TWI617637B - Nano anion functional waterborne wood lacquer and preparation method thereof - Google Patents

Abstract

本發明公開一種奈米負離子功能型水性木器漆及其製備方法，其包括如下重量份的組分：脂肪族改性聚氨酯分散體60-85份、水溶性複合奈米負離子粉0.3-0.8份、增硬樹脂1-3份、水7-12份、蠟乳液1-3份及其他助劑4-12份。該水性木器漆利用配方的調整，搭配一些功能材料，使得在理化技術指標上可以達到或超越油性木器漆，且負離子粉添加量少，但是能持續高效釋放負離子，從而達到淨化空氣，提高人體免疫力，產品環保無毒，綜合性能優異，實用性強、應用前景廣泛。

Description

奈米負離子功能型水性木器漆及其製備方法

本發明涉及水性木器漆技術領域，特別公開一種奈米負離子功能型水性木器漆及其製備方法。

市場上銷售的水性塗料品牌混雜，品質參差不齊，有的都含有對人體有害的物質如重金屬等，並釋放出如甲醛、VOC(揮發性有機化合物)等，這些物質都會對人體造成毒害、對環境造成嚴重污染。而負離子被譽為“空氣維生素和生長素”，如同食物的維生素一樣，負離子對人體及其他生物的生命活動有著十分重要的積極影響。負離子含量的高低是評價環境和空氣品質的一個重要指標。

已有部分專利技術在水性塗料中添加負離子，以獲得環保的效果。例如CN104119800A採用乳液、包埋負離子奈米二氧化矽等原料製成牆面水性漆，其中被包埋的負離子包括稀土元素粉和電石氣粉，然而，稀土元素有輻射傷害並含有某些對人體有害的重金屬，對於有嬰幼兒活動接觸的室內裝飾裝修和傢俱等，為了安全起見，室內塗料中不適合添加該類負離子材料。

此外，CN104592878A公開了一種含有複合負離子粉、負離子添加劑和水性樹脂分散體的環保水性漆，其中複合負離子粉由水晶鹽、奈米二氧化矽、奈米磷酸二氧化鈦和奈米氧化鋅組成，負離子添加劑由電 石氣、石墨烯、海泡石和表面活性劑組成，然而石墨烯成本較高，並且該專利中負離子組分用量較大，因此該環保漆成本較高。

類似的，CN104087099A公開的負離子健康室內塗料採用電石氣粉產生負離子，但是其用量也非常大；CN103788854A公開的除醛負離子清味木門漆採用羥基聚氨酯樹脂、羥基丙烯酸樹脂作為成膜樹脂，採用奈米光觸媒材料改性的矽酸鹽礦物粉體作為奈米負離子粉，其用量也很大。

因此，急需一種產生負離子的原料添加量少，但是能高效釋放負離子的低成本的環保負離子水性漆，該漆具有環保、持續釋放負離子、淨化空氣中有毒有害氣體、提高人體免疫力的效果。

本發明的目的在於提供一種奈米負離子功能型水性木器漆，其包含脂肪族改性聚氨酯分散體、水溶性複合奈米負離子粉和增硬樹脂。該木器漆環保、低成本並能持續高效釋放負離子。

本發明的另一個目的在於提供一種製備奈米負離子功能型水性木器漆的方法。該製備方法操作簡單，可產業化生產。

本發明提供一種奈米負離子功能型水性木器漆，其包括如下重量份的組分：脂肪族改性聚氨酯分散體60-85份、水溶性複合奈米負離子粉0.3-0.8份、增硬樹脂1-3份、水7-12份、蠟乳液1-3份、其他助劑4-12份。

其中，較佳地，脂肪族改性聚氨酯分散體，採用植物油、異佛爾酮二異氰酸酯、聚醚二元醇及氨丙基三乙氧基矽烷為原料，藉由預聚 體混合法合成，是一種新型脂肪族水性聚氨酯光油。所述植物油最佳為蓖麻油(CO)。

