一种高弹耐候水性聚脲面漆及其制备方法与流程

1.本发明涉及水性聚氨酯面漆制备技术领域，尤其涉及一种高弹耐候水性聚脲面漆及其制备方法。


背景技术：

2.喷涂聚脲弹性体技术由于其100％固含量、固化速度快、物理性能优异等特点在防腐、防水、耐磨等领域获得越来越广泛的应用，在国内最早用于京津城际铁路桥面防水工程，后被推广到京沪、石武高铁的桥面防水。但是，聚脲主要是由二苯基甲烷二异氰酸酯(mdi)衍生物和苯胺类扩链剂制备而成，分子链中含有大量的苯环和胺基，该结构在光照下易氧化成醌式结构，导致材料变色，更甚者导致涂层破坏、缩短使用寿命。因此为防止聚脲材料老化，延长使用寿命，必须在聚脲表面涂刷耐候性的面漆。
3.然而一方面目前市场上的聚脲面漆多为油性产品，voc含量高，含有大量的甲苯、二甲苯等有毒溶剂，污染环境，影响施工人员身体健康。另一方面，市场上的水性聚脲面漆较少，且很难做到兼具高弹性、高光泽、高耐候、高耐酸碱等性能。
4.例如：采用双组份丙烯酸聚氨酯为基体树脂制备的水性聚脲面漆，虽然耐性与耐老化性能较好，但断裂伸长率较差，长期使用过程中随着温差的变化，聚脲产生的形变较大，极易导致漆膜开裂或脱落；再比如：采用水性聚氨酯pud或pua为基体树脂制备的水性聚脲面漆，虽然断裂伸长率较大，韧性较好，但普遍耐性与耐老化性能较差，且多数pud与pua制备的漆膜光泽偏低、丰满度较差，达不到良好的装饰效果。因此常规水性聚脲面漆需羟基丙烯酸分散体混拼水性聚氨酯pud，但混拼后耐性差、耐老化性能差。


技术实现要素：

5.本发明目的在于提供一种高弹耐候水性聚脲面漆及其制备方法，通过异氰酸酯与纳米二氧化硅反应制得纳米二氧化硅改性水性异氰酸酯固化剂，同时搭配羟基丙烯酸分散体、颜填料、助剂、助溶剂等制得高弹性、高耐候、高耐磨、高耐酸碱、耐84、耐机油等的水性聚氨酯面漆，用于但不仅限于聚脲基材。为实现上述目的，本发明提供如下技术方案：
6.根据本公开的一个方面，提供一种高弹耐候水性聚脲面漆的制备方法，所述制备方法包括如下步骤：
7.步骤s1、水性聚脲面漆b组分的制备：将纳米粒子经真空干燥进行除水处理后，按照设定质量比与异氰酸酯固化剂混合均匀，经高速分散后加入适量混合溶剂，超声并升温至设定温度，加入设定质量分数的二月桂酸二丁基锡，恒温反应设定时间，制得纳米粒子改性水性异氰酸酯固化剂，即水性聚脲面漆b组分；
8.步骤s2、水性聚脲面漆a组分的制备：将羟基丙烯酸分散体、粉料浆、润湿剂、流平剂、助溶剂和增稠剂依次加入分散罐中，搅拌均匀得到水性聚脲面漆a组分；
9.步骤s3、水性聚脲面漆的制备：将a组分和b组分按比例混合均匀，加入适量的去离子水开稀，即得到水性聚脲面漆。
10.在一种可能的实施方式中，所述步骤s1中的纳米粒子为纳米二氧化硅或纳米二氧化钛；所述异氰酸酯固化剂为hdi(六亚甲基二异氰酸酯)、tdi(甲苯二异氰酸酯)或ipdi(异佛尔酮二异氰酸酯)中的一种。
11.在一种可能的实施方式中，所述步骤s1中的真空干燥条件包括：
12.温度≥100℃，时间为10～12h。
13.在一种可能的实施方式中，所述步骤s1中的设定质量比为0.5:1～1:1；设定温度为80～100℃；设定质量分数为0.5％～0.8％；设定时间为4～5h。
14.在一种可能的实施方式中，所述步骤s1中的混合溶剂为甲苯和n，n-二甲基甲酰胺，其体积比为1：1。
15.在一种可能的实施方式中，所述步骤s2中粉料浆的制备方法包括如下步骤：
