烘烤型水性玻璃涂料(一种磷酸锆纳米片的用途和耐刮擦水性涂料)

Posted 2023-06-01

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烘烤型水性玻璃涂料(一种磷酸锆纳米片的用途和耐刮擦水性涂料)

传统的溶剂型涂料、油墨、漆等在使用中会产生大量有毒有害挥发物，随着社会发展对环保要求的不断提升，水性涂层发展迅速。然而，和溶剂型涂料相比，水性漆中粘合高分子的结构中由于亲水基团的引入，使得其缺点是附着力耐久性差，表面不耐刮擦，对所涂表面的保护能力差，需要进行改性。

一般对水性涂料的改进方法包括水性高分子的改性以及水性涂料的填料改进。其中，常用的改性填料有石英粉、硅微粉、轻质碳酸钙、重质碳酸钙、滑石粉、高岭土、钛白粉、蒙脱土等。这里有一种抗裂水性涂料，其主体高分子材料是聚氨酯和丙烯酸树脂，改性填料为有机蒙脱土，获得的涂料固化后具有良好的韧性、冲击性能、抗裂性能和粘结性能。这种水性涂料，以乙烯乙酸酯聚合物和FEVE氟碳树脂为主体高分子材料，以高岭土、钛白粉、碳酸钙、碳化硅微粉和瓷粉为改性填料，得到的涂料固化后具有防水、耐磨、附着力好、避免碱性物质渗透的优点。以丙烯酸乳液、芳香族聚氨酯丙烯酸和脂肪族聚氨酯丙烯酸的混合物为主体高分子材料，以石英粉、硅微粉、轻质碳酸钙、重质碳酸钙、滑石粉中的至少一种为改性填料，得到了一种抗刮耐磨水性涂料。

但是上述无机填料改性的水性涂料固化后耐磨性不足，在本领域，水性涂料的耐刮擦性能还有待遇进一步提高。

针对现有技术存在的不足，本发明的目的在于提供一种磷酸锆纳米片的用途和耐刮擦水性涂料。相较于未改性的水性涂料和用其他无机颗粒(如钛白粉、蒙脱土)改性的水性涂料，本发明提供的耐刮擦水性涂料的固化涂层的摩擦系数更低，具有更好的耐刮擦性能，可用于金属、玻璃、木材、塑料等材料的表面。

磷酸锆

磷酸锆(也称磷酸氢锆，Zirconium Phosphate，Zirconium Hydrogen Phosphate)是一种二维无机片层状颗粒材料，通常通过水热法或回流法合成，其厚度一般是纳米级，而大小在纳米级到微米级，因此磷酸锆也被称为磷酸锆纳米片(Zirconium Phosphate Nanoplatelets)。磷酸锆纳米片通常作为载体，用于银系无机抗菌剂的制备，尚没有将其用于水性涂料耐磨改性的研究。

耐刮擦水性涂料，其制备方法如下：

实施例1

将2g微米级直径磷酸锆纳米片加入到50mL水中溶解搅拌均匀备用。将3g聚乙烯醇(PVA，数均分子量67000)在加热搅拌的条件下溶解于50mL水中，配成聚乙烯醇溶液。将上述配制的磷酸锆水溶液在搅拌下缓缓加入聚乙烯醇溶液中，加完后再搅拌至少1小时，得到微米级直径磷酸锆纳米片改性的聚乙烯醇涂料。

使用浸涂的方式将上述微米级直径磷酸锆纳米片改性的聚乙烯醇涂料均匀涂覆在玻璃片表面，在65℃烘箱中烘干成膜。用SEM(扫描电子显微镜)对涂层切面进行表征，其形貌如图5所示。由图5可知，磷酸锆纳米片平行于基板排列，且整齐均匀地分布于涂层中。

