CN101798483A - 常温多重固化有机-无机杂化水性纳米聚氨酯木器涂料及其制备方法 - Google Patents
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Abstract
本发明公开了一种常温多重固化有机-无机杂化水性纳米聚氨酯木器涂料及其制备方法,涂料的组成组分主要包括有机-无机杂化纳米聚氨酯乳液、成膜助剂、消泡抑泡剂、流平剂、基材润湿剂、稳定分散剂、增稠剂和水性光引发剂,其中有机-无机杂化纳米聚氨酯乳液,是通过先预聚合成聚氨酯预聚物,再采用原位聚合技术将有机-无机杂化接入无机纳米材料,接枝含活性官能团和碳-碳双键的光固化封端剂制得。在有机-无机杂化纳米聚氨酯乳液中加入颜填料和助剂分散均匀,即制得常温多重固化有机-无机杂化水性纳米聚氨酯木器涂料。本发明不仅解决了溶剂型涂料VOC污染问题,同时也解决了水性涂料韧性不好、耐候、耐老化及耐酸、耐碱、耐溶剂性能差的问题。
Description
技术领域
本发明涉及一种水性聚氨酯木器涂料,特别是一种单组份体系的常温多重固化有机-无机杂化水性纳米聚氨酯木器涂料及其制备方法。
背景技术:
中国是世界家具生产第一大国,年产值达5000多亿,从业人员500多万,木器涂料年需求量约70万吨,并以15%-20%的速度逐年增长。目前家具行业通用的硝基漆(NC)、聚氨酯涂料(PU)、不饱和聚酯涂料(PE)、酸固化涂料(AC)都是溶剂型涂料,在生产和施工过程中的大量有机溶剂(VOC),如甲苯、二甲苯、二甲基甲酰胺等,严重污染环境和危害人类健康。随着人们环保意识的加强,以及国家“低碳经济”和“可持续发展”的要求,开发新型环保涂料已成为涂料工业发展的必然趋势。
水性木器涂料具有环保、节能、安全的优势,欧美国家年用量占涂料的40%以上,国内市场每年需求量约5万吨,未来木器涂料的水性化将达到50%以上,年需求量不少于40万吨,会逐步取代溶剂型涂料成为市场的主流。市场上现有的水性木器涂料也存在一些明显的缺陷,例如:光泽度、丰满度、硬度等较溶剂型涂料有较大差距,干燥时间长,不能满足工厂高效率生产等要求,因而限制了水性木器涂料的进一步推广应用。
光固化涂料经紫外光照射后发生固化反应,使涂层能够快速固化成膜,具有节省时间,降低能耗、提高生产效率等优点,但光固化涂料树脂类别相对较少,需要用到有毒的活性稀释剂,而且光固化涂料需要优质的界面,基材和涂料的光学、力学性能必须十分匹配,同时由于固化速率较快,流动时间不够充分,成膜时存在收缩现象,综合性能同样存在明显不足,因此高性能水性木器涂料和光固化涂料仍然需要进一步的开发。
专利CN 101560354A公开的纳米环保水性木器涂料,采用物理共混的方式将树脂乳液与纳米材料混合,涂装时不存在有机溶剂的污染,同时可以提高涂膜的耐溶剂性及硬度,但是由于纳米材料的疏水性,存在无机纳米粒子分散不均匀且易团聚的问题,涂料的稳定性显著下降,不利于涂料的贮存、运输及施工,同时干燥时间相对较长,不利于家具企业的高效生产,因此推广应用时可能会遇到困难。
专利CN101445695A公开的双组份水性木器漆,组份一为水性羟基丙烯酸树脂、颜填料、助剂及去离子水,组份二为丙二醇单甲醚丙酸酯(PMP)及异氰酸酯类固化剂,涂料的干燥时间较短,涂膜具有比较高的硬度和耐磨性,以及突出的耐热性和耐化学性,综合性能与溶剂型木器涂料接近,而且更加清洁和环保,但是因为双组份涂料需要及时配制,产品使用期很短,工业应用时同样受到诸多限制。
专利CN 101544869A公开的紫外光固化透明底漆,主要组份为双酚A丙烯酸酯、聚氨酯丙烯酸酯、活性稀释剂、助剂、光引发剂,该产品解决了打磨性与透明度互为矛盾的难题,固化成膜时间较短,涂膜的硬度、光泽度、丰满性及打磨性较好,具有极好的市场应用前景,但其中用到的30%~45%的活性稀释剂,具有较高的毒性,并不能彻底解决涂料的VOC污染问题。
