高固含量水性紫外光固化透明隔熱涂料及其制備方法
技術領域
本發明涉及一種隔熱涂料及其制備方法，尤其涉及一種高固含量水性紫外光固化透明隔熱涂料及其制備方法。
背景技術
納米透明隔熱涂料是一種近十幾年發展起來的功能性涂料，因具有高的可見光透過率和良好的節能隔熱效果，可應用于建筑物幕墻玻璃和汽車窗玻璃等場合，受到關注越來越多。銻摻雜二氧化錫，也叫氧化錫銻(ATO)，是一種新型多功能納米材料，由于獨特的氣敏性和光電性能，在催化劑、氣敏組件、防輻射抗靜電涂層和紅外吸收阻隔材料等領域得到廣泛應用。
水性UV涂料繼承和發展了傳統UV涂料和水性涂料的特點，具有安全環保、節能高效、黏度可調、可薄涂層涂布，固化膜收縮率低和施工方便等優點，已成為涂料發展的一個主要方向。但相對于油性涂料，水性UV涂料存在力學性能、耐水性、耐候性差等缺點，而通過添加無機納米材料形成有機/無機雜化體系，可提高涂膜的機械性能和耐候性等。把納米ATO與水性UV固化涂料有效復合，形成一種可UV固化的水性納米透明隔熱涂料，不僅可提高水性UV涂料的基本性能(如附著力、硬度和耐蝕性)，而且具有良好的隔熱功能。此功能涂料結合了紫外光固化技術、水性涂料和納米透明隔熱涂料三者的優勢，并且固化速率快，可自動化流水線涂裝，生產效率高，因此具有廣闊的應用前景。
發明內容
本發明所要解決的技術問題是為了油性涂料毒性較大、易燃、使用安全性差、污染環境等問題及水性UV涂料固含量低、干燥速度慢、粘度高、力學性能差、耐候性差、耐水性差、流平性差、耐黃變性差等問題，而提出一種高固含量水性紫外光固化透明隔熱涂料，本發明的另一目的還提供了上述高固含量水性紫外光固化透明隔熱涂料的制備方法。
本發明的具體技術方案為：一種高固含量水性紫外光固化透明隔熱涂料，其特征在于在于其原料組分及各組分的質量份分別為：高固含量水性聚氨酯分散體100質量份、水溶性光引發劑0.2-0.5質量份、納米功能元1-5質量份、流平劑0.05-0.2質量份、消泡劑0.1-0.2質量份；高固含量水性聚氨酯分散體主要性能指標為：質量固含量為48-52％，粘度為20-100mPa.s。
優選上述的水溶性光引發劑為2-羥基-4'-(2-羥乙氧基)-2-甲基苯丙酮(光引發劑2959)；所述的納米功能元為溶膠-凝膠法改性納米氧化錫銻(ATO)水性漿料，ATO質量含量為15％；所述的流平劑為聚有機硅氧烷、聚醚改性的聚有機硅氧烷或含氟表面活性劑；所述的消泡劑為水性有機硅消泡劑。
本發明還提供了上述高固含量水性紫外光固化透明隔熱涂料的制備方法，其具體步驟如下：
(1)、高固含量水性聚氨酯分散體的制備；
在容器中首先加入聚酯多元醇，100-110℃下抽真空脫水1-2h，降至室溫加入脂肪族或脂環族二異氰酸酯，在70-80℃下反應1-2h，然后加入含有親水基團的化合物、低分子多元醇擴鏈劑，以上原料按官能團物質的量之比-NCO/-OH＝1.6-2.0，且在占預聚物質量0.05-0.3％催化劑存在下進行反應，反應溫度70-80℃，反應時間2-4h，加入過量-NCO物質的量的30-50％含羥基多功能團丙烯酸酯單體，繼續反應1-2h，制得羧基質量含量為0.7-2.0％的聚氨酯預聚物；
將上述制得的聚氨酯預聚物降至室溫，加入三乙胺將其中的羧酸根中和成鹽，中和度80-110％；
