CN112625470A - 一种常温固化无机涂料及其制备方法 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种常温固化无机涂料及其制备方法，包括如下质量份的组分：纳米二氧化硅溶胶25‑45份、有机硅烷25‑45份、功能性填料5‑10份、蒸馏水5‑15份、无机颜料10‑20份、功能性助剂0.1‑3份。该常温固化无机涂料能在室温下固化并具有优异物理和化学性能，施工干燥后形成的涂层具有高耐候性、高耐盐雾性、高耐紫外线老化性、自洁性、阻燃、不易褪色等性能。

Description

一种常温固化无机涂料及其制备方法

技术领域

本发明涉及无机涂料技术领域，具体涉及一种常温固化无机涂料及其制备方法。

背景技术

涂料保护房屋、建筑物等以延长寿命，美观地长期保存。因此，要求涂料固化后形成的涂层必须能很好地显现出光泽或颜色等，长期发挥其化学上的耐溶剂性、耐药性、耐候性、耐受性、抗菌性等性能和物理上的不燃、难燃、防水、粘贴强度、电绝缘等性能，而且还要求产品无异味，对人体无害或者不会造成环境污染，从而确保人居环境的安全性，以上就是涂料研发应追求的终极目标。

传统建筑涂料是由原油提取的有机高分子和多种化学组分混合制成的，所以其中大部分都含有有机物，涂装后使用一段时间后，涂装层形成细微的裂纹，结果出现涂层剥离的问题，如果持续暴露在紫外线下，就会发生褪色，耐热防火性能显著下降。此外，大部分涂料中都含有对人体有害的各种污染物，这些污染物可导致遗传性皮肤病、头痛、呕吐等“新居综合症”，从而引发一系列的环境疾病。

为了解决传统涂料中出现的上述问题，人们逐渐把研究重点放在对无机物涂料的研究，现有的无机物涂料多由粘合剂、颜料、溶剂、添加剂等4种材料组成。大部分陶瓷涂料是由粘合剂，硅溶胶、环氧基或聚酯树脂类有机高分子作为成膜物质，填充陶瓷粉，再加入丙酮、甲苯、二甲苯及乙酸乙酯等有机溶剂制备而成。但是这类无机物涂料或陶瓷涂料在使用过程中存在硬性较强、容易产生裂纹、涂层较厚、涂布施工困难等问题。

发明内容

为了解决上述背景技术中存在的问题，本发明的目的在于提供一种能在室温下固化并具有优异物理和化学性能的无机涂料。此外，本发明还提供一种常温固化无机涂料的制备方法。

为了实现上述目的，本发明采用以下技术方案：

本发明的第一方面，提供一种常温固化无机涂料，包括如下质量份的组分：纳米二氧化硅溶胶25-45份、有机硅烷25-45份、功能性填料5-10份、水5-15份、无机颜料10-20份、功能性助剂0.1-3份。

其中，纳米二氧化硅溶胶中二氧化硅的浓度为20％-45％，平均粒径为10-50nm。

优选地，还包括增稠剂0.1-2份，所述增稠剂为粒径小于1μm的气相二氧化硅。加入增稠剂可以防止体系中的无机颗粒发生沉降，使得无机颗粒均匀分散在体系中。

使用有机硅烷来增强形成涂膜时与基材的粘合强度。有机硅烷是具有与分子中的有机材料反应的官能团和同时与无机材料反应的官能团的有机硅化合物，由下面的等式(1)表示。

优选地，有机硅烷选为N-2-(氨基乙基)-3-氨基丙基甲基二甲氧基硅烷、N-(2-氨基乙基)-3-氨基丙基三甲氧基硅烷、N-(2-氨基乙基)-3-氨基丙基乙氧基硅烷、甲基三甲氧基硅烷、乙基三乙氧基硅烷、四乙氧基硅烷、3-氨丙基三乙氧基硅烷、3-氨丙基三甲氧基硅烷、3-氨丙基甲基二乙氧基硅烷、3-氨丙基甲基二甲氧基硅烷、3-[(2,3)-环氧丙氧]丙基甲基二甲氧基硅烷、3-(2,3-环氧丙氧丙基)三甲氧基硅烷、3-缩水甘油醚氧基丙基甲基二乙氧基硅烷、N-苯基-3-氨基丙基三甲氧基硅烷、3-巯基丙基三乙氧基硅烷、甲基丙烯酰氧丙基三乙氧基硅烷、甲基丙烯酰氧基丙基甲基二乙氧基硅烷、3-(甲基丙烯酰氧)丙基甲基二甲氧基硅烷、甲基丙烯酰氧丙基三(三甲基硅氧基)硅烷、含有丙烯酰基或甲基丙烯酰基的有机硅烷中的一种或多种混合。

