10之間。
在本發明一實施例中，取70重量份至50重量份的水性黏結劑與100重量份至250重量份水混合後，再加入30重量份至50重量份的高漂浮金屬填料。在這必需說明的是，水的用量是水性黏結劑與高漂浮金屬填料總重的1至2.5倍，即水性黏結劑與高漂浮金屬填料的總重為100重量份。若水性黏結劑之用量過高(即高漂浮金屬填料之用量過低)，則紅外反射率過低導致放射率偏高。若水性黏結劑之用量過低(即高漂浮金屬填料之用量過高)，則塗層偏脆不耐熱應力及附著力不佳。上述的高漂浮金屬填料可為尺寸介於8μm至40μm之間的葉形片狀金屬有最佳散射能力。若高漂浮金屬填料之尺寸過小，則散射能力快速下降(Rayleigh-scattering)。若高漂浮金屬填料之尺寸過大，則反射能力也會逐漸降低。高漂浮金屬填料於塗料中的漂浮率介於70%至100%之間。若高漂浮金屬填料於塗料中的漂浮率過低，則無法有效反射紅外線。第1圖為本發明一實施例中，塗層之示意圖。將塗料塗佈於基材11上後，陰乾並退火塗料以去除塗料中的水，即形成塗層100。基材11可為金屬、玻璃、塑膠、或其他常見之基材材料。在塗層100中，高漂浮金屬填料15係漂浮於水性黏結劑13上。如此一來，高漂浮金屬填料15可有效反射紅外線17。可以理解的是，若基材11本身即為熱源，底部入射的紅外線在穿過低紅外線吸收的水性黏結劑13後，亦會被高漂浮金屬填料15反射，在穿過低紅外線吸收的水性黏結劑後回到基材11。若金屬填料於塗料中的漂浮率過低，則會形成第2圖所示之塗層100’。此時紅外線17將會鑽過低漂浮率的金屬填料15’之間的孔隙，到達基材11。可以理解的是，若基材11本身即為熱源，底部入射的紅外線亦會鑽過低飄浮率的金屬填料15’之間的孔隙，射出塗層100’的上表面。
在本發明一實施例中，高漂浮的金屬填料其電負度介於1.1至1.9之間。若高漂浮的金屬填料之電負度過高，則容易產生氧化反應，失去金屬的反射性。然而，當高漂浮的金屬填料之電負度過低，則容易發生還原反應，失去金屬反射性。該高漂浮金屬填料之材質可為銅、鋁、鐵、鎳、錳、鋅、上述之混合物、或上述之合金。在本發明一實施例中，高漂浮金屬填料可為購自Seedchem Company PTY.LTD。
同樣如第1圖所示，將水性黏結劑13及水(未圖示)混合成第一塗料後，再加入高漂浮金屬填料15攪拌混合形成第二塗料。在本發明一實施例中，加入高漂浮金屬填料後的攪拌混合步驟介於200rpm至300rpm之間。若攪拌混合的速率過高，則高速碰撞的高漂浮金屬填料會結合成尺寸過大的金屬填料而降低其漂浮性。若攪拌混合的速率過低，高漂浮金屬填料將無法均勻分散於第一塗料中。接著將第二塗料塗佈於基材11上，再去除第二塗料中的水比形成塗層100。在本發明一實施例中，去除第二塗料中的水之方法可為於25℃下陰乾一段時間，使高漂浮金屬填料漂浮。在本發明另一實施例中，可進一步以30分鐘至2小時之90℃至110℃的退火製程除確保第二塗料中的水完全去除。退火製程可提高塗層緻密化程度和導電度，也同時使殘餘溶劑從塗層中揮發掉，提升黏結劑透明度。若退火製程的時間過短及/或溫度過低，可能導致水氣揮發和塗層結構緻密化不足。若退火製程的時間過長及/或溫度過高，則塗層容易氧化失去反射性。至此即完成本發明所需之水性、低VOC、與低紅外放射率之塗層。經實驗證實，本發明之塗層的紅外線放射率僅為0.2至0.25之間，遠低於市售產品的0.4至0.6。
為了讓本發明之上述和其他目的、特徵、和優點能更明顯易懂，下文特舉數實施例配合所附圖式，作詳細說明如下：
【實施例】
比較例1
取15重量份的甲基丙烯酸甲酯(MMA，Aldrich)與2.8重量份的丙烯酸(AA，Acros organic)作為黏結劑，加入4重量份的二甲苯及4重量份的甲乙酮混合後，再加入1.2重量份的一般鋁粉(新昌榮國際有限公司/FAL-02)後攪拌混合形成塗料，塗佈於基材後陰乾8小時，再以100℃的回火製程去除二甲苯和甲乙酮形成塗層。此塗層之紅外線吸收率(ε)為0.44(放射率測定器TSS-5X，Japan Sensor Corporation)。上述塗料的配方及塗層的吸收率如表1所示。