更佳地，各原料重量份比例如下：蓖麻油(CO)95-96.4份、異佛爾酮二異氰酸酯0.5-0.8份、聚醚二元醇1-1.2份、氨丙基三乙氧基矽烷0.2-0.5份。

由於原料中含有氨丙基三乙氧基矽烷，因此上述脂肪族改性聚氨酯是以聚矽氧烷為軟段合成的聚矽氧烷-聚氨酯嵌段共聚物，兼具有聚矽氧烷和聚氨酯兩者的優異性能，表現出良好的低溫柔順性、介電性、表面富集性和優良的生物相容性等，能夠克服聚矽氧烷機械性能差的缺點，也可以彌補聚氨酯耐候性差的不足。此外，原料中的蓖麻油屬於植物油，是一種可再生資源，來源廣泛、價格低廉，易於獲取和購買，其又能顯著提高材料的光澤度。

前述預聚體混合法實際上是預聚體-離聚體混合法。該製備方法是先製備帶親水基團並含-NCO端基的預聚物，在低溫水中分散後，利用二元胺或二元醇擴鏈，當預聚物黏度較高時，可適當加入少量溶劑，使預聚物在40℃左右易於攪拌分散。優點是製程簡單，能得到含乳化大分子的乳液。例如：用N-甲基二乙醇胺和二羥甲基丙酸(DMPA)合成聚氨酯分散體，DMPA上的羧酸由於位阻同異氰酸酯基團反應緩慢，用胺將羧酸基團中和後，用水稀釋得到水分散體，然後擴鏈，但在後擴鏈的時候一定要嚴格控制黏度，否則分散困難，甚至不能分散，為了進一步提高性能，加入如三聚氰胺樹脂等交聯劑。

脂肪族改性聚氨酯分散體是以水為介質的二元膠態體系，其粒徑小於0.1nm，具有較好的分散穩定性，不僅保留了傳統的溶劑型聚氨酯乾燥速度快的優良性能，而且還具有生產成本低、不污染環境、易操作， 透明度好，同時具有很好的環保性。水性脂肪族改性聚氨酯分散體塗膜的硬度高、附著力強、耐腐蝕、耐溶劑好等優點，符合發展塗料的“三前提”(資源、能源、無污染)及“四E原則”(經濟ECONOMY、效率EFFICIENCY、生態ECOLOGY、能源ENERGY)的時代要求。

對於水溶性複合奈米負離子粉，較佳地，其是水晶、石英、蛭石、麥飯石、電氣石中的兩種或兩種以上經奈米研磨製成的奈米級複合粉體。

更佳地，所述的水溶性複合奈米負離子粉中各原料重量份比例為奈米水晶粉：奈米石英粉：奈米蛭石粉：奈米麥飯石：奈米電氣石=0-3：1-3：0-2：1-3：1-5；所述奈米粉的粒徑為40-100nm。

負離子是一種空氣中的自由粒子，如果有足夠的能量作用於分子，分子就會釋放出一個電子，電子和它附近的分子結合就會形成負離子。分子由原子、離子組成，不帶電荷。奈米粒子具有顆粒尺寸小、比表面積大、表面能高、表面原子所占比例大，為分子電離提供了巨大的能量，因此會不斷釋放負離子。熱電性和壓電性是指有溫度和壓力變化的情況下(即使微小的變化)就能引起成分晶體之間的電勢差，這靜電高達100萬電子伏特，從而使空氣發生電離，被擊中的電子附著於鄰近的水和氧氣分子並使它轉化為空氣負離子，即負離子。

上述水晶是一種石英結晶體礦物，它的主要化學成份是二氧化矽，化學式為SiO₂。水晶具有很強的壓電性，水晶晶體受到壓力時會產生電荷，而發生電離作用，不斷釋放負離子。

上述石英主要成分是SiO₂，無色透明，具有很強的壓電性，石英晶體受到壓力時會產生電荷，而發生電離作用，不斷釋放負離子。

上述蛭石是一種天然、無毒的礦物質，由於蛭石有離子交換 的能力，使得分子極易失去或得到電子而變成離子，從而釋放負離子，它對空氣淨化有極大的作用。

上述麥飯石屬火山岩類，主要化學成分是無機的矽鋁酸鹽，麥飯石是一種對生物無毒、無害並具有一定生物活性的複合礦物或藥用岩石。麥飯石中包含的天然礦物質和氧，會從麥飯石上無數的小孔中釋放出來，之後經過電離作用而不斷釋放負氧離子。