综上所述,溶剂型木器涂料存在严重的VOC污染问题,水性木器涂料和光固化木器涂料符合现代环保的要求,将取代溶剂型木器涂料成为市场的主流,但它们某些方面仍存在明显不足,达不到溶剂型涂料相媲美的综合性能。现有水性木器涂料贮存稳定性不够好,施工条件要求苛刻,而且涂膜的硬度、耐水、耐溶剂、耐老化等性能明显不足;而光固化涂料仍然需要用到溶剂型稀释剂,生产和施工过程大量挥发,并不能彻底解决溶剂型涂料的VOC污染问题,所以家具行业仍迫切需要提供稳定性好、施工方便、涂膜性能优异的高性能环保木器涂料.。
发明内容
针对现有水性木器涂料和光固化木器涂料存在的问题,本发明的目的旨在提供一种常温多重固化有机-无机杂化水性纳米聚氨酯木器涂料及其制备方法,以解决传统溶剂型木器涂料的VOC严重污染,以及当前水性木器涂料干燥时间长、稳定性差、涂膜性能不达标,光固化涂料稀释剂污染等关键问题。
本发明提供的常温多重固化有机-无机杂化水性纳米聚氨酯木器涂料,主要组成以质量份数计为:
有机-无机杂化纳米聚氨酯乳液 60~90份
成膜助剂 2~8份
消泡抑泡剂 0.05~0.5份
流平剂 0.05~1.0份
基材润湿剂 0.1~1.0份
稳定分散剂 0.05~1.0份
增稠剂 0.05~1.0份
水性光引发剂 1~5份。
上述的常温多重固化有机-无机杂化水性纳米聚氨酯木器涂料还可含有颜填料10~30份,去离子水0~10份。其中所述的有机-无机杂化纳米聚氨酯乳液采取下述方法进行制备:
(1)分子量500~4000的多元醇,在真空度0.04~0.1MPa、温度110~130℃下充分脱水后,降温至不高于40℃,按摩尔比nNCO/nOH=2~7加入二异氰酸酯,及二异氰酸酯质量含量0.1%~0.3%的催化剂,于60℃~90℃反应60~180min,得到聚氨酯预聚物;
(2)将步骤(1)得到的聚氨酯预聚物降温至不高40℃,加入聚氨酯预聚物质量含量5%~20%的溶剂对预聚物稀释,同时加入聚氨酯预聚物质量含量2~15%的醇类扩链剂、2~10%的无机纳米材料和0.1%~0.5%的催化剂,于60~80℃反应120~300min,得到有机-无机杂化纳米聚氨酯预聚物;
(3)将步骤(2)得到的有机-无机杂化纳米聚氨酯预聚物降温至不高于50℃,加入其质量含量3~10%的亲水扩链剂和1~5%含活性官能团和碳-碳双键的光固化封端剂,于55~75℃反应60~120min,得到含亲水基团的有机-无机杂化纳米聚氨酯预聚物;
(4)将步骤(3)得到的含亲水基团的有机-无机杂化纳米聚氨酯预聚物降温至40~50℃,按亲水扩链剂摩尔数含量80%~100%加入成盐剂混合均匀,加入步骤(3)得到预聚物1.5~4倍质量的去离子水乳化,同时加入有机-无机杂化纳米聚氨酯预聚物质量含量0.5%~2%的二元胺类扩链剂,过滤后于60~80℃的温度、0.05~0.1MPa的真空度下蒸馏脱除溶剂,即制得有机-无机杂化纳米聚氨酯乳液。
在上述有机-无机杂化纳米聚氨酯乳液中,所述溶剂选用酮类有机溶剂,优选丙酮、丁酮、N-甲基吡咯烷酮中的一种或几种,所述催化剂选自叔胺类催化剂和有机锡类催化剂,优选二月桂酸二丁基锡、辛酸亚锡和三亚乙基二胺中的一种。
在上述有机-无机杂化纳米聚氨酯乳液中,所述500~4000多元醇选用不含碳-碳双键聚醚多元醇、聚酯多元醇、聚碳酸酯多元醇或含碳-碳双键的聚丙烯酸酯多元醇、聚烯烃多元醇、植物油多元醇、松香酯多元醇中的一种或两种,其中不含碳-碳双键的多元醇优先选用聚碳酸酯多元醇(PCDL)、聚氧化丙烯多醇(PPG)、聚己内酯多元醇(PCL)、聚四氢呋喃多元醇(PTG)等,含有碳-碳双键的多元醇优选端羟基聚丁二烯(HTPB)、聚苯乙烯多元醇(SAA)、端羟基丁苯液体橡胶(HTBS)、端羟基聚丁二烯-丙烯腈(HTBN)、蓖麻油、大豆油多元醇等;醇类扩链剂可选用1,4-丁二醇、一缩二乙二醇、新戊二醇、乙二醇、1,2丙二醇、1,6己二醇等,季戊四醇、三羟甲基丙烷、三羟甲基乙烷、甘油、1,2,6-己三醇、蔗糖、木糖醇等,可以选用它们中的一种或几种。
在上述有机-无机杂化纳米聚氨酯乳液中,所述二异氰酸酯选用芳香族二异氰酸酯、脂肪族二异氰酸酯和脂环族二异氰酸酯,优选二苯基甲烷二异氰酸酯(MDI)、甲苯二异氰酸酯(TDI)、异佛尔酮二异氰酸酯(IPDI)、六亚甲基二异氰酸酯(HDI)、二环己基甲烷二异氰酸酯(H12MDI)等。