比較例2
取15重量份的甲基丙烯酸甲酯(MMA，Aldrich)、2.8重量份的丙烯酸(AA，Acros organic)、與3.3重量份的二氧化矽乳液(新昌榮國際有限公司/WS-01)作為黏結劑，加入4重量份的二甲苯及4重量份的甲乙酮混合後，再加入1.2重量份的一般鋁粉(新昌榮國際有限公司/FAL-02)後攪拌混合形成塗料，塗佈於基材後陰乾8小時，再以100℃的回火製程去除二甲苯和甲乙酮形成塗層。此塗層之紅外線吸收率(ε)介於0.45至0.47之間(放射率測定器TSS-5X，Japan Sensor Corporation)。上述塗料的配方及塗層的吸收率如第1表所示。
比較例3
取15重量份的聚甲基丙烯酸甲酯(PMMA，Seedchem company 08822)、與2.8重量份的醋酸作為黏結劑，加入4重量份的二甲苯及4重量份的甲乙酮混合後，再加入1.2重量份的一般鋁粉(新昌榮國際有限公司/FAL-02)後攪拌混合形成塗料，塗佈於基材後陰乾8小時，再以100℃的回火製程去除二甲苯和甲乙酮形成塗層。此塗層之紅外線吸收率(ε)介於0.51至0.56之間(放射率測定器TSS-5X，Japan Sensor Corporation)。上述塗料的配方及塗層的吸收率如第1表所示。
比較例4
取6重量份的聚甲基丙烯酸甲酯(PMMA，Seedchem company 08822)、9重量份的甲基丙烯酸甲酯(MMA，Aldrich)、與2.8重量份的丙烯酸(AA，Acros organic)作為黏結劑，加入4重量份的二甲苯及4重量份的甲乙酮混合後，再加入1.2重量份的一般鋁粉(新昌榮國際有限公司/FAL-02)後攪拌混合形成塗料，塗佈於基材後陰乾8小時，再以100℃的回火製程去除二甲苯和甲乙酮形成塗層。此塗層之紅外線吸收率(ε)介於0.54至0.56之間(放射率測定器TSS-5X，Japan Sensor Corporation)。上述塗料的配方及塗層的吸收率如第1表所示。
比較例5
取15重量份的聚甲基丙烯酸甲酯(PMMA，Seedchem company 08822)、與15重量份的聚乙撑二氧噻吩(PEDOT，UR-PH1000)作為黏結劑，加入8重量份的水後，再加入1.2重量份的一般鋁粉(新昌榮國際有限公司/FAL-02)後攪拌混合形成塗料，塗佈於基材後陰乾8小時，再以100℃的回火製程去除二甲苯和甲乙酮形成塗層。此塗層之紅外線吸收率(ε)介於0.81至0.83之間(放射率測定器TSS-5X，Japan Sensor Corporation)。上述塗料的配方及塗層的吸收率如第1表所示。
比較例6
取15重量份的甲基丙烯酸甲酯(MMA，Aldrich)、3.3重量份的聚乙烯醇(PVA，Merck)、與2.8重量份的丙烯酸(AA，Acros organic)作為黏結劑，加入4重量份的二甲苯及4重量份的甲乙酮混合後，再加入1.2重量份的一般鋁粉(新昌榮國際有限公司/FAL-02)後攪拌混合形成塗料，塗佈於基材後陰乾8小時，再以100℃的回火製程去除二甲苯和甲乙酮形成塗層。此塗層之紅外線吸收率(ε)介於0.53至0.57之間(放射率測定器TSS-5X，Japan Sensor Corporation)。上述塗料的配方及塗層的吸收率如第1表所示。
比較例7
取15重量份的甲基丙烯酸甲酯(MMA，Aldrich)、0.15重量份的偶氮二異丁腈(AIBN)、3.3重量份的聚乙烯醇(PVA，Merck)、與2.8重量份的丙烯酸(AA，Acros organic)作為黏結劑，加入4重量份的二甲苯及4重量份的甲乙酮混合後，再加入1.2重量份的一般鋁粉(新昌榮國際有限公司/FAL-02)後攪拌混合形成塗料，塗佈於基材後陰乾8小時，再以100℃的回火製程去除二甲苯和甲乙酮形成塗層。此塗層之紅外線吸收率(ε)介於0.52至0.54之間(放射率測定器TSS-5X，Japan Sensor Corporation)。上述塗料的配方及塗層的吸收率如第1表所示。