上述電氣石是一種含硼為特徵的鋁、鈉、鐵、鋰環狀結構的非金屬矽酸鹽礦物，具有壓電性和熱電性，電氣晶體呈柱狀，集合體呈棒狀、放射狀、小針狀，也呈緻密塊狀或隱晶體狀。由於電氣石具有壓電性和熱電性等獨特的物化性能，因此可以不斷釋放負離子。

本發明藉由奈米研磨生產技術把兩種或兩種以上天然非金屬礦石精製成奈米級粉體，藉由奈米粉的複合製備出了新型水溶性奈米負離子粉。本發明利用礦石本身的壓電性、熱電性和離子交換性製成純天然非金屬礦物奈米材料，其具有天然、環保、無毒、安全，易溶於水，可以直接添加到水性塗料體系產品中，添加後不改變原塗料的生產方法、性能；不影響原塗料的穩定體系。並且該水溶性奈米負離子粉的添加量很低，但其釋放負離子能力卻很強。

本發明將水溶性複合奈米負離子粉加入到水性木器漆中，使該木器漆具有可持續釋放負離子的功效，吸附淨化環境中有毒有害氣體甲醛、VOC等從而達到淨化空氣，改善人類呼吸環境，有益人體健康。

較佳地，本發明的增硬樹脂為無溶劑水性改性醛酮樹脂分散體。其是以醛酮樹脂、親水單體二羥甲基丁酸和二羥基聚氧乙烯醚、聚己二酸新戊二醇酯、異佛爾酮二異氰酸酯為主要原料，採用預聚體法合成的改性醛酮樹脂分散體。

更佳地，各原料重量份比例如下：醛酮樹脂96-98份、親水單體二羥甲基丁酸0.5-1份和二羥基聚氧乙烯醚0.5-1份、聚己二酸新戊二醇酯0.2-0.7份、異佛爾酮二異氰酸酯1-1.5份。

水性醛酮樹脂經改性後，具有更良好的光澤性、高硬度、抗黏連性、乾燥性、透明性、耐化學性、耐污染性及水溶性，另具有極好的穩定性、潤濕性和展色性。由於其具有良好的潤色性能，所以增硬樹脂也可用來提高顏料著色力，從而即使在有色木器漆顏料濃度高的情況下也能獲得極高的光澤。

研究表明，聚氨酯分散體PUD的ζ電位均大於-30mV，具有良好的乳液穩定性，陰/非離子型PUD具有較低的表面張力和更好的鈣離子穩定性。親水基團含量(HGC)的增加，陰/非離子摩爾比、醛酮樹脂用量、NCO/OH摩爾比的減少使膠粒平均粒徑減小，乳液黏度增大。醛酮樹脂改性PUD粒徑呈現雙峰分佈，透射電鏡顯示分散體膠粒呈球形結構。醛酮樹脂改性PUD後，相應塗膜的鉛筆硬度提高，且塗膜具有更優異的附著力、柔韌性和耐水性。

較佳地，原料中的水為去離子水，自來水由於添加了漂白粉等，含有雜質較多，可能會導致水性木器漆產品的儲存穩定性不佳。

較佳地，原料中的蠟乳液為德國進口的水性蠟助劑，較佳為德國Keim-Attitec公司生產的ULTRALUBE® D-816水性蠟助劑，其能夠加強產品的滑爽感、抗結塊、耐摩擦性、耐水性、抗刮傷等性能。

更佳地，為了使得木器漆的綜合性能更加優異，前述其他助劑包括成膜助劑2-5份、潤濕分散劑0.2-0.7份、流平劑0.1-0.5份、抗凍劑1-2份、增稠劑0.3-0.7份、消泡劑0.2-0.5份。這些助劑可以採用常規的公知的種類。