在上述有机-无机杂化纳米聚氨酯乳液中,所述无机纳米材料可选自平均粒径为7nm-100nm的纳米SiO2、纳米TiO2、纳米ZnO、纳米CaCO3、纳米Al2O3、纳米蒙脱土和纳米黏土等,可以选用它们中的一种或一种以上;亲水扩链剂可以选用二羟甲基丙酸、二羟甲基丁酸、乙二氨基乙磺酸钠、1,4-丁二醇2-磺酸钠、N-甲基二乙醇胺、N-丙基二乙醇胺等;所述成盐剂选自三乙胺、醋酸和盐酸中的一种,且当亲水扩链剂为二羟甲基丙酸或二羟甲基丁酸时,成盐剂选择三乙胺,亲水扩链剂为N-甲基二乙醇胺、N-丙基二乙醇胺时,成盐剂选择醋酸或盐酸。
在上述有机-无机杂化纳米聚氨酯乳液中,所述二元胺扩链剂选自脂肪族二胺、芳香族二胺或脂环族二胺,优选乙二胺、四甲基乙二胺、3,5-二乙基甲苯二胺、异佛尔酮二胺等,一般选用其中一种;所述含活性官能团和碳-碳双键的光固化封端剂选用丙烯酸羟丙酯、甲基丙烯酸羟丙酯、丙烯酸羟乙酯、甲基丙烯酸羟乙酯、烯丙基缩水甘油醚、丙基缩水甘油醚、丙烯酸缩水甘油酯、甲基丙烯酸缩水甘油酯,可以选用它们中的一种或几种。
在本发明提供的常温多重固化有机-无机杂化水性纳米聚氨酯木器涂料组份中,所述颜填料选自粒度小于35μm的碳酸钙、高岭土、滑石粉、钛白粉、炭黑、铁红、白炭黑、磁土、立德粉、氧化锌、锑白、云母、氧化铁、氧化锌、钛白粉、硅微粉和硫酸钡中的至少2种;所述成膜助剂选用DOWANOL pph(美国陶氏化学品公司),丙二醇丁醚、丙二醇甲醚醋酸酯(美国莱昂德尔化学公司)等;所述水性光引发剂选自水性均裂型光引发剂、水性氢转移型光引发剂、水性硫杂蒽酮类光引发剂、水性二苯甲酮类光引发剂,优选Quantacure BTC、Quantacure BPQ、Quantacure ABP、Quantacure QTX(美国生物合成公司),Darocure 2959、Darocure1173、Darocure1116、Irgacure 819DW(瑞士汽巴特种化学品公司)、WB-4784、WB-4792(英国柴郡沃德-布林金索普公司),TMPO,TEPO(德国巴斯夫公司)中的一种;所述消泡抑泡剂选自水性有机硅类消泡剂、水性磷酸酯类消泡剂、水性脂肪酸酰胺类消泡剂、水性醚类消泡剂,优选Foamaster 50、Foamaster A10(深圳市海川化工有限公司),Nopco 8034L、Nopco 309A(德国汉高公司)中的一种或以上;所述流平剂选用有机硅丙烯酸酯类、非离子聚氨酯类缔合型、非离子改性聚醚类,优选AHL 203(北京市澳汉化工有限责任公司),BYK 333、BYK 337、BYK331(德国毕克化学公司)中的一种。所述基材润湿剂选自阴离子型基材润湿剂、阳离子型基材润湿剂、非离子型基材润湿剂,优选Hydropalat 875(德国汉高公司)、Colorsperse 188-A(德国汉高公司)、BYK 346(德国毕克化学公司)中的一种;所述稳定分散剂选用无机分散剂和有机分散剂,优选DISPERBYK-190(德国毕克化学公司)、DISPERBYK-191(德国毕克化学公司)、DISPERBYK-194(德国毕克化学公司)中的一种;所述增稠剂选自天然高分子衍生物、合成高分子化合物、无机化合物类增稠剂,优选AcrysolASE-60(美国罗门哈斯公司)、SN-Thickener 636(德国汉高公司)、AT-03(北京东方化工厂研究中心)中的一种。
本发明提供的常温多重固化有机-无机杂化水性纳米聚氨酯木器涂料,可由下述方法制备,主要步骤包括:
(1)按涂料组成组分的质量配比,将颜填料、成膜助剂、消泡抑泡剂、稳定分散剂和去离子水在温度0℃~50℃下研磨,经充分研磨后以3000~6000r/min搅拌速度分散均匀,得到细度符合要求的颜填料浆料;
(2)将步骤(1)制备的颜填料浆料加入有机-无机杂化纳米聚氨酯乳液,同时加入流平剂、基材润湿剂,在0℃~50℃的温度,800~4000r/min的转速下搅拌30~90min,使物料混合均匀;
