CN108070318A - 一种具有自修复型水性汽车涂料的制备方法及应用 - Google Patents

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Abstract

本发明涉及一种具有自修复型水性汽车涂料的制备方法及应用，属水性汽车涂料系列。它公开了一种二氧化硅纳米改性聚氨酯水分散体的制备方法。本发明充分结合纳米材料特殊的理化性能和聚氨酯类的优势，研制开发具有自修复功能水性汽车涂料，使得对车身表面涂层的微损伤，特别是内部不易被探测到的损伤，在不使用外加修补材料的情况下依靠自身实现涂层破损处的自修复，具有重大价值。同时纳米颗粒与骨架材料相互作用，形成漆膜光泽高，丰满度好、机械性能优异，综合性能大大提高，环保节能，可操作性强，便于推广应用，市场前景广阔。

Description

一种具有自修复型水性汽车涂料的制备方法及应用
技术领域
本发明涉及一种自修复型水性汽车涂料的制备方法及应用，尤其 涉及一种二氧化硅纳米改性聚氨酯水分散体的制备方法。
背景技术
随着工业经济与城市化的发展，我国汽车产销量连续七年蝉联全 球第一，成为世界最大的汽车产销国。汽车工业的快速发展对汽车涂 料市场的具有明显的拉动作用，使汽车涂料成为发展最快的涂料品 种，也是性能要求最高的涂料品种，因此，汽车涂料往往代表了当代 涂料工业发展的最高水平。
汽车用表面涂料在整个涂层中发挥着主要的装饰和保护作用，要 求漆膜外观丰满、平整，无瑕疵，同时具有足够的硬度、抗石击性、 耐化学品性、耐污性，和防腐性等性能。但无论汽车涂膜质量如何优 良，在使用过程中，涂层由于外界因素的干扰，如泥浆、溅石及机械 蹭擦的侵害，粘附物、树枝擦剐、硬器划伤和擦伤等方面的损伤，不 可避免地会产生微裂纹和局部损伤，表面看不出异常，但已造成涂膜 机械强度下降，完整性受到严重破坏，由于人工修复的局限性，损伤 部位如不能及时进行修复，这样不仅会使涂膜的性能下降，破坏了表 面的高装饰性和光泽，极大地缩短了涂膜的使用寿命，有时会带来灾 难性的后果。因此研制开发具有自修复功能汽车涂料，使得对车身表 面涂层的微损伤，可以感应到涂层的破坏，特别是那些内部不能被探 测到的损伤，在不使用外加修补材料的情况下、进而依靠材料自身的 性能实现涂层破损处的自修复，具有重大的价值和应用前景。
发明内容
为了克服现有技术的不足，本发明的目的提供一种自修复型水性 汽车涂料制备方法及应用，可使车身表面涂层微损伤在不使用外加修 补材料的情况下、进而依靠材料自身的性能实现涂层破损处的自修 复，具有重大的价值和应用前景。同时形成漆膜丰满、高光泽及具有 优异的机械性能、耐候性和稳定性，水性环保，实现节能减排，便于 推广及应用。
本发明提供了一种二氧化硅纳米改性聚氨酯水分散体的制备方 法，它包括了如下步骤：
在装有搅拌桨、温度计、冷凝器反应釜中，加入60-80重量份多 元醇(聚乙二醇、聚丙二醇或聚碳酸酯二元醇、聚己二酸丁二醇酯二 元醇)，5-10重量份N-甲基吡咯烷酮、0.1-0.5重量份纳米二氧化硅， 在氮气保护下，升温至80℃，保持高速分散状态0.5h后，加入3-5重量份二羟甲基丁酸，降温至65℃，加入0.02-0.05重量份有机锡 类催化剂(二月桂酸二丁基锡、辛酸亚锡)及15-25重量份多异氰酸 酯(异佛尔酮二异氰酸酯或二苯甲烷二异氰酸酯或六亚甲基二异氰酸 酯)，保持温度80℃，持续反应3-4h，冷却至55℃，加入2-4重量 份中和剂(氨水或三乙胺或二甲基乙醇胺)进行中和，反应25min至 pH值为8-9，即得纳米改性聚氨酯水分散体预聚物。