对比例1

与实施例1的区别在于，将微米级直径磷酸锆纳米片替换为钛白粉，制备得到钛白粉改性的聚乙烯醇涂料。

使用浸涂的方式将上述钛白粉改性的聚乙烯醇涂料均匀涂覆在玻璃片表面，在65℃烘箱中烘干成膜。

对比例2

将5g聚乙烯醇(PVA，数均分子量67000)在加热搅拌的条件下溶解于100mL水中，制成聚乙烯醇涂料。

实施例2

将3g纳米级直径磷酸锆纳米片加入到90mL水中溶解搅拌均匀，在搅拌条件下滴加3 .5mL，25wt％的四丁基氢氧化铵溶液，然后超声30min备用。将10mL，30wt％的水性聚氨酯溶液在搅拌的条件下缓缓加入上述配制的纳米级直径磷酸锆纳米片溶液中，加完后再搅拌至少1小时，得到纳米级直径磷酸锆纳米片改性的水性聚氨酯涂料。

使用喷涂的方式在木板表面均匀涂覆上述纳米级直径磷酸锆纳米片改性的水性聚氨酯涂料，在65℃烘箱中烘干成膜。

对比例3

与实施例2的区别在于，将纳米级直径磷酸锆纳米片替换为蒙脱土，制备得到蒙脱土改性的水性聚氨酯涂料。

使用喷涂的方式在木板表面均匀涂覆上述蒙脱土改性的水性聚氨酯涂料，在65℃烘箱中烘干成膜。

对比例4

将20mL，30wt％的水性聚氨酯溶液在搅拌的条件下缓慢加入80ml水中，配制成水性聚氨酯涂料。

使用喷涂的方式在木板表面均匀涂覆上述水性聚氨酯涂料，在65℃烘箱中烘干成膜。

实施例3

将2g微米级直径磷酸锆纳米片加入到60mL水中溶解搅拌均匀后，在搅拌条件下滴加1mL聚醚胺，然后超声30min备用。将1 .5g聚乙烯醇(PVA，数均分子量67000)在加热搅拌的条件下溶解于35mL水中，再将5mL，30wt％的水性聚氨酯溶液在搅拌的条件下缓缓加入上述聚乙烯醇水溶液中，制备成聚乙烯醇/水性聚氨酯混合溶液。将上述配制的微米级直径磷酸锆纳米片溶液在搅拌下缓缓加入上述聚乙烯醇/水性聚氨酯混合溶液中，加完后再搅拌至少1小时，得到微米级直径磷酸锆纳米片改性的聚乙烯醇/水性聚氨酯混合涂料。

使用喷涂的方式在不锈钢板表面均匀涂覆上述微米级直径磷酸锆纳米片改性的聚乙烯醇/水性聚氨酯混合涂料，在65℃烘箱中烘干成膜。

对比例5

与实施例3的区别在于，将微米级直径磷酸锆纳米片替换为钛白粉，制备得到钛白粉改性的聚乙烯醇/水性聚氨酯混合涂料。

采用与实施例3相同的方法，将上述钛白粉改性的聚乙烯醇/水性聚氨酯混合涂料烘干成膜。

对比例6

将1.5g聚乙烯醇(PVA，数均分子量67000)在加热搅拌的条件下溶解于95mL水中，再将5mL，30wt％的水性聚氨酯溶液在搅拌的条件下缓缓加入上述聚乙烯醇水溶液中，制备成聚乙烯醇/水性聚氨酯混合涂料。

采用与实施例3相同的方法，将上述聚乙烯醇/水性聚氨酯混合涂料烘干成膜。

实施例4

将1 .5g纳米级直径磷酸锆纳米片与1 .5g微米级直径磷酸锆纳米片加入到90mL水中溶解搅拌均匀后，在搅拌条件下滴加3 .5mL，25wt％的四丁基氢氧化铵溶液，然后超声30min备用。将10mL，30wt％的水性聚氨酯溶液在搅拌的条件下缓缓加入上述磷酸锆纳米片溶液中，加完后再搅拌至少1小时，得到纳微米级直径磷酸锆纳米片改性的水性聚氨酯涂料。