(3)加入水性光引发剂,在0℃~50℃的温度,800~4000r/min的转速下搅拌,加入增稠剂调节粘度,经过滤即得到常温多重固化有机-无机杂化水性纳米聚氨酯木器涂料。
本发明的贡献,除了向社会公开了一种常温多重固化有机-无机杂化水性纳米聚氨酯木器涂料及其制备方法,一个十分重要的贡献是同时公开了作为木器涂料基体组分的有机-无机杂化纳米聚氨酯乳液的制备方法。有机-无机杂化纳米聚氨酯乳液制备的基本思路是,首先预聚合成聚氨酯预聚物,其次采用原位聚合技术将有机-无机杂化接入无机纳米材料,接枝含活性官能团和碳-碳双键的光固化封端剂,制备得到有机-无机杂化纳米聚氨酯乳液。在所制备的有机-无机杂化纳米聚氨酯乳液中加入颜填料和助剂分散均匀,即制得常温多重固化有机-无机杂化水性纳米聚氨酯木器涂料。
本发明的主要优点和有益效果是:
(1)本发明公开的聚氨酯木器涂料是以水为分散介质的体系,与传统的溶剂型木器涂料相比,具有无毒、无污染、不易燃烧、无刺激性气味、价廉等优点,同时具备传统溶剂型木器涂料的高光泽、高弹性、耐划伤、耐水、耐溶剂性、耐候性和附着力好、粘接力强等特性。
(2)本发明公开的水性聚氨酯涂料是单组份体系,与双组份体系的水性木器涂料相比,不需要施工前临时配制,施工方便,而且贮存稳定性好,产品使用期较长,一般一年以上,涂装后的涂膜性能优于普通的水性双组份木器涂料,可以媲美于传统溶剂型木器涂料。
(3)本发明的采用原位聚合法技术制备有机-无机杂化纳米聚氨酯涂料,无机纳米粒子的小尺寸效应、比表面大、表面能高和表面配位强等特性,使硅原子与聚氨酯中的氧发生键合作用,进而产生高度的有机-无机杂化,相对于物理共混法制备的纳米复合涂料,不再存在纳米粒子分散不均匀易团聚的问题,而且纳米粒子的特殊的量子尺寸和宏观量子隧道效应,可以使其产生淤渗作用,深入到聚氨酯分子链的不饱和键附近,并和不饱和键的电子云发生强烈作用,因此本发明制备的纳米杂化聚氨酯具有良好的硬度、强度和优异的耐热、耐候、耐老化等性能。
(4)本发明制备的有机-无机杂化纳米聚氨酯木器涂料,既可以采用常规的加热固化方式,尤其可采用不加热条件的常温固化方式,同时还可以采用常温固化和光固化(紫外光或红外光)相结合的多重固化方式,使水性木器涂料迅速达到“实干”,大大减少了涂膜的干燥时间,提高了企业生产效率和降低了生产成本,彻底解决了普通光固化涂料活性稀释剂的污染问题,而且在紫外光固化或红外光固化的同时,有机-无机杂化纳米聚氨酯涂料会进一步化学交联,从而提高了涂膜硬度、强度以及耐化学性等综合性能。
本发明制备的常温多重固化有机-无机杂化水性纳米聚氨酯木器涂料,其主要性能:乳胶平均粒径小于60nm,细度小于40μm,固含量35~50%,贮存稳定性大于1年,耐冻融稳定性7个周期(-20℃冷冻×18h+常温×6h)不变质;表干时间少于20min,实干时间约3h;清漆硬度大于HB,色漆大于2H;附着力(划格2mm)≤1级,耐冲击性、耐磨性、耐划伤性、耐水性、耐碱酸性、耐污染性高于国家标准(HG/T 3828-2006),总挥发性有机化合物小于30g/L。
本发明制备的常温多重固化有机-无机杂化水性纳米聚氨酯木器涂料,具有稳定性好、施工方便、固化时间短、涂膜性能优异,同时基本达到零VOC挥发等特点,可以应用于实木家具、仿木家具、板式家具、石材家具、实木门窗、装饰面板等的涂装,极具环保效应和应用前景。
具体实施方式
下面结合实施例对本发明进行具体描述,以便所属技术领域的人员对本发明的理解。有必要在此特别指出的是,实施例只是用于对本发明做进一步说明,不能理解为对本发明保护范围的限制,所属领域技术熟练人员,根据上述本发明内容对本发明做出非本质性的改进和调整,仍属于本发明的保护范围。
在以下各实施例中,所涉及到的组份用量或份数,除特别说明外均为质量含量或质量份数。
实施例1:
(1)制备聚氨酯预聚物
