CN116463018A - 一种高硬度水性氟碳涂料及其制备方法 - Google Patents
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Abstract
本发明公开了一种高硬度水性氟碳涂料及其制备方法；以总重为100％计，所述涂料包括如下重量含量的各组分：氟树脂：45‑48％，水性氨基树脂：6‑8％，硅溶胶：6‑8％，无水乙醇：5‑8％，色浆：15‑20％，流平剂：1‑2％，去离子水：余量；其中，以氟树脂总重为100％计，所述氟树脂包括如下重量含量的各组分：PVDF粉末：27‑29％，水性丙烯酸树脂：65‑67％，乳化剂水溶液：余量。本发明制得的水性氟碳涂料具有硬度高、附着力好、耐洗刷性能优异、涂层的耐候性和耐化学腐蚀性能与溶剂型氟碳漆相比无差别的性能优势。
Description
技术领域
本发明属于氟碳涂料技术领域，具体涉及一种高硬度水性氟碳涂料及其制备方法。
背景技术
随着中国城市化进程的快速推进，数量庞大的大型公共建筑、商业楼宇及高端住宅不断涌现，建筑铝幕墙的需求也快速增长。目前建筑铝幕墙板仍以氟碳涂料为主，氟碳涂料分为水性和溶剂型两类，水性氟碳涂料大多是以FEVE为主要成膜树脂，该类产品由于固含低、粘度高，故施工方式以刷涂和滚涂为主，主要应用在外幕墙、桥梁、钢结构等表面，由于FEVE树脂的缺陷涂刷后存在着硬度低、色差大、光泽不一致、流平性差等问题，所以无法应用在对于外观要求较高的场所；中国专利CN201911330499.1公开了一种水性氟碳漆的技术方案，以自制的FEVE乳液为成膜物质，应用在室外幕墙，涂层耐洗刷性仅为3000次。
以PVDF树脂为主要成膜物质的氟碳涂料，由于PVDF水溶性不好，故一般使用有机溶剂做成溶剂型涂料，这类涂料由于施工方便，外观平整光滑，具有优异的耐候性和耐化学腐蚀性而广泛的应用在幕墙装饰领域，但是该类氟碳涂料的硬度较低，仅为1-2H，故日常使用过程中装饰涂层易被划伤、划破甚至造成脱落，另外由于加入了大量有机溶剂，VOC排放量大，不利于环保，随着国际范围内的能源紧张和环境保护法规的进一步实施，涂料VOC排放将进一步受到限制。急需开发一款应用在幕墙装饰领域的水性氟碳涂料，以满足外观、硬度及环保的要求。
发明内容
为解决上述本发明提出存在的PVDF树脂为主要成膜物质的氟碳漆多为溶剂型，VOC排放量大不利于环保，且涂层硬度低，仅为1-2H，耐洗刷性差，日常使用过程中装饰涂层易被划伤、划破甚至造成脱落等技术问题，本发明的目的在于提供一种高硬度水性氟碳涂料及其制备方法。该涂料是以PVDF树脂为基体树脂的水性氟碳涂料，解决了传统溶剂型PVDF氟碳涂料VOC排放量大、不环保、硬度低等问题。具体的，本发明通过配方中加入乳化剂，制得了稳定的水性PVDF氟碳涂料，通过加入中性硅溶胶，增加了涂层的硬度和耐洗刷性，通过热固性水性丙烯酸树脂和水性氨基树脂的交联反应，增加了涂层的附着力。本发明的产品具有硬度高、附着力好、耐洗刷性能优异、涂层的耐候性和耐化学腐蚀性能与溶剂型氟碳漆相比无差别的性能优势。
本发明的目的是通过以下技术方案来实现的：
本发明涉及一种水性氟碳涂料组合物，以组合物总重为100％计，包括如下重量含量的各组分：氟树脂：45-48％，水性氨基树脂：6-8％，硅溶胶：6-8％，无水乙醇：5-8％，色浆：15-20％，流平剂：1-2％，去离子水：余量；
其中，以氟树脂总重为100％计，所述氟树脂包括如下重量含量的各组分：PVDF粉末：27-29％，水性丙烯酸树脂：65-67％，乳化剂水溶液：余量。
作为本发明的一个实施方案，所述PVDF粉末的粒径为3-8μm。
作为本发明的一个实施方案，所述水性丙烯酸树脂为水性热固型丙烯酸树脂。
作为本发明的一个实施方案，所述硅溶胶为中性硅溶胶。