比較例8
取9重量份的甲基丙烯酸甲酯(MMA，Aldrich)、0.15重量份的偶氮二異丁腈(AIBN)、6重量份的聚甲基丙烯酸甲酯(PMMA，Seedchem company 08822)、與2.8重量份的丙烯酸(AA，Acros organic)作為黏結劑，加入4重量份的二甲苯及4重量份的甲乙酮混合後，再加入1.2重量份的一般鋁粉(新昌榮國際有限公司/FAL-02)後攪拌混合形成塗料，塗佈於基材後陰乾8小時，再以100℃的回火製程去除二甲苯和甲乙酮形成塗層。此塗層之紅外線吸收率(ε)介於0.52至0.54之間(放射率測定器TSS-5X，Japan Sensor Corporation)。上述塗料的配方及塗層的吸收率如第1表所示。
比較例9
取70重量份的PC-PU共聚物(PENTENS NPU-12A)作為黏結劑，加入100重量份的水混合後，再加入30重量份的一般鋁粉(新昌榮國際有限公司/FAL-02)攪拌混合後形成塗料，塗佈於基材後陰乾8小時，再以100℃的回火製程去除水形成塗層。此塗層之紅外線吸收率(ε)介於0.43至0.46之間(放射率測定器TSS-5X，Japan Sensor Corporation)。上述塗料的配方及塗層的吸收率如第1表所示。
比較例10
取60重量份的PC-PU共聚物(PENTENS NPU-12A)作為黏結劑，加入100重量份的水混合後，再加入40重量份的一般鋁粉(新昌榮國際有限公司/FAL-02)攪拌混合後形成塗料，塗佈於基材後陰乾8小時，再以100℃的回火製程去除水形成塗層。此塗層之紅外線吸收率(ε)介於0.41至0.43之間(放射率測定器TSS-5X，Japan Sensor Corporation)。上述塗料的配方及塗層的吸收率如第1表所示。
由於一般鋁粉的反射性不強，很容易比較出黏結劑的紅外透明度之差異。當紅外透明度性質愈佳之黏結劑，放射率會愈低。如第1表所示，壓克力系單體或聚合物、PVC，二氧化矽乳液都比不上PC-PU共聚物，其表現較接近MMA單體的紅外透明效果。
實施例1
取80重量份的PC-PU共聚物(PENTENS NPU-12A)作為黏結劑，加入100重量份的水混合後，再加入20重量份的高漂浮鋁填料(70%漂浮率，新昌榮國際有限公司/AL101)攪拌混合後形成塗料，塗佈於基材後陰乾8小時，再以100℃的回火製程去除水形成塗層。此塗層之紅外線吸收率(ε)為0.38(放射率測定器TSS-5X，Japan Sensor Corporation)。上述塗料的配方及塗層的吸收率如第2表所示。
實施例2
取80重量份的PC-PU共聚物(PENTENS NPU-12A)作為黏結劑，加入100重量份的水混合後，再加入20重量份的高漂浮鋁填料(73%漂浮率，Seedchem Company之AL1041)攪拌混合後形成塗料，塗佈於基材後陰乾8小時，再以100℃的回火製程去除水形成塗層。此塗層之紅外線吸收率(ε)為0.27(放射率測定器TSS-5X，Japan Sensor Corporation)。上述塗料的配方及塗層的吸收率如第2表所示。
實施例3
取80重量份的PC-PU共聚物(PENTENS NPU-12A)作為黏結劑，加入100重量份的水混合後，再加入20重量份的高漂浮鋁填料(93%漂浮率，Seedchem Company之AR1001)攪拌混合後形成塗料，塗佈於基材後陰乾8小時，再以100℃的回火製程去除水形成塗層。此塗層之紅外線吸收率(ε)為0.25(放射率測定器TSS-5X，Japan Sensor Corporation)。上述塗料的配方及塗層的吸收率如第2表所示。