預聚物出料至分散器中，在攪拌下加入去離子水進行分散，加入過量-NCO物質的量的50-70％的低分子脂肪胺類擴鏈劑反應10-30分鐘，即制得高固含量水性聚氨酯分散體；
(2)、將上述制得的高固含量水性聚氨酯分散體100質量份，加入0.2-0.5質量份水溶性光引發劑、1-5質量份納米功能元、0.05-0.2質量份流平劑和0.1-0.2質量份消泡劑，攪拌，使各種助劑混合均勻，即制得高固含量水性紫外光固化透明隔熱涂料。
優選上述的脂肪族或脂環族二異氰酸酯為六亞甲基二異氰酸酯、異氟爾酮二異氰酸酯、苯二亞甲基二異氰酸酯或4,4'-二環己基甲烷二異氰酸酯中一種或幾種的混合。
優選上述的含有親水基團的化合物為二羥甲基丙酸或二羥甲基丁酸。
優選上述的低分子多元醇擴鏈劑為乙二醇、二甘醇或1，4-丁二醇。
優選上述的低分子脂肪胺類擴鏈劑為乙二胺、二亞乙基三胺、三亞乙基四胺或四亞乙基五胺。
優選上述的催化劑為二月桂酸二丁基錫或辛酸亞錫。
優選上述的含羥基多功能團丙烯酸酯單體為季戊四醇三丙烯酸酯、季戊四醇三甲基丙烯酸酯、二季戊四醇五丙烯酸酯或二季戊四醇五甲基丙烯酸酯。
上述所制備的高固含量水性聚氨酯分散體其主要性能指標為：質量固含量為48-52％，粘度為20-100mPa.s(按國標測)。本發明還需加入水溶性光引發劑，使得透明隔熱涂料在水分揮發后在紫外光作用下實現固化；本發明加入流平劑主要作用是降低高固含量水性紫外光固化透明隔熱涂料的表面張力，使其在基材上有好的流平性。
有益效果：
1、與目前市場上使用的溶劑型隔熱涂料相比，本發明的高固含量水性紫外光固化透明隔熱涂料具有耐黃變、無毒、不燃、使用安全、不污染環境等優點。
2、與目前市場上使用的水性隔熱涂料相比，本發明的高固含量水性紫外光固化透明隔熱涂料具有高固含量、低粘度、好的耐水性、流平性、耐黃變性等優點。
3、本發明綜合考慮了高固含量水性紫外光固化透明隔熱涂料用于玻璃基材的要求，通過擴鏈、溶膠-凝膠法改性納米氧化錫銻ATO和加入流平劑、水性消泡劑，改善了ATO的分散性與穩定性；多功能團丙烯酸酯單體的引入提高了固化后涂料涂膜的硬度、附著力、耐水、耐候性，使得高固含量水性紫外光固化透明隔熱涂料能滿足不同條件下的使用要求。
具體實施方式
下面就本發明舉例說明，但不是對本發明的限制。
實施例1
在裝有攪拌器、溫度計、回流冷凝器的反應器中，加入聚酯多元醇40g，100℃下抽真空脫水1h，降溫至室溫加入異氟爾酮二異氰酸酯10g，六亞甲基二異氰酸酯6.4g，升溫至70℃，反應1h，加入二羥甲基丁酸1.6g，乙二醇1.3g，二月桂酸二丁基錫0.03g，在攪拌下繼續反應4h，加入18.6g季戊四醇三丙烯酸酯，繼續反應1h，得到預聚體，然后降溫至室溫，加入0.75g三乙胺使預聚體中和成鹽；出料至分散器中，在高速剪切下加入去離子水86g，加入0.74g乙二胺擴鏈反應30分鐘，出料，得到高固含量水性聚氨酯分散體，主要性能指標為：固含量為48％，粘度為21mPa.s。
在裝有超聲分散裝置的分散器中，加入100g由上述所制備的高固含量水性聚氨酯分散體、0.2g光引發劑2959、1g ATO漿料、0.05g含氟表面活性劑、0.1g水性有機硅消泡劑，CA-2011)，超聲分散均勻后得到高固含量水性紫外光固化透明隔熱涂料。
實施例2