在一个装有冷凝装置、电动搅拌器、温控装置的反应釜加入分子量为1000的PCDL,在转速为200r/min、真空度为0.08MPa、温度120℃下脱水约30min、后降温至30℃左右,按nNCO/nOH=4∶1的摩尔比加入MDI,并滴加MDI质量的0.3%的二月桂酸二丁基锡,缓慢升温至80℃左右,反应约90min后,得到聚氨酯预聚物。
(2)制备有机-无机杂化纳米预聚物
降温至30℃左右,加入预聚物质量的8%的丁酮稀释分散,同时加入0.5%的三羟甲基丙烷、3%的新戊二醇、5%的纳米二氧化硅,滴加0.3%的二月桂酸二丁基锡催化剂,缓慢升温至70℃左右反应约180min,即得到有机-无机杂化纳米聚氨酯预聚物。
(3)制备含亲水基团的有机-无机杂化纳米聚氨酯预聚物
降温至50℃左右,加入有机-无机杂化纳米聚氨酯预聚物质量含量8%的二羟甲基丁酸、3%的丙烯酸羟丙酯,缓慢升温至70℃左右反应约90min,得到含亲水基团的有机-无机杂化纳米聚氨酯预聚物;
(4)制备有机-无机杂化纳米聚氨酯乳液
降温至50℃左右,按二羟甲基丁酸摩尔数含量的90%加入三乙胺,混合均匀后,高速搅拌下加入去离子水乳化分散并加入1.5%的异佛尔酮二胺进行二次扩链,搅拌约30min,然后在75℃、真空度0.08Mpa左右下脱除有机溶剂,即制得有机-无机杂化纳米聚氨酯乳液,取样观察产品性能。
(5)配制常温多重固化有机-无机杂化水性纳米聚氨酯木器涂料
有机-无机杂化纳米聚氨酯乳液 75份
金红石型二氧化钛 8份
超细滑石粉 3份
超细碳酸钙 2份
DOWANOL pph 5份
Foamaster 50 0.1份
BYK 337 0.3份
Hydropalat 875 0.5份
DISPERBYK-190 0.05份
Darocur 2959 2份
去离子水 4份
将金红石钛白粉、超细滑石粉和超细碳酸钙,Foamaster 50(消泡抑泡剂)、DISPERBYK-190(稳定分散剂)、DOWANOL pph(成膜助剂)和去离子水在温度25℃下,经过研磨后,以3000r/min搅拌速度分散均匀,得到细度小的颜填料浆料;再将颜填料浆料加入有机-无机杂化纳米聚氨酯乳液,同时加入BYK-337(流平剂)、Hydropalat 875(基材润湿剂),在3000r/min的转速下分散均匀;最后加入Darocur 2959(水性光引发剂),在25℃左右,2000r/min的转速下搅拌,直到物料混合均匀,加入AcrysolASE-60(增稠剂)调节粘度,过滤即得到常温多重固化有机-无机杂化水性纳米聚氨酯木器涂料。
以上方法所制得的常温多重固化有机-无机杂化水性纳米聚氨酯木器涂料,固含量为45%,粘度(涂4杯计)30s,细度≤35μm,25℃固化成膜,表干时间约15min,实干时间约2h,贮存稳定性(50℃)>7d,耐冻融稳定性7个周期(-20℃冷冻×18h+常温×6h)不变质,涂膜铅笔硬度>2H,耐水性(去离子水,24h)无异常,耐沸水(沸水,15min)无异常,耐碱性(50g/L NaHCO3,1h)无异常,耐醇性(50%乙醇,1h)无异常,耐污染性(用香醋浸泡1h)无异常,总挥发性有机物含量(TVOC)<30g/L。
实施例2:
(1)制备聚氨酯预聚物
在一个装有冷凝装置、电动搅拌器、温控装置的反应釜加入分子量为2000的PPG,在转速为200r/min、真空度为0.06MPa、温度115℃下脱水40min、后降温至30℃左右,通入氮气40min后,按nNCO/nOH=3.5∶1的摩尔比加入IPDI,并滴加IPDI质量的1%的辛酸亚锡,升温至85℃,反应100min后得到聚氨酯预聚物。
(2)制备有机-无机杂化纳米预聚物
降温至30℃,在上述预聚体中加入PPG和IPDI总质量的6%的丁酮,0.4%的三羟甲基乙烷、4%的1,4-丁二醇、4%的纳米二氧化钛,升温至70℃反应120min,即得到有机-无机杂化纳米聚氨酯预聚物。
(3)制备含亲水基团的有机-无机杂化纳米聚氨酯预聚物
降温在50℃左右,加入有机-无机杂化纳米聚氨酯预聚物质量含量9%的二羟甲基丙酸,2.5%的甲基丙烯酸羟丙酯,升温至75℃,反应90min,即得到含亲水基团的有机-无机杂化纳米聚氨酯预聚物;
(4)制备有机-无机杂化纳米聚氨酯乳液