上述有机硅烷中的烷氧基可以被水、空气中的水或者吸附在材料表面上的水分解产生硅烷醇(Si-OH)，该硅烷醇基与材料的表面的(M-OH)形成氧杂键(Si-O-M)而与材料结合，其与材料的结合力较强，具有稳定的热性能，并且具有高耐候性，高耐化学性，高耐磨性和高硬度等性能。

优选地，所述功能性填料为钛酸钾、云母粉、氧化铝、氧化铝溶胶、碳化硅、氮化硼、电气石、高岭土中的两种或多种混合。加入功能性填料可以防止涂膜破裂并控制涂料的粘度，经过试验测试表明，当功能性填料的加入量小于5份或更少时，会减弱防止开裂的功能。当功能性填料的加入量为10份或更多时，涂膜的表面变得粗糙。因此，功能性填料优选加入量为5-10份。

所述无机颜料为钴蓝、锰紫、二氧化钛、钛铬棕、镉黄、镉红、氧化铁红、氧化铁黄、铜铬黑中的一种或多种混合。

其中，功能性助剂包括流平剂，消泡剂和固化剂，以提高涂料的性能。其中，流平剂可用来改善膜表面的流平性，可选用聚醚改性的二甲基聚硅氧烷共聚物、聚酯改性的二甲基聚硅氧烷共聚物或聚醚改性的甲基烷基聚硅氧烷共聚物；消泡剂和固化剂采用市售产品即可。

本发明的第二方面，提供一种上述常温固化无机涂料的制备方法，包括以下步骤：

S1、将按照相应的配比称取纳米二氧化硅溶胶、蒸馏水加入至密闭的反应容器中以150-300rpm的速度分散10分钟，液面温度控制在15-45℃；

S2、向密闭反应容器中加入功能性填料、无机颜料，以5000-7000rpm的速度高速分散40-50分钟，液面温度控制在15-45℃，形成均匀分散的混合溶液；

S3、向步骤S2中得到的混合溶液中加入功能性助剂和有机硅烷，密闭反应容器，液面温度控制在20-50℃，以5000-7000rpm的速度高速分散与均质2-5小时，当混合物的粘度达到12-16秒(福特杯检测)时，反应完成，冷却后再经300-900目钢丝网过滤，得到无机涂料。

本发明具有如下有益效果：

本发明中通过在水和纳米二氧化硅溶胶中分散无机颜料和功能性填料，再向其中加入有机硅烷和功能性助剂，经水解和缩聚反应在室温下获得的高耐候性快速固化型无机涂料，通过调节有机硅烷的量来调节涂膜的硬度，由于Si-O键的稳定且结合力强，最终形成的涂层具有稳定的热性能，具有高耐候性，高耐化学性，高耐磨性和高硬度等性能。该无机涂料在金属材料、玻璃钢材料、普通建筑材料特别是水泥砂浆上固化形成致密的无机涂膜，解决了有机涂料不耐高温、不耐酸、易褪色、易老化等各种问题，以保障工业品持久地发挥其基础性能，半永久性地保持建筑物内墙或外墙的美观，另外还能将对人体有害的挥发性物质阻隔在墙体内部(如：VOC或甲醛等)，同时抑制霉菌繁殖，其最终形成的无机涂层是对人体有益的环境友好型产品。

具体实施方式

实施例1

一种常温固化无机涂料，包括如下质量份的组分：

纳米二氧化硅溶胶35份、有机硅烷32份、功能性填料6份、蒸馏水8份、无机颜料12份、功能性助剂1.5份。

上述配方中，有机硅烷选用甲基三甲氧基硅烷；功能性填料选用钛酸钾、氧化铝溶胶和碳化硅；无机颜料选用二氧化钛；功能性助剂包括流平剂、消泡剂和固化剂，其中流平剂为聚醚改性的二甲基聚硅氧烷共聚物。