将预聚物保持70℃的条件下，强力搅拌缓慢加入到25℃的去离 子水中，最后加入适量乙二胺，反应2h后出料，既得到二氧化硅纳 米改性聚氨酯水分散体。
本发明根据当前汽车表面水性涂装的施工特殊要求，引入无毒、 无污染的无机非金属纳米二氧化硅，由于纳米二氧化硅具有三维硅石 结构，表面表现出较强的活性，聚集较丰富的氢键作用力，制备出汽 车用纳米改性聚氨酯水分散体，同时和水性丙烯酸分散体进行复配， 通过亲水改性多异氰酸酯进行交联固化成膜，形成高交联密度的聚氨 酯网络结构具有较多的氢键，硬且柔韧的漆膜在外界刮擦的作用下， 主链发生形变但不断裂，氢键打开在外力消除后进行复原，并进行重 新重组，从外观上观察会发现一些擦痕，通过外界输入能量(如日照)， 主链在应力作用下舒展，氢键也回到原来的位置，擦痕也随之减弱或 消失。另外纳米颗粒分散在聚合物骨架中，与骨架材料相互作用，有 助于提高涂层的韧性和力学性能。如改善涂层的耐磨性、耐划伤性、 硬度、强度等，同时漆膜外观，如光泽、流平性等也得到大幅度提高。 本发明制备出具有自修复功能的高性能水性汽车涂装新材料，填补了 国内水性汽车涂料的空白，率先开发出二氧化硅纳米改性自修复型水 性汽车涂料，具有无毒、不易燃烧、环保节能，这对保持涂层的机械 强度、装饰效果、消除隐患、延长使用寿命及推动国内原厂修补涂料 水性化发展具有重大的意义。
本发明所述的另一用途方案中，提供一种具有自修复型水性汽车 涂料的制备方法，它包括：
采用无树脂碾磨体系，选择水性颜料、去离子水及功能水性助剂 混合均匀，进入水性砂磨机进行研磨，再于分散条件下按照适量比例 加入纳米改性聚氨酯水分散体、水性丙烯酸分散体及水性助剂，搅拌 均匀，即制得具有自修复型水性汽车涂料产品。
通过对各种原料及助剂的选择性研究，制得具有自修复型水性汽 车涂料产品，基础配方各组分添加量如下：
顺序添加原材料经分散、碾磨合格后，获得自修复型汽车用水性 涂料，即组分A。与作为组分B的亲水改性多异氰酸酯按照A:B:去离 子水＝4:1:0.5-1.5的比例混合均匀，获得可施工喷涂的涂料产品。
以上本发明所述的亲水改性多异氰酸酯选自改性HDI(拜耳公司 的Bayhydur304)或改性IPDI(拜耳公司的Bayhydur 401)中的一 种或两种混合。
本发明的积极效果在于：
1、制备出一种二氧化硅纳米改性聚氨酯水分散体，及其配制出 具有自修复型综合性能优异的水性汽车涂料。
2、通过引入无毒、无污染的无机非金属纳米二氧化硅，具有三 维硅石结构，表面聚集丰富氢键，表现较强活性，制备出汽车用纳米 改性聚氨酯水分散体，同时和水性丙烯酸分散体进行复配，通过亲水 改性多异氰酸酯进行交联固化成膜，形成高交联密度的聚氨酯网络结 构具有较多的氢键，硬且柔韧的漆膜在外界刮擦的作用下，主链发生 形变但不断裂，氢键打开在外力消除后进行复原，并进行重新重组， 从外观上观察会发现一些擦痕，通过外界输入能量(如日照)，主链 在应力作用下舒展，氢键也回到原来的位置，擦痕也随之减弱或消失， 达到自修复效果，对保持涂层的机械强度、装饰效果、消除隐患、延 长使用寿命具有重大意义。