16.将去离子水、分散剂、消泡剂、防沉剂、颜料和填料依次加入研磨罐中搅拌均匀，加入适量锆珠，提升转速至2500～3000r/min，研磨至细度小于等于20μm，得到粉料浆。
17.在一种可能的实施方式中，以质量百分计，所述粉料浆的成分及含量包括：
18.所述去离子水用量为36％～39％；
19.所述分散剂为byk190、迪高755w和byk2012中的一种或几种，用量为2％～3％；
20.所述消泡剂为迪高810、byk901w和efka2526中的一种或几种，用量为0.2％～0.4％；
21.所述防沉剂为海明斯lt、海明斯dyce和byk-rds中的一种或几种，用量为0.2％～0.4％；
22.所述颜料为钛白粉，杜邦902、杜邦706和龙蟒996中的一种或几种，用量为37％～39％；
23.所述填料为沉淀硫酸钡，用量为19％～22％。
24.在一种可能的实施方式中，以质量百分计，所述水性聚脲面漆a组分的成分及含量包括：
25.羟基丙烯酸分散体为万华2043、万华2036和花果山5032中的一种或几种，用量为55％～65％；
26.粉料浆用量为35％～45％；
27.润湿剂为迪高4100、byk348和byk349中的一种或几种，用量为0.1％～0.3％
28.流平剂为byk342、byk3760、byk349和巴斯夫3455中的一种或几种，用量为0.3％～0.6％
29.助溶剂为二丙二醇甲醚(dpm)、n-甲基吡咯烷酮(nmp)和二乙二醇丁醚(degb)中的一种或几种，用量为3％～8％；
30.增稠剂为海明斯的299、byk7420和byk7625中的一种或几种，用量为0.3％～0.6％。
31.在一种可能的实施方式中，所述a组分和b组分的质量比为a：b＝3：1～7：1。
32.根据本公开的一个方面，提供一种高弹耐候水性聚脲面漆，采用上述方法制备而成，所述高弹耐候水性聚脲面漆的性能包括：
33.耐紫外老化≥3000h；断裂伸长率≥200％；耐10％氢氧化钠≥30天；耐10％硫酸≥30天、耐84消毒液≥30天；耐机油≥30天；耐水性(40℃)≥180天；耐机油≥180d；耐磨性≤
10mg；弯曲性能(φ10mm)：≤-50℃弯曲无异常。
34.本发明的技术效果和优点：
35.第一，较常规聚脲面漆制备方法(羟基丙烯酸分散体混拼水性聚氨酯pud)而言，本发明的方法无需复配，即可满足聚脲面漆所要求的高弹性、高耐性、高耐老化性能等，大大解决了其耐性差、耐老化差的难题。
36.第二，本发明通过制备纳米二氧化硅改性水性异氰酸酯固化剂，有效的将纳米二氧化硅接枝到分子链中，既增强了聚合物大分子与无机纳米粒子之间结合的稳固性，又提高了纳米粒子的分散效果，综合了有机、无机、纳米粒子三方面的特性，最终赋予漆膜高弹性、高耐化性、高耐磨性的综合性能。
37.第三，本发明制备的水性聚脲面漆可达到耐紫外老化≥3000h；断裂伸长率≥200％；耐10％氢氧化钠≥30天；耐10％硫酸≥30天、耐84消毒液≥30天；耐机油≥30天；耐水性(40℃)≥180天；耐机油≥180d；耐磨性≤10mg；弯曲性能(φ10mm)：≤-50℃弯曲无异常。
38.本发明的其它特征和优点将在随后的说明书中阐述，并且，部分地从说明书中变得显而易见，或者通过实施本发明而了解。本发明的目的和其他优点可通过在说明书、权利要求书以及附图中所指出的结构来实现和获得。
附图说明
39.图1为本发明的一种高弹耐候水性聚脲面漆的制备方法流程示意图。
具体实施方式