作为本发明的一个实施方案，所述乳化剂水溶液的质量百分比浓度为4～6％。
作为本发明的一个实施方案，所述乳化剂由质量比为1:1～1:2的阴离子乳化剂和非离子乳化剂组成。
作为本发明的一个实施方案，所述阴离子乳化剂选用十二烷基硫酸钠、十二烷基磺酸钠、十二烷基苯磺酸钠中的至少一种。
作为本发明的一个实施方案，所述非离子型乳化剂选用吐温-80、OP-10中至少一种。
作为本发明的一个实施方案，所述色浆选自有机色浆、无机色浆。所述无机色浆包括铝银浆。
本发明还涉及一种前述的水性氟碳涂料组合物的制备方法，所述方法包括如下步骤：
S1、将50-60wt％的去离子水、50-60wt％的无水乙醇和氟树脂搅拌混合均匀；
S2、加入中性硅溶胶，搅拌混合均匀；
S3、加入氨基树脂、剩余的去离子水、剩余的无水乙醇，搅拌混合均匀；
S4、加入色浆、流平剂搅拌混合均匀，即得。
作为本发明的一个实施方案，所述氟树脂是通过包括如下步骤的方法制备而得：
A1、取质量比为1:1～1:2的阴离子乳化剂和非离子乳化剂，加入去离子水中，高速搅拌，均匀制得乳化剂水溶液；
A2、水性丙烯酸树脂与乳化剂水溶液混合均匀，然后加入PVDF粉末，高速搅拌，分散均匀，得到氟树脂。
作为本发明的一个实施方案，步骤A1中，所述高速搅拌的速率为1200-1800转/分，时间为30-60分钟。
作为本发明的一个实施方案，步骤A2中，所述高速搅拌的速率为2200-2500转/分，时间为3-4小时。
与现有技术相比，本发明具有如下有益效果：
(1)本发明通过加入阴离子型乳化剂与非离子型乳化剂混合而成的乳化液，由于本发明体系中阴离子乳化剂乳化效果好，而非离子乳化剂使得乳液更稳定，二者协同使得PVDF树脂在水溶液中可以长期稳定存在，而不会发生团聚、沉降、相分离等现象，从而制得了稳定的水性氟碳涂料。
(2)通过配方中加入中性硅溶胶，一方面提高了涂层的硬度、耐磨性和耐洗刷性，另一方面由于涂料体系的pH值接近中性，无需加入中和剂，中性硅溶胶即可在体系中稳定存在，从而简化了配方，减少了VOC的排放。
(3)通过配方中水性丙烯酸树脂和水性氨基树脂的交联反应，提高了水性氟碳漆与基材的附着力，提高了涂层的硬度且不会影响涂层的耐化学腐蚀性和耐候性能。
(4)该发明的水性氟碳漆具有硬度高、附着力好、耐洗刷性能优异、涂层的耐化学溶剂性和耐候性与溶剂型氟碳漆相比无差异的性能优势。
具体实施方式
下面结合实施例对本发明进行详细说明。以下实施例将有助于本领域的技术人员进一步理解本发明，但不以任何形式限制本发明。应当指出的是，对本领域的普通技术人员来说，在不脱离本发明构思的前提下，还可以做出若干调整和改进。这些都属于本发明的保护范围。
一、本发明为水性氟碳涂料，以水性氟碳涂料总重为100％计，配方如下：
氟树脂：45-48％，
水性氨基树脂：6-8％，
硅溶胶：6-8％，
无水乙醇：5-8％，
色浆：15-20％，
流平剂：1-2％，
去离子水：余量；
其中，以氟树脂总重为100％计，氟树脂配方如下：
PVDF粉末：27-29％，
水性丙烯酸乳液：65-67％，
乳化液：余量。
其中：
PVDF粉末：即PVDF树脂，是一种高分子量的均聚物，是本发明涂料的基体树脂，成膜物质，2000目，由于粒径约5μm，制备时高速分散即可，无需研磨，生产效率高、使用方便，且涂层的平整度好，光泽高装饰性好。如果选用粒径较大的PVDF粉末(＞25μm)，则需要研磨，研磨在密闭情况下进行，研磨设备需要在冷却水的作用下工作，防止研磨时温度升高PVDF产生触变，影响最终涂料的施工。为市售产品，例如：法国阿科玛741。
水性丙烯酸树脂：成膜物质，选择水性热固型丙烯酸树脂，其作用有二：(1)增加涂层的附着力，若不添加该组分，涂层附着力仅为1-2级，加入后附着力为0级；(2)可与氨基树脂发生交联反应，提高涂层的硬度、耐溶剂性和耐候性。为常规市售产品，例如：广东柯力森树脂有限公司的KN2606T、KN2602T。