實施例4
取70重量份的PC-PU共聚物(PENTENS NPU-12A)作為黏結劑，加入100重量份的水混合後，再加入30重量份的高漂浮鋁填料(93%漂浮率，Seedchem Company之AR1001)攪拌混合後形成塗料，塗佈於基材後陰乾8小時，再以100℃的回火製程去除水形成塗層。此塗層之紅外線吸收率(ε)為0.23(放射率測定器TSS-5X，Japan Sensor Corporation)。上述塗料的配方及塗層的吸收率如第2表所示。與比較例1-10相較，採用高漂浮鋁填料搭配PC-PU共聚物可有效降低塗層的紅外線吸收率(ε)。
雖然本發明已以數個較佳實施例揭露如上，然其並非用以限定本發明，任何熟習此技藝者，在不脫離本發明之精神和範圍內，當可作任意之更動與潤飾，因此本發明之保護範圍當視後附之申請專利範圍所界定者為準。
11．．．基材
13．．．水性黏結劑
15．．．高漂浮金屬填料
15’．．．低漂浮金屬填料
17．．．紅外線
100、100’．．．塗層
第1-2圖係本發明一實施例中，塗層的示意圖。
11．．．基材
13．．．水性黏結劑
15．．．高漂浮金屬填料
17．．．紅外線
100．．．塗層
Claims (13)
- 一種塗料，包括：70重量份至50重量份之水性黏結劑；30重量份至50重量份之高漂浮金屬填料；以及100重量份至250重量份的水。
- 如申請專利範圍第1項所述之塗料，其中該水性黏結劑包括一聚碳酸酯-聚氨酯之線型嵌段共聚物，其重量平均分子量介於50000至20000之間，且聚碳酸酯與聚氨酯之莫耳比介於1:0.9至1:1.1之間。
- 如申請專利範圍第2項所述之塗料，其中該聚碳酸酯-聚氨酯之粒徑介於1nm至100nm之間。
- 如申請專利範圍第1項所述之塗料，其中該高漂浮金屬填料為葉形片狀金屬，其尺寸介於8μm至40μm之間。
- 如申請專利範圍第1項所述之塗料，其中該高漂浮金屬填料於該塗料中的漂浮率介於70%至100%之間。
- 如申請專利範圍第1項所述之塗料，其中該高漂浮金屬填料之電負度介於1.1至1.9之間，且該高漂浮金屬填料包括銅、鋁、鐵、鎳、錳、鋅、上述之混合物、或上述之合金。
- 如申請專利範圍第2項所述之塗料，其中該水性黏結劑更包括潤濕劑、消泡劑、及/或流平劑。
- 一種塗層的形成方法，包括：混合50重量份至70重量份之水性黏結劑與100重量份至250重量份的水，形成一第一塗料；將30重量份至50重量份之高漂浮金屬填料加入該第一塗料後攪拌混合，形成一第二塗料；將該第二塗料塗佈於一基材上；以及去除該第二塗料中的水，以形成一塗層。
- 如申請專利範圍第8項所述之塗層形成的方法，其中該水性黏結劑包括一聚碳酸酯-聚氨酯之線型嵌段共聚物，其重量平均分子量介於50000至20000之間，且聚碳酸酯與聚氨酯之莫耳比介於1:0.9至1:1.1之間。
- 如申請專利範圍第8項所述之塗層的形成方法，其中將30重量份至50重量份之高漂浮金屬填料加入該第一塗料後攪拌混合的步驟中，攪拌速率介於200rpm至300rpm之間。
- 如申請專利範圍第8項所述之塗層的形成方法，其中去除該第二塗料中的水之步驟包括於25℃下陰乾。
- 如申請專利範圍第11項所述之塗層的形成方法，其中去除該第二塗料中的水之步驟更包括係一退火製程，其該退火製程之溫度介於90℃至110℃之間，且該退火製程之時間介於30分鐘至2小時之間。
- 如申請專利範圍第8項所述之塗層的形成方法，其中該塗層之紅外線放射率介於0.2至0.25之間。
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| CN103087619A (zh) | 2013-05-08 |
| CN103087619B (zh) | 2015-05-13 |
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