3、纳米颗粒分散在聚合物骨架中，与骨架材料相互作用，有助 于提高涂层的韧性和力学性能。如改善涂层的耐磨性、耐划伤性、硬 度、强度等，同时漆膜外观，如光泽、流平性等也得到大幅度提高， 漆膜综合性能优异。
4、该水性汽车涂料产品的VOC含量低于10％，对环境极为友好， 不仅填补了国内水性汽车涂料的空白，而且实现了汽车涂料涂装的节 能减排，具有广阔市场前景。
附图说明
图1、本发明的制备工艺流程方框示意图。
具体实施方式：
实施例1
在装有搅拌桨、温度计、冷凝器反应釜中，加入70重量份聚乙 二醇，9重量份N-甲基吡咯烷酮、0.3重量份纳米二氧化硅，在氮气 保护下，升温至80℃，保持高速分散状态0.5h后，加入4.5重量份 二羟甲基丁酸，降温至65℃，加入0.03重量份二月桂酸二丁基锡及20重量份异佛尔酮二异氰酸酯，保持温度80℃，持续反应3.5h，冷 却至55℃，加入3重量份三乙胺进行中和，反应25min至pH值为8-9， 即得纳米改性聚氨酯水分散体预聚物。
将预聚物保持70℃的条件下，强力搅拌缓慢加入到25℃的去离 子水中，最后加入适量乙二胺，反应2h后出料，既得到二氧化硅纳 米改性聚氨酯水分散体。性能指标如下：
实施例2性能指示测试方法同实施例1
在装有搅拌桨、温度计、冷凝器反应釜中，加入60重量份多元 醇(聚乙二醇、聚丙二醇或聚碳酸酯二元醇、聚己二酸丁二醇酯二元 醇)，5重量份N-甲基吡咯烷酮、0.1重量份纳米二氧化硅，在氮气 保护下，升温至80℃，保持高速分散状态0.5h后，加入3重量份二 羟甲基丁酸，降温至65℃，加入0.02重量份有机锡类催化剂(二月 桂酸二丁基锡、辛酸亚锡)及15重量份多异氰酸酯(异佛尔酮二异 氰酸酯或二苯甲烷二异氰酸酯或六亚甲基二异氰酸酯)，保持温度 80℃，持续反应3，冷却至55℃，加入2重量份中和剂(氨水或三乙 胺或二甲基乙醇胺)进行中和，反应25min至pH值为8，即得纳米 改性聚氨酯水分散体预聚物。
将预聚物保持70℃的条件下，强力搅拌缓慢加入到25℃的去离 子水中，最后加入适量乙二胺，反应2h后出料，既得到二氧化硅纳 米改性聚氨酯水分散体。
实施例3性能指示测试方法同实施例1
在装有搅拌桨、温度计、冷凝器反应釜中，加入80重量份多元 醇(聚乙二醇、聚丙二醇或聚碳酸酯二元醇、聚己二酸丁二醇酯二元 醇)，10重量份N-甲基吡咯烷酮、0.5重量份纳米二氧化硅，在氮气 保护下，升温至80℃，保持高速分散状态0.5h后，加入5重量份二羟甲基丁酸，降温至65℃，加入0.05重量份有机锡类催化剂(二月 桂酸二丁基锡、辛酸亚锡)及25重量份多异氰酸酯(异佛尔酮二异 氰酸酯或二苯甲烷二异氰酸酯或六亚甲基二异氰酸酯)，保持温度 80℃，持续反应4h，冷却至55℃，加入4重量份中和剂(氨水或三 乙胺或二甲基乙醇胺)进行中和，反应25min至pH值为9，即得纳 米改性聚氨酯水分散体预聚物。
将预聚物保持70℃的条件下，强力搅拌缓慢加入到25℃的去离 子水中，最后加入适量乙二胺，反应2h后出料，既得到二氧化硅纳 米改性聚氨酯水分散体。