降温至50℃,按二羟甲基丙酸摩尔数含量100%加入三乙胺,混合均匀后,与高速搅拌下加入去离子水乳化分散并加入0.5%的甲苯二胺进行二次扩链,搅拌30min,待分散均匀后过滤,在75℃、真空度为0.08MPa下抽除有机溶剂,即制得有机-无机杂化纳米聚氨酯乳液,取样观察产品性能。
(5)配制常温多重固化有机-无机杂化水性纳米聚氨酯木器涂料
有机-无机杂化纳米聚氨酯乳液 70份
氧化铁红 10份
云母 5份
超细高岭土 1份
丙二醇丁醚 6份
Nopco 309A 0.5份
BYK 333 0.5份
Colorsperse 188-A 1.0份
DISPERBYK-194 1.0份
Quantacure BPQ 2份
去离子水 3份
将超细氧化铁红、云母和超细高岭土,DISPERBYK-194(稳定分散剂)、Nopco309A(消泡抑泡剂)和去离子水在温度25℃下,经过研磨后,以3000r/min搅拌速度下将粉末状物料分散均匀;再将上述方法所制得的聚氨酯乳液、TEXANOL(成膜助剂)、BYK333(流平剂)、Colorsperse 188-A(基材润湿剂)加入已经分散均匀的颜填料中,在3000r/min的转速下分散均匀;最后加入QuantacureBPQ(水性光引发剂),在25℃左右,2000r/min的转速下搅拌,直到物料混合均匀,乳液粘度适中,过滤即得到常温多重固化有机-无机杂化水性纳米聚氨酯木器涂料。
以上方法所制得的常温多重固化有机-无机杂化水性纳米聚氨酯木器涂料,固含量为46%,粘度(涂4杯计)32s,细度≤30μm,25℃固化成膜,表干时间约15min,实干时间约2h,贮存稳定性(50℃)>7d,耐冻融稳定性7个周期(-20℃冷冻×18h+常温×6h)不变质,涂膜铅笔硬度>2H,耐水性(水,24h)无异常,耐沸水(沸水,15min)无异常,耐碱性(50g/L NaHCO3,1h)无异常,耐醇性(50%乙醇,1h)无异常,耐污染性(用香醋浸泡1h)无异常,总挥发性有机物含量(TVOC)<30g/L。
实施例3:
(1)制备聚氨酯预聚物
在一个装有冷凝装置、电动搅拌器、温控装置的反应釜加入分子量为1500的PTG,在转速为200r/min、真空度为0.05MPa、温度130℃下脱水50min、后降温至30℃左右,通入氮气30min后,加入摩尔比为nNCO/nOH=3∶1加入HMDI,并滴加HMDI质量的0.5%的辛酸亚锡,升温至80℃,反应120min得到聚氨酯预聚物。
(2)制备有机-无机杂化纳米预聚物
降温至30℃,加入PTG和HMDI总质量的5%的丁酮,0.2%的季戊四醇、6%的一缩二乙二醇、6%的纳米ZnO,升温至75℃反应120min,即得到有机-无机杂化纳米聚氨酯预聚物。
(3)制备含亲水基团的有机-无机杂化纳米聚氨酯预聚物
降温至50℃,加入有机-无机杂化纳米聚氨酯预聚物质量含量12%的二羟甲基丁酸、4%的丙基缩水甘油醚升温至65℃,反应90min后,即得到含亲水基团的有机-无机杂化纳米聚氨酯预聚物;
(4)制备有机-无机杂化纳米聚氨酯乳液
降温至50℃,按二羟甲基丁酸摩尔数颔联80%的加入三乙胺,混合均匀后,与高速搅拌下加入去离子水乳化分散并加入1%的乙二胺进行二次扩链,搅拌30min,待分散均匀后过滤。在75℃、真空度为0.06MPa下抽除有机溶剂,即制得有机-无机杂化纳米聚氨酯乳液,取样观察产品性能。
(5)配制常温多重固化有机-无机杂化水性纳米聚氨酯木器涂料
有机-无机杂化纳米聚氨酯乳液 80份
白炭黑 4份
硫酸钡 2份
磁土 2份
丙二醇甲醚醋酸酯 4份
Nopco 8034L 0.2份
BYK331 0.5份
BYK 346 1.0份
DISPERBYK-191 0.8份
AT-03 0.5份
WB-4784 3份
去离子水 2份