丙烯酸树脂分为热固性和热塑性两种，热固性丙烯酸树脂的结构中带有一定量的可反应基团，通过与氨基树脂上的官能团产生反应，从而形成网状交联结构，涂层具有优异的硬度、耐溶剂性、耐侯性、耐温性以及耐黄变性等。而热塑性丙烯酸树脂，由于成膜时不发生交联反应，固化后涂层的硬度较低、韧性也略差，不耐高温，高温时涂层会***，在本发明的涂料配方中不能选择热塑性丙烯酸树脂。
乳化液：乳化剂水溶液，质量百分比浓度为4-6％，乳化剂采用阴离子乳化剂:非离子乳化剂＝1:1～1:2，阴离子乳化剂乳化效果好，而非离子乳化剂使得乳液更稳定，加入后使得PVDF树脂在水中长期稳定存在而不会出现团聚、沉降或者相分离，可以以去离子水作为溶剂，制得稳定的水性氟碳涂料，阴离子乳化剂可选用：十二烷基硫酸钠、十二烷基磺酸钠、十二烷基苯磺酸钠等；非离子型乳化剂可选用吐温-80、OP-10等。
水性氨基树脂：水性丙烯酸树脂的固化剂、交联剂，在涂层烘烤过程中，氨基树脂会与丙烯酸树脂发生交联反应而成膜，提高涂层的附着力，提高涂层的硬度、耐溶剂性和耐候性，为常规市售产品，例如：重庆米诺汇科技有限公司Menory 325W，湛新ALLNEX 385。
硅溶胶：可以提高涂层的硬度和耐洗刷性，同时不影响涂层的耐候性。常见硅溶胶为酸性硅溶胶和碱性硅溶胶，对体系的pH值变化非常敏感，只能在pH值为2-5或者8.5-10.5范围内稳定存在，在接近中性、或者强酸性、强碱性的环境下易发生凝胶化而出现沉淀、相分离而失效，若选用常规硅溶胶，则需加入中和剂调整涂料pH值至弱酸或者弱碱性。由于该涂料体系的pH值在6.5-7.5的中性范围内，所以该发明选用中性硅溶胶，中性硅溶胶在该涂料体系内可以稳定存在，无需加入中和剂，减少了VOC的排放。中性硅溶胶为市售产品，例如：山东百特新材料有限公司的HN3010或HN3020。佛山中发水玻璃厂BZN-1430、BZN-3030等。
硅溶胶是二氧化硅的水溶液，其表面富含-OH，可与丙烯酸树脂上的反应基团发生化学反应，通过化学键连接在一起，由于硅溶胶含有大量Si-O键，硬度高，故硅溶胶的加入可以大幅度提高涂层的硬度。该体系不能加入硅烷偶联剂，硅烷偶联剂需要在酸性条件下水解聚合才能生成稳定且透明的聚合物，而该体系pH值为中性，在该pH环境下，硅烷偶联剂水解聚合可能会出现乳白色沉淀，无法得到均相的涂料。
无水乙醇：加入少量乙醇溶剂，可以增加涂料体系中各组分的相容性和稳定性。
色浆：为涂料提供颜色和光泽等，可以是有机色浆、无机色浆、铝银浆等，通常为水溶性通用型市售产品，可以根据涂层对色彩的需要来选择。例如：东莞市蒂森新材料有限公司FLTK-1300W。
流平剂：是一种常用的涂料助剂，它能促使涂料在干燥成膜过程中形成一个平整、光滑、均匀的涂膜，还能防止缩孔、橘皮等漆膜缺陷的产生。选用普通水性涂料流平剂即可，例如：BYK-333。
二、氟树脂的制备：
(1)按比例称取阴离子乳化剂与非离子乳化剂，然后加入去离子水中，高速搅拌均匀制得乳化液。
(2)先将水性丙烯酸树脂与乳化液混合均匀，然后加入PVDF粉末树脂高速搅拌分散均匀，得到氟树脂，待用。
该方法制备出的氟树脂可以作为涂料的半成品单独生产并存放，可保存半年左右保持稳定状态，均相且不出现沉降分层等现象。制备氟树脂时如果单独使用阴离子乳化剂，由于储存稳定性不够好，只能定量生产。
该氟树脂不能用市面上常见的水性氟碳乳液来代替。一般来说，市场上常见的水性氟碳乳液大多数为热塑性的，实质上是含氟丙烯酸共聚物乳液，通过对丙烯酸乳液支链结构进行氟改性，这种乳液含氟量比较低，不足10％，所以得到涂层的性能在耐候性、耐溶剂性、耐温性上等均比氟碳涂料差很多。