40.下面将结合本发明实施例中的附图，对本发明实施例中的技术方案进行清楚、完整地描述，显然，所描述的实施例仅仅是本发明一部分实施例，而不是全部的实施例。基于本发明中的实施例，本领域普通技术人员在没有做出创造性劳动前提下所获得的所有其他实施例，都属于本发明保护的范围。
41.本发明的设计构思为：(1)提供一种纳米粒子改性水性异氰酸酯固化剂的合成方法，具体为：将纳米粒子除水后与异氰酸酯固化剂进行高速机械分散，以甲苯/n，n-二甲基甲酰胺混合液为溶剂，以dbtdl(二月桂酸二丁基锡)为催化剂，80℃反应4-5h制得纳米粒子改性水性异氰酸酯固化剂。(2)提供一种高弹耐候水性聚脲面漆的制备方法，具体为：将纳米粒子改性水性异氰酸酯固化剂搭配羟基丙烯酸分散体，同时辅助一定的颜填料、助剂、助溶剂等制得高弹耐候面漆，该面漆涂层可达到耐紫外老化3000h、断裂伸长率200％、耐10％氢氧化钠≥30天、耐10％硫酸≥30天、耐84消毒液≥30天、耐机油≥30天、耐水≥180天、耐磨性≤10mg。
42.本发明的原理在于：通过异氰酸酯固化剂与纳米粒子表面的羟基等活性官能团反应，使得纳米粒子更易分散在高分子链的空隙中，并与聚氨酯产生键合作用力使材料的强度、韧性和延展性等得以提升，量子尺寸和宏观量子隧道效应的淤渗作用，使其深入到聚氨酯分子链的不饱和键附近发生作用，从而有效提高涂层的弹性、耐候性、耐化性、耐磨性等。
43.图1为本发明的一种高弹耐候水性聚脲面漆的制备方法流程示意图，如图1所示，本发明提供了一种高弹耐候水性聚脲面漆的制备方法，所述制备方法包括如下步骤：
44.步骤s1、水性聚脲面漆b组分的制备：将纳米粒子经真空干燥进行除水处理后，按照设定质量比与异氰酸酯固化剂混合均匀，经高速分散后加入适量混合溶剂，超声并升温至设定温度，加入设定质量分数的二月桂酸二丁基锡，恒温反应设定时间，制得纳米粒子改性水性异氰酸酯固化剂，即水性聚脲面漆b组分；
45.步骤s2、水性聚脲面漆a组分的制备：将羟基丙烯酸分散体、粉料浆、润湿剂、流平剂、助溶剂和增稠剂依次加入分散罐中，搅拌均匀得到水性聚脲面漆a组分；
46.步骤s3、水性聚脲面漆的制备：将a组分和b组分按比例混合均匀，加入适量的去离子水开稀，即得到水性聚脲面漆。
47.在本发明的步骤s1中，具体为：将纳米粒子经大于等于100℃真空干燥10-12h，进行除水处理，将处理后的纳米粒子与异氰酸酯固化剂按照质量比0.5:1～1:1混合均匀，经2500～3000r/min(优选为3000r/min)高速分散20～30min后转移至四口烧瓶中，加入适量的甲苯/n,n-二甲基甲酰胺(1:1)混合液，超声20～30min，升温至80～100℃(优选为80℃)，加入质量分数0.5％～0.8％(优选为0.5％)的二月桂酸二丁基锡，恒温反应4～5h，制得纳米二氧化硅改性水性异氰酸酯固化剂，即水性聚脲面漆b组分。
48.所述步骤s1中的纳米粒子为纳米二氧化硅或纳米二氧化钛，优选为纳米二氧化硅；所述异氰酸酯固化剂为hdi(六亚甲基二异氰酸酯)、tdi(甲苯二异氰酸酯)或ipdi(异佛尔酮二异氰酸酯)中的一种，优选为hdi(六亚甲基二异氰酸酯)。
49.在本发明的步骤s2中，包括步骤s21和s22，具体为：
50.步骤s21、制备粉料浆：将去离子水、分散剂、消泡剂、防沉剂、颜料和填料依次加入研磨罐中搅拌均匀，加入适量锆珠，提升转速至2500～3000r/min(优选为3000r/min)，研磨至细度小于等于20μm，得到粉料浆；其中，
51.去离子水用量为36％～39％；
52.分散剂为byk190、迪高755w和byk2012中的一种或几种，用量为2％～3％；