将白炭黑、硫酸钡和磁土,DISPERBYK-191(稳定分散剂)、Nopco 8034L(消泡抑泡剂)和去离子水在温度25℃下,经过研磨后,以3000r/min搅拌速度下将粉末状物料分散均匀;再将上述方法所制得的聚氨酯乳液、TEXANOL(成膜助剂)、BYK331(流平剂)、BYK346(基材润湿剂)加入已经分散均匀的颜填料中,在3000r/min的转速下分散均匀;最后加入WB-4784(水性光引发剂)和AT-03(增稠剂),在25℃左右,2000r/min的转速下搅拌,直到物料混合均匀,过滤即为常温多重固化有机-无机杂化水性纳米聚氨酯木器涂料。
以上方法所制得的常温多重固化有机-无机杂化水性纳米聚氨酯木器涂料,固含量为42%,粘度(涂4杯计)28s,细度≤40μm,25℃固化成膜,表干时间约15min,实干时间约3h,贮存稳定性(50℃)>7d,耐冻融稳定性7个周期(-20℃冷冻×18h+常温×6h)不变质,涂膜铅笔硬度>2H,耐水性(水,24h)无异常,耐沸水(沸水,15min)无异常,耐碱性(50g/L NaHCO3,1h)无异常,耐醇性(50%乙醇,1h)无异常,耐污染性(用香醋浸泡1h)无异常,总挥发性有机物含量(TVOC)<30g/L。
实施例4:
制备有机-无机杂化纳米聚氨酯乳液同实施实例3。
配制常温多重固化有机-有机杂化纳米聚氨酯木器涂料的配方如下:
有机-无机杂化纳米聚氨酯乳液 87份
DOWANOL pph 7份
Nopco 8034L 0.2份
BYK331 0.5份
BYK 346 1.0份
DISPERBYK-191 0.8份
AT-03 0.5份
Darocur 2959 3份
将DISPERBYK-191(稳定分散剂)、Nopco 8034L(消泡抑泡剂)、DOWANOL pph(成膜助剂)、BYK331(流平剂)、BYK346(基材润湿剂)加入上述方法所制得的聚氨酯乳液中,在3000r/min的转速下分散均匀;最后加入WB-4784(水性光引发剂)和AT-03(增稠剂),在25℃左右,2000r/min的转速下搅拌,直到物料混合均匀,过滤即为常温多重固化有机-无机杂化水性纳米聚氨酯木器涂料。
以上方法所制得的常温多重固化有机-无机杂化水性纳米聚氨酯木器涂料,固含量为40%,粘度(涂4杯计)28s,细度≤20μm,25℃固化成膜,表干时间约20min,实干时间约3h,贮存稳定性(50℃)>7d,耐冻融稳定性7个周期(-20℃冷冻×18h+常温×6h)不变质,涂膜铅笔硬度>1H,耐水性(水,24h)无异常,耐沸水(沸水,15min)无异常,耐碱性(50g/L NaHCO3,1h)无异常,耐醇性(50%乙醇,1h)无异常,耐污染性(用香醋浸泡1h)无异常,总挥发性有机物含量(TVOC)<30g/L。
Claims (10)
1.一种常温多重固化有机-无机杂化水性纳米聚氨酯木器涂料,其特征在于涂料的主要组成,以质量份数计为:
有机-无机杂化纳米聚氨酯乳液 60~90份
成膜助剂 2~8份
消泡抑泡剂 0.05~0.5份
流平剂 0.05~1.0份
基材润湿剂 0.1~1.0份
稳定分散剂 0.05~1.0份
增稠剂 0.05~1.0份
水性光引发剂 1~5份。
2.根据权利要求1所述的常温多重固化有机-无机杂化水性纳米聚氨酯木器涂料,其特征在于含有颜填料10~30质量份,去离子水0~10质量份。
3.根据权利要求1或2所述的常温多重固化有机-无机杂化水性纳米聚氨酯木器涂料,其特征在于所述有机-无机杂化纳米聚氨酯乳液采用下述方法制备:
(1)分子量500~4000的多元醇,在真空度0.04~0.1MPa、温度110~130℃下充分脱水后,降温至不高于40℃,按摩尔比nNCO/nOH=2~7加入二异氰酸酯,及二异氰酸酯质量含量0.1%~0.3%的催化剂,于60℃~90℃反应60~180min,得到聚氨酯预聚物;
(2)将步骤(1)得到的聚氨酯预聚物降温至不高40℃,加入聚氨酯预聚物质量含量5%~20%的溶剂对预聚物稀释,同时加入聚氨酯预聚物质量含量2~15%的醇类扩链剂、2~10%的无机纳米材料和0.1%~0.5%的催化剂,于60~80℃反应120~300min,得到有机-无机杂化纳米聚氨酯预聚物;