使用喷涂的方式在ABS(丙烯腈-丁二烯-苯乙烯嵌段共聚物)表面均匀涂覆上述纳微米级直径磷酸锆纳米片改性的水性聚氨酯涂料，在65℃烘箱中烘干成膜。

对比例7

与实施例4的区别在于，将磷酸锆纳米片替换为等量的蒙脱土，制备得到蒙脱土改性的水性聚氨酯涂料。

采用与实施例4相同的方法，将上述蒙脱土改性的水性聚氨酯涂料烘干成膜。

对比例8

将20mL，30wt％的水性聚氨酯溶液在搅拌的条件下缓缓加入80ml水中，配制成水性聚氨酯涂料。采用与实施例4相同的方法，将其烘干成膜。

实施例5

与实施例1的区别在于，将聚乙烯醇替换为聚乙烯吡咯烷酮(数均分子量8000)，制备得到微米级直径磷酸锆纳米片改性的聚乙烯吡咯烷酮涂料。使用浸涂的方式将其涂覆在玻璃片表面，在65℃烘箱中烘干成膜。

对比例9

与实施例5的区别在于，将微米级直径磷酸锆纳米片替换为钛白粉，制备得到钛白粉改性的聚乙烯吡咯烷酮涂料。采用与实施例5相同的方法将其烘干成膜。

对比例10

将5g聚乙烯吡咯烷酮(数均分子量8000)在加热搅拌的条件下溶解于100mL水中，制成聚乙烯吡咯烷酮涂料。采用与实施例5相同的方法将其烘干成膜。

实施例6

与实施例1的区别在于，将聚乙烯醇替换为聚乙二醇(数均分子量10000)，制备得到微米级直径磷酸锆纳米片改性的聚乙二醇涂料。使用浸涂的方式将其涂覆在玻璃片表面，在65℃烘箱中烘干成膜。

对比例11

与实施例6的区别在于，将微米级直径磷酸锆纳米片替换为钛白粉，制备得到钛白粉改性的聚乙二醇涂料。采用与实施例6相同的方法将其烘干成膜。

对比例12

将5g聚乙二醇(数均分子量10000)在加热搅拌的条件下溶解于100mL水中，制成聚乙二醇涂料。采用与实施例6相同的方法将其烘干成膜。

实施例7

与实施例2的区别在于，将水性聚氨酯溶液替换为水性聚丙烯酸树脂溶液(20wt％)，制备得到纳米级直径磷酸锆纳米片改性的水性聚丙烯酸树脂涂料。使用喷涂的方式将其均匀涂覆在木板表面，在65℃烘箱中烘干成膜。

对比例13

与实施例7的区别在于，将纳米级直径磷酸锆纳米片替换为蒙脱土，制备得到蒙脱土改性的水性聚丙烯酸树脂涂料。采用与实施例7相同的方法将其烘干成膜。

对比例14

将20mL，20wt％的水性聚丙烯酸树脂溶液在搅拌的条件下缓慢加入80ml水中，配制成水性聚丙烯酸树脂涂料。采用与实施例7相同的方法将其烘干成膜。

实施例8

与实施例2的区别在于，将水性聚氨酯溶液替换为水性环氧树脂溶液(20wt％)，制备得到纳米级直径磷酸锆纳米片改性的水性环氧树脂涂料。使用喷涂的方式将其均匀涂覆在木板表面，在65℃烘箱中烘干成膜。

对比例15

与实施例8的区别在于，将纳米级直径磷酸锆纳米片替换为蒙脱土，制备得到蒙脱土改性的水性环氧树脂涂料。采用与实施例8相同的方法将其烘干成膜。

对比例16

将20mL，20wt％的水性环氧树脂溶液在搅拌的条件下缓慢加入80ml水中，配制成水性环氧树脂涂料。采用与实施例8相同的方法将其烘干成膜。

实施例9

与实施例7的区别在于，将纳米级直径磷酸锆纳米片替换为微米级直径磷酸锆纳米片，制备得到微米级直径磷酸锆纳米片改性的水性聚丙烯酸树脂涂料。使用喷涂的方式将其均匀涂覆在木板表面，在65℃烘箱中烘干成膜。