制备方法如下：

S1、将按照相应的配比称取纳米二氧化硅溶胶、蒸馏水加入至密闭的反应容器中以150-300rpm的速度分散10分钟，液面温度控制在15-45℃；

S2、向密闭反应容器中加入功能性填料、无机颜料，以5000-7000rpm的速度高速分散40-50分钟，液面温度控制在15-45℃，形成均匀分散的混合溶液；

S3、向步骤S2中得到的混合溶液中加入功能性助剂和有机硅烷，密闭反应容器，液面温度控制在20-50℃，以5000-7000rpm的速度高速分散与均质2-5小时，当混合物的粘度达到12-16秒(福特杯检测)时，反应完成，冷却后再经300-900目钢丝网过滤，得到无机涂料。

实施例2

一种常温固化无机涂料，包括如下质量份的组分：

纳米二氧化硅溶胶25份、有机硅烷25份、功能性填料10份、蒸馏水5份、无机颜料10份、功能性助剂0.1份、增稠剂0.3份。

上述配方中，增稠剂为粒径小于1μm的气相二氧化硅；有机硅烷选用甲基三甲氧基硅烷；功能性填料选用钛酸钾、氧化铝和氮化硼；无机颜料选用二氧化钛；功能性助剂包括流平剂、消泡剂和固化剂，其中流平剂为聚醚改性的二甲基聚硅氧烷共聚物。

制备方法如下：

S1、将按照相应的配比称量的纳米二氧化硅溶胶、蒸馏水加入至密闭的反应容器中，以150-300rpm的速度分散10分钟，液面温度控制在15-45℃；

S2、向经过搅拌混合后的密闭反应容器中加入功能性填料、无机颜料，以5000-7000rpm的速度高速分散40-50分钟，液面温度控制在15-45℃，形成均匀分散的混合溶液；

S3、向步骤S2中得到的混合溶液中加入功能性助剂、有机硅烷、增稠剂，密闭反应容器，液面温度控制在20-50℃，以5000-7000rpm的速度高速分散与均质2-5小时，当混合物的粘度达到12-16秒(福特杯检测)时，反应完成，冷却后再经300-900目钢丝网过滤，得到无机涂料。

实施例3

一种常温固化无机涂料，包括如下质量份的组分：

纳米二氧化硅溶胶42份、有机硅烷45份、功能性填料10份、水15份、无机颜料15份、功能性助剂2份、增稠剂1.2份。

上述配方中，有机硅烷选用乙基三乙氧基硅烷；功能性填料选用氧化铝；其余组分选择参考实施例2。

制备方法参考实施例2。

实施例4

一种常温固化无机涂料，包括如下质量份的组分：

纳米二氧化硅溶胶45份、有机硅烷39份、功能性填料8份、水12份、无机颜料20份、功能性助剂3份、增稠剂2份。

上述配方中，有机硅烷选用四乙氧基硅烷；其余组分选择参考实施例2。

制备方法参考实施例2。

试验例

将实施例1至4得到的常温固化无机涂料涂覆在基材上(如：铝或铁等金属基材，玻璃钢，水泥砂浆或水泥表面等)，最终固化形成致密的无机涂膜，对形成的涂膜的物化性能进行性能测试，具体测试过程如下：

(1)形成涂层膜：将实施例至4中制得的无机涂料在铝板上进行涂层，材质大小为7.0厘米×15.0厘米，经涂层后在常温下放置10分钟，然后在160度的烘箱内热处理20-30分钟，形成结实的涂层膜。

(2)铅笔硬度测试

采用硬度测量仪，把实验专用铅笔以45度的角度夹在硬度测量仪上，施加荷重(1kg)往前推进行测试。铅笔使用的是三菱铅笔，它的强度从1H到9H不等。

(3)附着力测试

采用百格法，用锋利刀片(刀锋角度为15°-30°)在测试铝板表面划10×10个1mm×1mm的小网格，每一条划线应深及油漆的底层；用毛刷将测试区域的碎片刷干净；用粘附力350-400g/cm2的胶带(3M61胶带或其他等同)牢牢粘住被测试小网格，并用橡皮擦用力擦拭胶带，以加大胶带与被测区域的接触面积及力度；用手抓住胶带一端，在垂直方向(90°)迅速扯下胶纸，同一位置进行2次相同测试，然后观察上面的涂层是否留在铝板上。

(4)耐磨损性测试

利用耐磨试验机(Model KPM-042)，使用的轮子是CS-10wheel，把试片放在耐磨试验机，吊500克的载荷，旋转500回，再利用UV分光光度计在370nm下，检测吸光度，观察表面是否变模糊，最终检测耐磨性。