較佳的，成膜助劑為伊士曼Teanol提供的環保型成膜助劑酯醇12。該助劑是一種特別優良的聚結助劑，是聚合乳液的成膜助劑，同時也是聚合乳液的良好溶劑，可有效降低聚合乳液的最低成膜溫度。該助劑具有一定的揮發性，成膜過程中滯留在塗膜中起成膜作用，成膜後全部揮發，不殘留在幹膜中，因此也不會影響塗膜性能。其與水的溶解性低，添加使用後不影響聚合乳液的穩定性，但可以明顯提高塗膜的成膜性能，改善塗膜的耐候性、耐摩性、耐污染性和耐化學性，同時可以改進塗層展色性。

潤濕分散劑較佳為BYK公司生產的BYK-192，該潤濕分散劑專用於水性漆，對水性漆起到降低表面張力潤濕底材、對色漆起到分散的效果。

流平劑較佳為畢克化學的BYK-375，它特別適用於低助溶劑含量的水性體系中，與這些體系具有很好的相容性。它藉由其伯羥基與基料反應，因而很適用於交聯型體系，該流平劑能增進滑爽性，耐溶劑，耐候，少積塵。與標準的非反應性有機矽相比，該助劑由於其活性基團與漆膜交聯，上述性能在塗料體系中能更持久，明顯降低表面張力，同時增進底材潤濕，它們又增進流動和流平，並防止貝納德漩渦的形成。

抗凍劑較佳為丙二醇，其環保並且性價比高。增稠劑較佳為羅門哈斯公司生產的2020NPR非離子聚氨酯締合型，起到高效中剪切增稠，促進流動流平性，提供良好的漆膜豐滿度。

消泡劑較佳為畢克化學的BYK-022，該消泡劑是水性塗料用有機矽消泡劑，對顏色接受性和光澤無影響。在加入時，需要足夠高剪切力以避免縮孔。此消泡劑有優異的長效穩定性且對微泡極有效力，不含VOC，具有很高的環保性。

以上多種助劑組合添加到配方結構中，可以提高和強化相應的理化功能。

此外，根據奈米負離子功能型水性木器漆產品不同性質的需要，還可以添加其他物質。例如為了獲取不同顏色的產品，可以再添加不同的顏料，例如有機黑色漿、鈦白粉(二氧化鈦)、有機中黃漿等。其中有機黑色漿較佳為為Colanyl Black N。鈦白粉較佳為四川龍蟒鈦業有限公司的R-996，其表面經矽、鋁、鋯包膜及有機處理，具有無生理毒性、化學性能穩定、顏料性能卓越、白度、亮度、光澤好、遮蓋力、消色力和流動性強。有機中黃漿較佳為科萊恩的有機中黃漿Colanyl Yellow 2GXD。有機黑色漿和有機中黃漿不含對人體有害的重金屬具有環保、展色性好，遮蓋力強，高光澤的性能。

再添加有機黑色漿Colanyl Black N 5-7重量份；去離子水2.5-5重量份可以構成奈米負離子功能型水性黑色木器面漆。

再添加鈦白粉(二氧化鈦)R-996 20-25重量份；去離子水2.5-5重量份可以構成奈米負離子功能型水性白色木器面漆。

再添加有機中黃漿Colanyl Yellow 2GXD12-20重量份；去離子水2.5-7重量份可以構成奈米負離子功能型水性黃色木器面漆。

此外，也可以根據奈米負離子功能型水性木器漆透明度和光澤度的需要，選擇是否再加入消光粉。通常做高光塗料時不加消光粉，當加入消光粉時，產品的光澤度降低，可以製成啞光、中光產品。消光粉較佳為德固賽的OK-520奈米級消光粉。

再添加奈米消光粉OK-520 0-12重量份；去離子水2.5-7重量份可以構成全亮七分光、五分光、三分光、啞光透明奈米負離子功能型水性木器漆。

根據木器漆產品使用時間的長短，可以選擇是否加入防腐劑，如果產品在一周內直接使用完畢，可以不加防腐劑。當施工期使用期較長時，則需加入防腐劑，其較佳為羅門哈斯生產的高性能殺菌防腐劑KathonLxe，其在生產存儲過程中抑制細菌和真菌的滋生，具有較高的活性範圍，能有效抑制細菌(包括革蘭氏陽性、革蘭氏陰性)黴菌、酵母菌，不釋放甲醛，低毒性。