实施例4：产品的用途应用实例(以白色为例)自修复型水性汽 车涂料的制备及性能指标
通过对各种原料及助剂的选择性研究，(以白色为例)制得具有 自修复型水性汽车涂料产品，基础配方各组分添加量如下表：
顺序添加原材料经分散、碾磨合格后，获得自修复型汽车用水性 白色面漆成品，即组分A。与作为组分B的亲水改性多异氰酸酯按照 A:B:去离子水＝4:1:0.5-1.5的比例混合均匀，获得可施工喷涂的成 品，喷涂粘度为25-30秒(涂-4杯，25℃)。
以上本发明所述的亲水改性的多异氰酸酯选自改性HDI(拜耳公 司的Bayhydur304)或改性IPDI(拜耳公司的Bayhydur 401)中的 一种或两种混合。使用涂料领域中常用测试方法，均获得该水性汽车 涂料的相关性能结果如下：

Claims (7)

1.一种二氧化硅纳米改性聚氨酯水分散体的制备方法：其特征是：
在装有搅拌桨、温度计、冷凝器反应釜中，加入60-80重量份多元醇，5-10重量份N-甲基吡咯烷酮，0.1-0.5重量份纳米二氧化硅，在氮气保护下，升温至80℃，保持高速分散状态0.5h后，加入3-5重量份二羟甲基丁酸，降温至65℃，加入0.02-0.05重量份有机锡类催化剂及15-25重量份多异氰酸酯，保持温度80℃，持续反应3-4h，冷却至55℃，加入2-4重量份中和剂进行中和，反应25min至pH值为8-9，即得纳米改性聚氨酯水分散体预聚物。
将预聚物保持70℃的条件下，强力搅拌缓慢加入到25℃的去离子水中，最后加入适量乙二胺，反应2h后出料，既得到二氧化硅纳米改性聚氨酯水分散体。
2.根据权利要求1所述的一种二氧化硅纳米改性聚氨酯水分散体的的制备方法，其特征是：在装有搅拌桨、温度计、冷凝器反应釜中，加入70重量份聚乙二醇，9重量份N-甲基吡咯烷酮、0.3重量份纳米二氧化硅，在氮气保护下，升温至80℃，保持高速分散状态0.5h后，加入4.5重量份二羟甲基丁酸，降温至65℃，加入0.03重量份二月桂酸二丁基锡及20重量份异佛尔酮二异氰酸酯，保持温度80℃，持续反应3.5h，冷却至55℃，加入3重量份三乙胺进行中和，反应25min至pH值为8-9，即得纳米改性聚氨酯水分散体预聚物。将预聚物保持70℃的条件下，强力搅拌缓慢加入到25℃的去离子水中，最后加入适量二乙胺，反应2h后出料，既得到二氧化硅纳米改性聚氨酯水分散体。
3.根据权利要求1所述的一种二氧化硅纳米改性聚氨酯水分散体的的制备方法，其特征是多元醇为聚乙二醇、聚丙二醇或聚碳酸酯二元醇、聚己二酸丁二醇酯二元醇。
4.根据权利要求1所述的一种二氧化硅纳米改性聚氨酯水分散体的的制备方法，其特征是有机锡类催化剂为二月桂酸二丁基锡、辛酸亚锡。
5.根据权利要求1所述的一种二氧化硅纳米改性聚氨酯水分散体的的制备方法，其特征是多异氰酸酯为异佛尔酮二异氰酸酯或二苯甲烷二异氰酸酯或六亚甲基二异氰酸酯。
6.根据权利要求1所述的一种二氧化硅纳米改性聚氨酯水分散体的的制备方法，其特征是中和剂为氨水或三乙胺或二甲基乙醇胺。
7.一种二氧化硅纳米改性聚氨酯水分散体的应用于自修复型水性汽车涂料的用途。
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