在裝有攪拌器、溫度計、回流冷凝器的反應器中，加入聚酯多元醇40g，105℃下抽真空脫水1.5h，降溫至室溫加入苯二亞甲基二異氰酸酯14.2g，升溫至75℃，反應1.5h，加入二羥甲基丙酸2.3g，二甘醇0.5g，辛酸亞錫0.1g，在攪拌下繼續反應3h，加入9.2季戊四醇三甲基丙烯酸酯，繼續反應2h，得到預聚體，然后降溫至室溫，加入1.7g三乙胺使預聚體中和成鹽；出料至分散器中，在高速剪切下加入去離子水70g，加入1.7g二亞乙基三胺擴鏈反應20分鐘，得到高固含量水性聚氨酯分散體，主要性能指標為：固含量為50％，粘度為43mPa.s。
在裝有超聲分散裝置的分散器中，加入100g由上述所制備的高固含量水性聚氨酯分散體、0.5g光引發劑2959、3g ATO漿料、0.12g聚有機硅氧烷表面活性劑、0.13g水性有機硅消泡劑(，超聲分散均勻后得到高固含量水性紫外光固化透明隔熱涂料。
實施例3
在裝有攪拌器、溫度計、回流冷凝器的反應器中，加入聚酯多元醇40g，110℃下抽真空脫水2h，降溫至室溫加入4,4'-二環己基甲烷二異氰酸酯27.4g，升溫至80℃，反應1h，加入二羥甲基丙酸3g，1，4-丁二醇0.9g，二月桂酸二丁基錫0.19g，在攪拌下繼續反應2h，加入15.6g季戊四醇三丙烯酸酯，繼續反應2h，得到預聚體，然后降溫至室溫，加入2.4g三乙胺使預聚體中和成鹽；出料至分散器中，在高速剪切下加入去離子水87g，加入4.9g四亞乙基五胺擴鏈反應10分鐘，得到高固含量水性聚氨酯分散體，主要性能指標為：固含量為52％，粘度為98mPa.s。
在裝有超聲分散裝置的分散器中，加入100g由上述所制備的高固含量水性聚氨酯分散體、0.5g光引發劑2959、5g ATO漿料、0.2g聚醚改性的聚有機硅氧烷表面活性劑、0.2g水性有機硅消泡劑，超聲分散均勻后得到高固含量水性紫外光固化透明隔熱涂料。
對比例1
在裝有攪拌器、溫度計、回流冷凝器的反應器中，加入聚酯多元醇40g，100℃下抽真空脫水1h，降溫至室溫加入異氟爾酮二異氰酸酯10g，六亞甲基二異氰酸酯6.4g，升溫至70℃，反應1h，加入二羥甲基丁酸1.6g，乙二醇1.3g，二月桂酸二丁基錫0.03g，在攪拌下繼續反應4h，加入15g丙酮稀釋，得到預聚體，然后降溫至室溫，加入0.75g三乙胺使預聚體中和成鹽；出料至分散器中，在高速剪切下加入去離子水101g，加入1.85g乙二胺擴鏈反應30分鐘，出料，得到高固含量水性聚氨酯分散體，主要性能指標為：固含量為38％，粘度為128mPa.s。
在裝有超聲分散裝置的分散器中，加入100g由上述所制備的高固含量水性聚氨酯分散體、1g ATO漿料、0.05g含氟表面活性劑、0.1g水性有機硅消泡劑，超聲分散均勻后得到透明隔熱涂料。
性能測試：將涂料在50℃烘箱中烘干，實施例1-3涂料在紫外光下50s完成固化，進行性能測試，得到結果如下：
注：可見光波長為400nm-800nm，紫外線波長為200nm-400nm，紅外線波長為800nm-2000nm。
涂料經過光固化后，實施例1-3隔熱性能、耐老化性能及硬度相比對比例1提升效果明顯，是因為含羥基多功能團丙烯酸酯交聯結構加入使涂料的機械強度得到了加強，另外體系耐化學腐蝕能力、耐老化性能得到了改善；加入納米功能元使紫外線透過率、紅外線透過率得到了明顯改善，且隨著納米功能元量的增加，隔熱效果更好，但對于可見光透過率有一定程度的降低；本發明的可見光透過率大于80％，能滿足建筑物幕墻玻璃和汽車窗玻璃等場合的透光需要。