此外，根據木器漆產品pH值的實際需要，可以再加入pH調節劑，當最終產品的pH值不在8-9之間時，則加入適量的pH調節劑。pH調節劑較佳為陶氏公司生產的AMP-96，能夠穩定體系的pH，同時改進增稠劑在水性漆中的性能。用其替代傳統用的氨水，可以減少塗料的氨味。

本發明還提供一種製備上述奈米負離子功能型水性木器漆的方法，該方法包括以下步驟：將水、潤濕分散劑、消泡劑投入到容器中進行高速攪拌，之後加入脂肪族改性聚氨酯分散體、增硬樹脂，充分攪拌後加入成膜助劑、抗凍劑、蠟乳液、流平劑和水溶性複合奈米負離子粉，充分攪拌後加入pH調節劑調節pH值，最終加入增稠劑。

較佳地，高速攪拌速度為1200-1600轉每分鐘，時間為20-30分鐘；加入脂肪族改性聚氨酯分散體時攪拌速度為800-1100轉每分鐘，攪拌時間為5-15分鐘；加入水溶性複合奈米負離子粉後，攪拌時間為2-10分鐘；最終pH值為8-9。

與前述同樣的，根據最終產品不同的需要，可以再添加顏料、消光粉、防腐劑等。根據產品最終黏度的需要，依客戶要求，可以再加入增稠劑進行調整。

本發明的有益效果有：

1、原料中含有蓖麻油改性的聚氨酯分散體和增硬樹脂，使得水性木器漆在理化技術指標上可以超越油性木器漆；同時蓖麻植物油可再生、來源廣泛、價格低廉，使得木器漆產品成本低。

2、原料中添加了水溶性奈米負離子粉，其不含重金屬，也不會產生輻射，環保安全無毒；並且其添加量低，卻能持續高效釋放負離子，水溶性奈米負離子粉純度可以達到99%，純品最高負離子釋放量為8萬ion/cc。經過長期的研究實踐測試，終端產品中奈米負離子粉的添加量在0.1%就能達到持續釋放負離子，終端製品的負離子釋放量達到國際專家推薦的4000-5000個/cm3的最佳效果濃度。即該水溶性奈米負離子粉性不但安全環保，而且性價比非常高。

3、可以藉由添加不同的助劑，來獲得不同性能的木器漆產品。產品種類豐富，應用廣泛，並且木器漆的製備方法也簡單，成本低廉，可產業化生產。

4、產品配方設計中不添加含有揮發性有機化合物的助溶劑，不含對人體有害的重金屬，產品可以達到超低VOC，具有很好的環保性。

藉由下面給出的本發明的具體實施例可以進一步清楚地瞭解本發明，但它們不是對本發明的限定。具體實施例中沒有詳細敘述的部分是採用現有技術、公知技術手段和行業標準獲得的。

除非另有說明，本發明中所採用的份數均為重量份。

各實施例中水溶性複合奈米負離子粉的具體比例組成、粒徑如表一所示。

脂肪族改性聚氨酯分散體由表二所示重量份的原料藉由預聚體混合法製備得到。

增硬樹脂改性醛酮樹脂由表三所示重量份的原料藉由預聚法製備得到。

實施例1

按表四的配方重量份製備奈米負離子功能型水性黑色木器面漆，包括以下步驟：

a)按照配方設定的重量份配備原料，將水、潤濕分散劑、黑色漿、消泡劑投入容器中高速攪拌1200~1400轉每分鐘，攪拌15分鐘，轉速降到1000轉每分鐘，邊攪拌邊加入脂肪族改性聚氨酯分散體、增硬樹脂，攪拌10分鐘後依次加入防腐劑、抗凍劑、蠟乳液、水溶性複合奈米負離子粉攪拌5分鐘，轉速降到600轉每分鐘，加入pH調節劑把pH值調整到8，加入增稠劑調整到客戶所需要的黏度。