对比例17

与实施例9的区别在于，将微米级直径磷酸锆纳米片替换为等量的蒙脱土，制备得到蒙脱土改性的水性聚丙烯酸树脂涂料。采用与实施例9相同的方法将其烘干成膜。

对比例18

将20mL，20wt％的水性聚丙烯酸树脂溶液在搅拌的条件下缓慢加入80ml水中，配制成水性聚丙烯酸树脂涂料。采用与实施例9相同的方法将其烘干成膜。

实施例10

与实施例4的区别在于，将水性聚氨酯溶液替换为水性聚丙烯酸树脂溶液(20wt％)，制备得到纳微米级直径磷酸锆纳米片改性的水性聚丙烯酸树脂涂料。使用喷涂的方式将其均匀涂覆在木板表面，在65℃烘箱中烘干成膜。

对比例19

与实施例10的区别在于，将纳微米级直径磷酸锆纳米片替换为等量的蒙脱土，制备得到蒙脱土改性的水性聚丙烯酸树脂涂料。采用与实施例10相同的方法将其烘干成膜。

对比例20

将20mL，20wt％的水性聚丙烯酸树脂溶液在搅拌的条件下缓慢加入80ml水中，配制成水性聚丙烯酸树脂涂料。采用与实施例10相同的方法将其烘干成膜。

实施例11

与实施例1的区别在于，微米级直径磷酸锆纳米片的质量为6g，制备得到微米级直径磷酸锆纳米片改性的聚乙烯醇涂料。采用与实施例1相同的方法将其烘干成膜。

对比例21

与实施例11的区别在于，将微米级直径磷酸锆纳米片替换为等量的钛白粉，制备得到钛白粉改性的聚乙烯醇涂料。采用与实施例1相同的方法将其烘干成膜。

对比例22

将3g聚乙烯醇(PVA，数均分子量67000)在加热搅拌的条件下溶解于100mL水中，制成聚乙烯醇涂料。采用与实施例1相同的方法将其烘干成膜。

实施例12

与实施例2的区别在于，纳米级直径磷酸锆纳米片的质量为6g，制备得到纳米级直径磷酸锆纳米片改性的水性聚氨酯涂料。采用与实施例2相同的方法将其烘干成膜。

对比例23

与实施例12的区别在于，将纳米级直径磷酸锆纳米片替换为等量的蒙脱土，制备得到蒙脱土改性的水性聚氨酯涂料。采用与实施例2相同的方法将其烘干成膜。

对比例24

将10mL，30wt％的水性聚氨酯溶液在搅拌的条件下缓慢加入90ml水中，配制成水性聚氨酯涂料。采用与实施例2相同的方法将其烘干成膜。

按照ISO19252的标准对上述1-9和对比例1-18提供的涂料固化形成的涂层进行刮擦学测试。用刮擦破坏起点所受垂直力以及刮擦破坏前平均摩擦系数表征涂层的耐刮擦性能，涂层的刮擦破坏起点所受垂直力越大，刮擦破坏前平均摩擦系数越低，则涂层的耐刮擦性能越好。测试结果如下表1所示

由表1的结果可知，相较于未改性的水性涂料和用钛白粉、蒙脱土改性的水性涂料，利用磷酸锆纳米片改性的水性涂料的固化涂层摩擦系数下降，刮擦破坏起点所受垂直力提高，具有更好的耐刮擦性能。而且，与单独使用微米级直径或纳米级直径磷酸锆纳米片改性的水性涂料相比，用微米级直径磷酸锆纳米片和纳米级直径磷酸锆纳米片共同改性的水性涂料的固化涂层的耐刮擦性能进一步提高。

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