53.消泡剂为迪高810、byk901w和efka2526中的一种或几种，用量为0.2％～0.4％；防沉剂为海明斯lt、海明斯dyce和byk-rds中的一种或几种，用量为0.2％～0.4％；颜料为钛白粉，杜邦902、杜邦706和龙蟒996中的一种或几种，用量为37％～39％；填料为沉淀硫酸钡，用量为19％～22％。
54.步骤s22、制备水性聚脲面漆a组分：将羟基丙烯酸分散体、粉料浆、润湿剂、流平剂、助溶剂、增稠剂等依次加入分散罐中，搅拌均匀得到水性聚脲面漆a组分；其中，羟基丙烯酸分散体为万华2043、万华2036和花果山5032中的一种或几种，用量为55％～65％；
55.粉料浆为上述制备的粉料浆，用量为35％～45％；
56.润湿剂为迪高4100、byk348和byk349中的一种或几种，用量为0.1％～0.3％；
57.流平剂为byk342、byk3760、byk349和巴斯夫3455中的一种或几种，用量为0.3％～0.6％；
58.助溶剂为二丙二醇甲醚(dpm)、n-甲基吡咯烷酮(nmp)和二乙二醇丁醚(degb)中的一种或几种，用量为3％～8％；
59.增稠剂为海明斯的299、byk7420和byk7625中的一种或几种，用量为0.3％～0.6％。
60.在本发明的步骤s3中，具体为：将上述制得的a组分与b组分按照a：b＝3:1～7:1混
合均匀，加入适量的去离子水开稀，即得到水性聚脲面漆。
61.后续采用喷涂、刷涂或辊涂的方式涂覆在聚脲、碳钢、马口铁基材上，干燥完全后测试其性能。
62.实施例1：
63.步骤s1、水性聚脲面漆b组分的制备：将纳米二氧化硅经100℃真空干燥12h，进行除水处理，将处理后的纳米二氧化硅与hdi三聚体按照质量比0.5:1混合均匀，经3000r/min高速分散25min后转移至四口烧瓶中，加入适量的甲苯/n,n-二甲基甲酰胺(1:1)混合液，超声30min，升温至80℃，加入质量分数0.5％的二月桂酸二丁基锡，恒温反应5h，制得纳米二氧化硅改性水性异氰酸酯固化剂b。
64.步骤s2、水性聚脲面漆a组分的制备：
65.步骤s21、粉料浆的制备：在研磨罐中依次加入37％去离子水、2％分散剂byk-2022、0.3％消泡剂efka2526，1500转/min下搅拌均匀，搅拌状态下加入0.3％防沉剂海明斯dyce，搅拌15min，后逐步缓慢加入38％杜邦钛白粉r902和20％沉淀硫酸钡，加入适量锆珠，通冷却水的情况下，提升转速至3000转/min，研磨至粉料浆细度≤20μm，过滤除掉锆珠，得到粉料浆。
66.步骤s22、水性聚脲面漆a组分的制备：取55％的羟基丙烯酸分散体2043于分散罐中，调整转速至800转/min，依次缓慢加入39％上述研磨粉料浆、0.2％润湿剂迪高4100、0.4％流平剂byk349、2％dpm、3％degb，搅拌10～15min，加入0.4％的海明斯299调至合适粘度，最终搅拌30min得到水性聚脲面漆a组分。
67.步骤s3、水性聚脲面漆的制备：将上述得到的a组分与b组分，按质量比5:1混合搅拌均匀，加入适量去离子水，调整粘度至25～30s(涂-4杯)，喷涂在事先准备好的聚脲基材上，自然养护7d后测试其性能。
68.实施例2：
69.将处理后的纳米二氧化硅与hdi三聚体按照质量比0.8:1混合均匀；
70.除此之外，其余步骤与实施例1中均相同。
71.实施例3：
72.将处理后的纳米二氧化硅与hdi三聚体按照质量比1:1混合均匀；
73.除此之外，其余步骤与实施例1中均相同。