(3)将步骤(2)得到的有机-无机杂化纳米聚氨酯预聚物降温至不高于50℃,加入其质量含量3~10%的亲水扩链剂和1~5%含活性官能团和碳-碳双键的光固化封端剂,于55~75℃反应60~120min,得到含亲水基团的有机-无机杂化纳米聚氨酯预聚物;
(4)将步骤(3)得到的含亲水基团的有机-无机杂化纳米聚氨酯预聚物降温至40~50℃,按亲水扩链剂摩尔数含量80%~100%加入成盐剂混合均匀,加入步骤(3)得到预聚物1.5~4倍质量的去离子水乳化,同时加入有机-无机杂化纳米聚氨酯预聚物质量含量0.5%~2%的二元胺类扩链剂,过滤后于60~80℃的温度、0.05~0.1MPa的真空度下蒸馏脱除溶剂,即制得有机-无机杂化纳米聚氨酯乳液。
4.根据权利要求3所述的常温多重固化有机-无机杂化水性纳米聚氨酯木器涂料,其特征在于所述分子量500-4000的多元醇选自不含碳-碳双键的聚醚多元醇、聚酯多元醇、聚碳酸酯多元醇和含碳-碳双键的聚丙烯酸酯多元醇、聚烯烃多元醇、植物油多元醇和松香酯多元醇,所述二异氰酸酯选自芳香族二异氰酸酯、脂肪族二异氰酸酯和脂环族二异氰酸酯。
5.根据权利要求3所述的常温多重固化有机-无机杂化水性纳米聚氨酯木器涂料,其特征在于所述醇类扩链剂选自分子量小于300的二元醇、三元醇和多元醇;所述亲水扩链剂选自羧基二元醇扩链剂、叔胺类扩链剂和磺酸盐类扩链剂。
6.根据权利要求3所述的常温多重固化有机-无机杂化水性纳米聚氨酯木器涂料,其特征在于所述无机纳米粒子选自平均粒径为7nm-100nm的纳米SiO2、纳米TiO2、纳米ZnO、纳米CaCO3、纳米Al2O3、纳米蒙脱土和纳米黏土。
7.根据权要求3所述的常温多重固化有机-无机杂化水性纳米聚氨酯木器涂料,其特征在于所述的溶剂选自酮类有机溶剂;所述催化剂选自叔胺催化剂和有机锡催化剂;所述二元胺类扩链剂选自脂肪族二胺、芳香族二胺和脂环族二胺;所述含活性官能团和碳-碳双键的光固化封端剂选自丙烯酸羟丙酯、甲基丙烯酸羟丙酯、丙烯酸羟乙酯、甲基丙烯酸羟乙酯、烯丙基缩水甘油醚、丙基缩水甘油醚、丙烯酸缩水甘油酯和甲基丙烯酸缩水甘油酯。
8.根据权利要求1或2任一所述常温多重固化有机-无机杂化水性纳米聚氨酯木器涂料,其特征在于所述颜填料选自粒度不大于35μm的碳酸钙、高岭土、滑石粉、钛白粉、炭黑、铁红、白炭黑、磁土、立德粉、氧化锌、锑白、云母、氧化铁、氧化锌、钛白粉、硅微粉和硫酸钡中的至少2种;所述成膜助剂选自丙二醇丁醚类、一缩丙二醇甲醚醋酸酯类、乙二醇醚类和丙二醇甲醚醋酸酯类;所述水性光引发剂选自水性均裂型光引发剂、水性氢转移型光引发剂、水性硫杂蒽酮类光引发剂和水性二苯甲酮类光引发剂。
9.根据权利要求1或2所述的常温多重固化有机-无机杂化水性纳米聚氨酯木器涂料,其特征在于所述消泡抑泡剂选自水性有机硅类消泡剂、水性磷酸酯类消泡剂、水性脂肪酸酰胺类消泡剂和水性醚类消泡剂;所述流平剂选自有机硅丙烯酸酯类流平剂、非离子聚氨酯类缔合型流平剂和非离子改性聚醚类流平剂;所述基材润湿剂选自水性阴离子型基材润湿剂、水性阳离子型基材润湿剂和水性非离子型基材润湿剂;所述稳定分散剂选自无机分散剂和有机分散剂;所述增稠剂选自天然高分子增稠剂、合成高分子增稠剂和无机类增稠剂中的一种。
10.制备权利要求2至9之一所述常温多重固化有机-无机杂化水性纳米聚氨酯木器涂料的方法,其特征在于主要包括如下步骤:
(1)按涂料组成组分的质量配比,将颜填料、成膜助剂、消泡抑泡剂、稳定分散剂和去离子水在温度0℃~50℃下研磨,经充分研磨后以3000~6000r/min搅拌速度分散均匀,得到颜填料浆料;
(2)将步骤(1)制备的颜填料浆料加入有机-无机杂化纳米聚氨酯乳液,同时加入流平剂、基材润湿剂,在0℃~50℃的温度,800~4000r/min的转速下搅拌30~90min,使物料混合均匀;
(3)在步骤(2)制备的料液中加入水性光引发剂,在0℃~50℃的温度,800~4000r/min的转速下充分搅拌,之后加入增稠剂调节粘度,经过滤即得到常温多重固化有机-无机杂化水性纳米聚氨酯木器涂料。
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