b)檢測-過濾-包裝-留樣。

實施例2

該實施例配方比例的調整詳見表四，具體實施過程與實施例1基本相同，區別僅在於高速攪拌速度為1400-1600轉每分鐘，攪拌時間為30分鐘。

實施例3

該實施例配方比例的調整詳見表四，具體實施過程與實施例1基本相同，區別僅在於高速攪拌速度為1300-1400轉每分鐘，攪拌時間為15分 鐘。

實施例4

該實施例配方比例的調整詳見表四，具體實施過程與實施例1基本相同，區別僅在於高速攪拌速度為1300-1400轉每分鐘，攪拌時間為20分鐘。

上述製備的奈米負離子功能型水性木器漆，依據國家標準GB/T 23999-2009《室內裝飾裝修用水性木器塗料》和HG/T 4109-2009負離子功能塗料，對其進行技術性能的檢測，檢測結果見表五。

以上所揭露的僅為本發明的較佳實施例而已，當然不能以此來限定本發明之申請專利範圍，因此依本發明申請專利範圍所作的等效變化，仍屬本發明所涵蓋的範圍。

Claims (7)

1. 一種奈米負離子功能型水性木器漆，其包括如以下重量份的組分：脂肪族改性聚氨酯分散體60-85份、水溶性複合奈米負離子粉0.3-0.8份、增硬樹脂1-3份、水7-12份、蠟乳液1-3份及其他助劑4-12份；其中，該脂肪族改性聚氨酯分散體的合成原料包括植物油、異佛爾酮二異氰酸酯、聚醚二元醇及氨丙基三乙氧基矽烷，該水溶性複合奈米負離子粉為水晶、石英、蛭石、麥飯石及電氣石中的兩種或兩種以上，該增硬樹脂的合成原料包括醛酮樹脂、親水單體二羥甲基丁酸和二羥基聚氧乙烯醚、聚己二酸新戊二醇酯及異佛爾酮二異氰酸酯，該其他助劑為成膜助劑、潤濕分散劑、流平劑、抗凍劑、增稠劑或消泡劑的至少一種，該水溶性複合奈米負離子粉中各原料重量份比例為奈米水晶粉：奈米石英粉：奈米蛭石粉：奈米麥飯石：奈米電氣石=1-3：1-3：1-2：1-3：1-5，該奈米粉的粒徑為40-50nm。
2. 如申請專利範圍第1項所述之奈米負離子功能型水性木器漆，其中該植物油為蓖麻油。
3. 如申請專利範圍第1項所述之奈米負離子功能型水性木器漆，其中該水溶性複合奈米負離子粉為經奈米研磨製成的奈米級複合粉體。
4. 如申請專利範圍第1項所述之奈米負離子功能型水性木器漆，其中該其他助劑的重量比例包括成膜助劑2-5份、潤濕分散劑0.2-0.7份、流平劑0.1-0.5份、抗凍劑1-2份、增稠劑0.3-0.7份及消泡劑0.2-0.5份。
5. 如申請專利範圍第1項所述之奈米負離子功能型水性木器漆，其進一步包括顏料、消光粉、防腐劑、pH調節劑中的一種或多種，該顏料為有機黑色漿、鈦白粉或有機中黃漿。
6. 一種如申請專利範圍第1項至第5項中任一項所述之奈米負離子功能型水性木器漆的製備方法，其包括以下步驟：將水、該潤濕分散劑和該消泡劑投入到容器中進行高速攪拌，之後加入該脂肪族改性聚氨酯分散體、該增硬樹脂，充分攪拌後加入該成膜助劑、該抗凍劑、該蠟乳液、該流平劑和該水溶性複合奈米負離子粉，充分攪拌後加入pH調節劑調節pH值，最後加入增稠劑。
7. 如申請專利範圍第6項所述之方法，其中，高速攪拌速度為每分鐘轉速1200-1600轉，時間為15-30分鐘；加入該脂肪族改性聚氨酯分散體時的攪拌速度為每分鐘轉速800-1100轉，攪拌時間為5-15分鐘；加入該水溶性複合奈米負離子粉後，攪拌時間為2-10分鐘；最終pH值為8-9。