74.对比例1：
75.在步骤s1、水性聚脲面漆b组分的制备中：将纳米二氧化硅经100℃真空干燥12h，进行除水处理，将处理后的纳米二氧化硅与hdi三聚体按照质量比0.5:1混合均匀，经3000r/min高速分散25min后转移至四口烧瓶中，加入适量的甲苯/n,n-二甲基甲酰胺(1:1)混合液，超声30min，无升温反应过程，且不加入催化剂二月桂酸二丁基锡，两种材料的纯物理混合后，恒温反应5h，制得纳米二氧化硅改性水性异氰酸酯固化剂b；
76.除此之外，其余步骤与实施例1中均相同。
77.对比例2：
78.在步骤s2、水性聚脲面漆a组分的制备中，将水性聚脲面漆a组分中的羟基丙烯酸分散体采用pud乳液万华6136替换；
79.除此之外，其余步骤与实施例1中均相同。
80.对比例3：
81.在步骤s2、水性聚脲面漆a组分的制备中，将水性聚脲面漆a组分中的羟基丙烯酸分散体采用万华2043搭配pud乳液万华6136，即2043：6136＝1：1；
82.除此之外，其余步骤与实施例1中均相同。
83.表1各实施例与对比例的性能测试
[0084][0085][0086]
表1为各实施例与对比例的性能测试结果，如表1所示，本发明制备的水性聚脲面漆可达到耐紫外老化≥3000h；断裂伸长率≥200％；耐10％氢氧化钠≥30天；耐10％硫酸≥30天、耐84消毒液≥30天；耐机油≥30天；耐水性(40℃)≥180天；耐机油≥180d；耐磨性≤10mg；弯曲性能(φ10mm)：≤-50℃弯曲无异常。将本发明制备的水性聚脲面漆涂覆在聚脲上后，反复弯曲对折≥1000次无异常，且在≤-50℃低温条件下(φ10mm)弯曲无异常，说明采用本发明的方法制备的耐候水性聚脲面漆具有高弹性。
[0087]
最后应说明的是：以上所述仅为本发明的优选实施例而已，并不用于限制本发明，尽管参照前述实施例对本发明进行了详细的说明，对于本领域的技术人员来说，其依然可以对前述各实施例所记载的技术方案进行修改，或者对其中部分技术特征进行等同替换，凡在本发明的精神和原则之内，所作的任何修改、等同替换、改进等，均应包含在本发明的保护范围之内。

技术特征：
1.一种高弹耐候水性聚脲面漆的制备方法，其特征在于，所述制备方法包括如下步骤：步骤s1、水性聚脲面漆b组分的制备：将纳米粒子经真空干燥进行除水处理后，按照设定质量比与异氰酸酯固化剂混合均匀，经高速分散后加入适量混合溶剂，超声并升温至设定温度，加入设定质量分数的二月桂酸二丁基锡，恒温反应设定时间，制得纳米粒子改性水性异氰酸酯固化剂，即水性聚脲面漆b组分；步骤s2、水性聚脲面漆a组分的制备：将羟基丙烯酸分散体、粉料浆、润湿剂、流平剂、助溶剂和增稠剂依次加入分散罐中，搅拌均匀得到水性聚脲面漆a组分；步骤s3、水性聚脲面漆的制备：将a组分和b组分按比例混合均匀，加入适量的去离子水开稀，即得到水性聚脲面漆。2.根据权利要求1所述的一种高弹耐候水性聚脲面漆的制备方法，其特征在于，所述步骤s1中的纳米粒子为纳米二氧化硅或纳米二氧化钛；所述异氰酸酯固化剂为hdi(六亚甲基二异氰酸酯)、tdi(甲苯二异氰酸酯)或ipdi(异佛尔酮二异氰酸酯)中的一种。3.根据权利要求1或2所述的一种高弹耐候水性聚脲面漆的制备方法，其特征在于，所述步骤s1中的真空干燥条件包括：温度≥100℃，时间为10～12h。4.根据权利要求2所述的一种高弹耐候水性聚脲面漆的制备方法，其特征在于，所述步骤s1中的设定质量比为0.5:1～1:1；设定温度为80～100℃；设定质量分数为0.5％～0.8％；设定时间为4～5h。