本發明所生產的高固含量水性紫外光固化透明隔熱涂料性能優異，體系的相容性良好，在紫外光照射下固化速度快，原料成本低廉，生產效率高，易于工業化，應用十分廣泛，整個工藝過程無有毒溶劑釋放，是一種無毒無污染的環境友好型涂料。
1.一種高固含量水性紫外光固化透明隔熱涂料，其特征在于在于其原料組分及各組分的質量份分別為：高固含量水性聚氨酯分散體100質量份、水溶性光引發劑0.2-0.5質量份、納米功能元1-5質量份、流平劑0.05-0.2質量份、消泡劑0.1-0.2質量份；高固含量水性聚氨酯分散體主要性能指標為：質量固含量為48-52％，粘度為20-100mPa.s。
2.根據權利要求1所述的高固含量水性紫外光固化透明隔熱涂料，其特征在于所述的水溶性光引發劑為2-羥基-4'-(2-羥乙氧基)-2-甲基苯丙酮；所述的納米功能元為溶膠-凝膠法改性納米氧化錫銻水性漿料，ATO質量含量為15％；所述的流平劑為聚有機硅氧烷、聚醚改性的聚有機硅氧烷或含氟表面活性劑；所述的消泡劑為水性有機硅消泡劑。
3.一種制備如權利要求1所述高固含量水性紫外光固化透明隔熱涂料的方法，其具體步驟如下：
(1)、高固含量水性聚氨酯分散體的制備；
在容器中首先加入聚酯多元醇，100-110℃下抽真空脫水1-2h，降溫加入脂肪族或脂環族二異氰酸酯，在70-80℃下反應1-2h，然后加入含有親水基團的化合物、低分子多元醇擴鏈劑，以上原料按官能團物質的量之比-NCO/-OH＝1.6-2.0，且在占預聚物質量0.05-0.3％催化劑存在下進行反應，反應溫度70-80℃，反應時間2-4h，加入過量-NCO物質的量的30-50％含羥基多功能團丙烯酸酯單體，繼續反應1-2h，制得羧基質量含量為0.7-2.0％的聚氨酯預聚物；
將上述制得的聚氨酯預聚物降溫，加入三乙胺將其中的羧酸根中和成鹽，中和度80-110％；
預聚物出料至分散器中，在攪拌下加入去離子水進行分散，加入過量-NCO物質的量的50-70％的低分子脂肪胺類擴鏈劑反應10-30分鐘，即制得高固含量水性聚氨酯分散體；
(2)、將上述制得的高固含量水性聚氨酯分散體100質量份，加入0.2-0.5質量份水溶性光引發劑、1-5質量份納米功能元、0.05-0.2質量份流平劑和0.1-0.2質量份消泡劑，攪拌，使各種助劑混合均勻，即制得高固含量水性紫外光固化透明隔熱涂料。
4.根據權利要求3所述的方法，其特征在于所述的脂肪族或脂環族二異氰酸酯為六亞甲基二異氰酸酯、異氟爾酮二異氰酸酯、苯二亞甲基二異氰酸酯或4,4'-二環己基甲烷二異氰酸酯中一種或幾種的混合。
5.根據權利要求3所述的方法，其特征在于所述的含有親水基團的化合物為二羥甲基丙酸或二羥甲基丁酸。
6.根據權利要求3所述的方法，其特征在于所述的低分子多元醇擴鏈劑為乙二醇、二甘醇或1，4-丁二醇。
7.根據權利要求3所述的方法，其特征在于所述的低分子脂肪胺類擴鏈劑為乙二胺、二亞乙基三胺、三亞乙基四胺或四亞乙基五胺。
8.根據權利要求3所述的方法，其特征在于所述的催化劑為二月桂酸二丁基錫或辛酸亞錫。
9.根據權利要求3所述的方法，其特征在于所述的含羥基多功能團丙烯酸酯單體為季戊四醇三丙烯酸酯、季戊四醇三甲基丙烯酸酯、二季戊四醇五丙烯酸酯或二季戊四醇五甲基丙烯酸酯。