2、水性氟碳漆的制备步骤如下：
(1)将50-60wt％的去离子水、无水乙醇和氟树脂搅拌混合均匀；
(2)加入中性硅溶胶，搅拌混合均匀；
(3)加入氨基树脂，剩余的去离子水、无水乙醇，搅拌混合均匀；
(4)加入色浆、流平剂搅拌混合均匀，即得。
实施例1～5
实施例1～5分别涉及一种水性氟碳涂料，其组成如表1、表2所示。
制备步骤如下：
(1)按比例称取阴离子乳化剂与非离子乳化剂，然后加入去离子水中，高速搅拌均匀制得乳化液；
(2)先将水性丙烯酸树脂与乳化液混合均匀，然后加入PVDF粉末树脂高速搅拌分散均匀，得到氟树脂，待用；
(3)将50-60wt％的去离子水、无水乙醇和氟树脂搅拌混合均匀；
(4)加入中性硅溶胶，搅拌混合均匀；
(5)加入氨基树脂，剩余的去离子水、无水乙醇，搅拌混合均匀；
(6)加入色浆、流平剂搅拌混合均匀，即得。
表1
表2
实施例和对比例的涂料的主要性能测试如表3所示；结果如表4、表5所示。
表3
表4
表5
以上对本发明的具体实施例进行了描述。需要理解的是，本发明并不局限于上述特定实施方式，本领域技术人员可以在权利要求的范围内做出各种变化或修改，这并不影响本发明的实质内容。在不冲突的情况下，本申请的实施例和实施例中的特征可以任意相互组合。
Claims (10)
1.一种水性氟碳涂料组合物，其特征在于，以组合物总重为100％计，包括如下重量含量的各组分：氟树脂：45-48％，水性氨基树脂：6-8％，硅溶胶：6-8％，无水乙醇：5-8％，色浆：15-20％，流平剂：1-2％，去离子水：余量；
其中，以氟树脂总重为100％计，所述氟树脂包括如下重量含量的各组分：PVDF粉末：27-29％，水性丙烯酸树脂：65-67％，乳化剂水溶液：余量。
2.根据权利要求1所述的水性氟碳涂料组合物，其特征在于，所述PVDF粉末的粒径为3-8μm。
3.根据权利要求1所述的水性氟碳涂料组合物，其特征在于，所述水性丙烯酸树脂为水性热固型丙烯酸树脂；所述硅溶胶为中性硅溶胶。
4.根据权利要求1所述的水性氟碳涂料组合物，其特征在于，所述乳化剂水溶液的质量百分比浓度为4～6％；所述乳化剂由质量比为1:1～1:2的阴离子乳化剂和非离子乳化剂组成。
5.根据权利要求4所述的水性氟碳涂料组合物，其特征在于，所述阴离子乳化剂选用十二烷基硫酸钠、十二烷基磺酸钠、十二烷基苯磺酸钠中的至少一种。
6.根据权利要求4所述的水性氟碳涂料组合物，其特征在于，所述非离子型乳化剂选用吐温-80、OP-10中至少一种。
7.根据权利要求1所述的水性氟碳涂料组合物，其特征在于，所述色浆选自有机色浆、无机色浆；所述无机色浆包括铝银浆。
8.一种根据权利要求1-7中任一项所述的水性氟碳涂料组合物的制备方法，其特征在于，所述方法包括如下步骤：
S1、将50-60wt％的去离子水、50-60wt％的无水乙醇和氟树脂搅拌混合均匀；
S2、加入中性硅溶胶，搅拌混合均匀；
S3、加入氨基树脂、剩余的去离子水、剩余的无水乙醇，搅拌混合均匀；
S4、加入色浆、流平剂搅拌混合均匀，即得。
9.根据权利要求8所述的水性氟碳涂料组合物的制备方法，其特征在于，所述氟树脂是通过包括如下步骤的方法制备而得：
A1、取质量比为1:1～1:2的阴离子乳化剂和非离子乳化剂，加入去离子水中，高速搅拌，制得乳化剂水溶液；
A2、水性丙烯酸树脂与乳化剂水溶液混合均匀，然后加入PVDF粉末，高速搅拌，分散均匀，得到氟树脂。
10.根据权利要求9所述的水性氟碳涂料组合物的制备方法，其特征在于，步骤A1中，所述高速搅拌的速率为1200-1800转/分，时间为30-60分钟；步骤A2中，所述高速搅拌的速率为2200-2500转/分，时间为3-4小时。
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