具体测试结果见表1。

表1

由表1测试结果可得，本发明生产的无机涂料在常温下快速固化成膜的功能，又能很好地显现出光泽和颜色等，由于不含有机溶剂，所以工作环境没有异味，形成的涂层在化学和物理上耐候性高，能够长期保存涂层，而且对人体无害，不引发环境污染，是确保安全性健康的环境友好型产品。该涂料形成的涂层具有优异的耐候性和耐紫外线性能。该涂料可以在金属材料、玻璃钢材料、普通建筑材料特别是水泥砂浆上形成涂层，以解决有机涂料不耐高温、不耐酸、易褪色、易老化等各种问题，以保障工业品持久地发挥其基础性能，半永久性地保持建筑物内墙或外墙的美观，其致密涂层可以阻断VOC或甲醛等有害物质的缓释，抑制霉菌繁殖等问题，减少“新居综合征”的产生，该涂料最终生成的无机涂层是对人体有益的环境友好型产品。此外，由于最终形成的涂层的组成物都是无机物，因此即使在废弃后，也可以将环境污染降到最低，并维持半永久性的状态，因此能发挥较长性能和效果。其与基材的高结合力强，可以防止剥离；无机颜料可以防止褪色，能长期保持美丽的外观，所有的构成要素都是无机物，所以对热量和紫外线具有较强耐性。

以上应用了具体个例对本发明进行阐述，只是用于帮助理解本发明，并不用以限制本发明。对于本发明所属技术领域的技术人员，依据本发明的思想，还可以做出若干简单推演、变形或替换。

Claims (6)

1.一种常温固化无机涂料，其特征在于，包括如下质量份的组分：纳米二氧化硅溶胶25-45份、有机硅烷25-45份、功能性填料5-10份、蒸馏水5-15份、无机颜料10-20份、功能性助剂0.1-3份。

2.根据权利要求1所述的常温固化无机涂料，其特征在于，还包括增稠剂0.1-2份，所述增稠剂为粒径小于1μm的气相二氧化硅。

3.根据权利要求1或2所述的常温固化无机涂料，其特征在于，所述有机硅烷选为N-2-(氨基乙基)-3-氨基丙基甲基二甲氧基硅烷、N-(2-氨基乙基)-3-氨基丙基三甲氧基硅烷、N-(2-氨基乙基)-3-氨基丙基乙氧基硅烷、甲基三甲氧基硅烷、乙基三乙氧基硅烷、四乙氧基硅烷、3-氨丙基三乙氧基硅烷、3-氨丙基三甲氧基硅烷、3-氨丙基甲基二乙氧基硅烷、3-氨丙基甲基二甲氧基硅烷、3-[(2,3)-环氧丙氧]丙基甲基二甲氧基硅烷、3-(2,3-环氧丙氧丙基)三甲氧基硅烷、3-缩水甘油醚氧基丙基甲基二乙氧基硅烷、N-苯基-3-氨基丙基三甲氧基硅烷、3-巯基丙基三乙氧基硅烷、甲基丙烯酰氧丙基三乙氧基硅烷、甲基丙烯酰氧基丙基甲基二乙氧基硅烷、3-(甲基丙烯酰氧)丙基甲基二甲氧基硅烷、甲基丙烯酰氧丙基三(三甲基硅氧基)硅烷、含有丙烯酰基或含有甲基丙烯酰基的有机硅烷中的一种或多种混合。

4.根据权利要求1所述的常温固化无机涂料，其特征在于，所述功能性填料为钛酸钾、云母粉、氧化铝、氧化铝溶胶、碳化硅、氮化硼、电气石、高岭土中的两种或多种混合。

5.根据权利要求1所述的常温固化无机涂料，其特征在于，所述无机颜料为钴蓝、锰紫、二氧化钛、钛铬棕、镉黄、镉红、氧化铁红、氧化铁黄、铜铬黑中的一种或多种混合。

6.一种如权利要求1所述的常温固化无机涂料的制备方法，其特征在于，包括以下步骤：

S1、将按照相应的配比称取纳米二氧化硅溶胶、蒸馏水加入至密闭的反应容器中，以150-300rpm的速度搅拌分散10分钟，液面温度控制在15-45℃；

S2、向密闭反应容器中加入功能性填料、无机颜料，以5000-7000rpm的速度高速分散40-50分钟，液面温度控制在15-45℃，形成均匀分散的混合溶液；

S3、向步骤S2中得到的混合溶液中加入功能性助剂和有机硅烷，密闭反应容器，液面温度控制在20-50℃，以5000-7000rpm的速度高速分散与均质2-5小时，冷却后再经300-900目钢丝网过滤，得到无机涂料。