5.根据权利要求1所述的一种高弹耐候水性聚脲面漆的制备方法，其特征在于，所述步骤s1中的混合溶剂为甲苯和n，n-二甲基甲酰胺，其体积比为1：1。6.根据权利要求1所述的一种高弹耐候水性聚脲面漆的制备方法，其特征在于，所述步骤s2中粉料浆的制备方法包括如下步骤：将去离子水、分散剂、消泡剂、防沉剂、颜料和填料依次加入研磨罐中搅拌均匀，加入适量锆珠，提升转速至2500～3000r/min，研磨至细度小于等于20μm，得到粉料浆。7.根据权利要求6所述的一种高弹耐候水性聚脲面漆的制备方法，其特征在于，以质量百分计，所述粉料浆的成分及含量包括：所述去离子水用量为36％～39％；所述分散剂为byk190、迪高755w和byk2012中的一种或几种，用量为2％～3％；所述消泡剂为迪高810、byk901w和efka2526中的一种或几种，用量为0.2％～0.4％；所述防沉剂为海明斯lt、海明斯dyce和byk-rds中的一种或几种，用量为0.2％～0.4％；所述颜料为钛白粉，杜邦902、杜邦706和龙蟒996中的一种或几种，用量为37％～39％；所述填料为沉淀硫酸钡，用量为19％～22％。8.根据权利要求7所述的一种高弹耐候水性聚脲面漆的制备方法，其特征在于，以质量百分计，所述水性聚脲面漆a组分的成分及含量包括：羟基丙烯酸分散体为万华2043、万华2036和花果山5032中的一种或几种，用量为55％～65％；粉料浆用量为35％～45％；润湿剂为迪高4100、byk348和byk349中的一种或几种，用量为0.1％～0.3％
流平剂为byk342、byk3760、byk349和巴斯夫3455中的一种或几种，用量为0.3％～0.6％助溶剂为二丙二醇甲醚(dpm)、n-甲基吡咯烷酮(nmp)和二乙二醇丁醚(degb)中的一种或几种，用量为3％～8％；增稠剂为海明斯的299、byk7420和byk7625中的一种或几种，用量为0.3％～0.6％。9.根据权利要求1所述的一种高弹耐候水性聚脲面漆的制备方法，其特征在于，所述a组分和b组分的质量比为a：b＝3：1～7：1。10.一种高弹耐候水性聚脲面漆，采用如权利要求1-9任意一项所述的方法制备而成，其特征在于，所述高弹耐候水性聚脲面漆的性能包括：耐紫外老化≥3000h；断裂伸长率≥200％；耐10％氢氧化钠≥30天；耐10％硫酸≥30天、耐84消毒液≥30天；耐机油≥30天；耐水性(40℃)≥180天；耐机油≥180d；耐磨性≤10mg；弯曲性能(φ10mm)：≤-50℃弯曲无异常。

技术总结
本发明公开了一种高弹耐候水性聚脲面漆及其制备方法，涉及水性聚氨酯面漆技术领域，包括：S1、将纳米粒子经真空干燥进行除水处理后，按照设定质量比与异氰酸酯固化剂混合均匀，经高速分散后加入适量混合溶剂，超声并升温至设定温度，加入设定质量分数的二月桂酸二丁基锡，恒温反应设定时间，制得水性聚脲面漆B组分；S2、将羟基丙烯酸分散体、粉料浆、润湿剂、流平剂、助溶剂和增稠剂依次加入分散罐中，搅拌均匀得到水性聚脲面漆A组分；S3、将A组分和B组分按比例混合均匀，加入适量的去离子水开稀，即得到水性聚脲面漆。采用该方法制备的水性聚氨酯面漆具有高弹性、高耐候、高耐磨、高耐酸碱、耐84、耐机油等性能，用于但不仅限于聚脲基材。基材。基材。


技术研发人员：王宝柱 杨昆明 周莲洁 郑同同 纪双明 张晶雪 钟婷婷
受保护的技术使用者：青岛爱尔家佳新材料股份有限公司
技术研发日：2023.02.03
技术公布日：2023/7/20