一种用于外幕墙的高性能水性涂料及其制备方法与流程

本发明属于涂料，具体涉及一种用于外幕墙的高性能水性涂料及其制备方法。

背景技术：

1、目前公共建筑、大型商业中心、高层楼宇等越来越多，为了达到美观的效果，建筑的外表面通常采用铝幕墙板来进行装饰。

2、铝幕墙板常用的装饰涂料有氟碳漆和陶瓷涂料。目前常用的较成熟的氟碳漆为溶剂型，由于其优异的耐候性、耐腐蚀性和柔韧性和而得到广泛的应用。但是溶剂型氟碳漆主要存在voc排放量大、涂膜硬度差、防火等级低以及喷涂工艺为二涂一烘或者三涂一烘，施工成本较高等问题；而水性氟碳漆多是以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，而且涂刷后会出现耐洗刷性差、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，目前市面上还没有可用于铝幕墙的成熟的水性氟碳涂料。

3、陶瓷涂料是一种新型环保的水性无机涂料，具有硬度高耐洗刷性好、防火性能可达到a级等优势，近十几年来开始逐渐在铝幕墙装饰领域进行推广应用。但是陶瓷涂料熟化后使用时间仅为48小时，在施工上存在着基材需要喷砂、预热喷涂等要求，由于涂料粘度低大面积施工时易出现流挂等现象，使用上存在诸多不便；而且陶瓷涂料由于硬度太高韧性差，只适用于平面板材，严重影响了陶瓷涂料在铝幕墙装饰领域的推广应用。市场上急需开发一款可应用在铝幕墙装饰领域的水性涂料，可以将氟碳漆的耐候性好、涂层柔韧的优点，与陶瓷涂料的安全环保、耐洗刷性好、防火性能可达到a级等优势相结合，以满足幕墙装饰领域对外观、硬度、环保、耐候及施工便捷的要求。

技术实现思路

1、本发明的目的是解决目前铝幕墙板装饰涂料存在的问题，以双组分水性丙烯酸聚氨酯涂料为基础，通过化学改性的方法，提供一种可用于外幕墙装饰行业的水性涂料，具有施工便捷、耐候性好、voc排放量低、a级防火以及兼顾硬度和柔韧性等优异性能。

2、本发明的目的是通过以下技术方案来实现的：

3、第一方面，本发明涉及一种用于外幕墙的高性能水性涂料，为双组分体系，配方如下：

4、a组分包括：硅烷预聚体40-60份，水性聚氨酯改性丙烯酸乳液20-30份，聚氨酯增稠剂0.5-0.7份，流平剂0.2-0.4份，分散剂1-3份，无机颜料10-15份，无机填料10-15份，去离子水10-20份；

5、b组分：脂肪族聚异氰酸酯水性交联剂；

6、a组分与b组分的质量比为1:1-1.4:1。

7、作为本发明的一个实施方案，所述硅烷预聚体，按100份计，包括如下组分：54-57份硅烷，21-23份去离子水，5-6份乙酸，余量的无水乙醇。

8、作为本发明的一个实施方案，所述硅烷采用质量比为(2-3)：1的甲基三甲氧基硅烷(mtms)和苯基三甲氧基硅烷(ptms)的混合物。三官能度的硅烷水解聚合能形成更为致密的分子结构，加入含苯基的硅烷，由于苯环属于刚性基团，所以可以提高涂层的硬度、耐盐雾性。比例过高，涂层硬度略低、耐盐雾性不好；比例过低，涂层柔韧性差。

9、此外，由于采用三官能度硅烷，所以理论上1mol硅烷水解需要3mol h2o参与，为了使硅烷可以充分水解，故去离子水与硅烷的摩尔比需≥3：1；去离子水量太少，硅烷水解聚合反应不充分，产物分子量小，涂层硬度低、耐磨性差。

10、作为本发明的一个实施方案，本发明的高性能水性涂料配方中不可加入硅溶胶，即不含硅溶胶。因为在本发明的体系中加入硅溶胶，使得涂层硬度太高，柔韧性差，只能作为平面基板的表面涂层，对于异形的板材在实际使用过程中少量的形变即可出现涂层的开裂。

11、本发明的体系中，乙酸用作硅烷水解聚合的ph值调节剂，硅烷水解聚合形成硅烷预聚体反应体系的ph控制在3.5-4.4之间。硅烷的水解聚合反应在酸性条件下可以生成无色透明的聚合物，乙酸的酸性较弱，加入量较多，少量的添加误差不会影响反应的ph环境。若使用酸性较强的甲酸、柠檬酸、草酸、苯磺酸或者无机酸，则添加量一般在1％以下，少量的添加误差会影响硅烷水解聚合反应的ph环境，虽然可以通过去离子水稀释的办法减少添加误差，但是会引入过多的去离子水，会降低成品涂料的固含量，导致涂层硬度低、耐磨性差。

12、进一步的，本发明的体系中加入少量无水乙醇溶剂，可以增加体系中各组分的相容性和稳定性。

13、作为本发明的一个实施方案，水性聚氨酯改性丙烯酸乳液作为涂料的主要成膜物质之一，结合了水性丙烯酸乳液透明性光泽度、耐候性及成本低的优势，和聚氨酯柔韧性、耐低温性及粘结强度优异的特点，可以赋予涂层优异的耐候性、耐水性、光泽和附着力。该水性聚氨酯改性丙烯酸乳液选用常规市售产品，例如：陶氏化学的prosperse 130。

14、本发明体系中，聚氨酯增稠剂用于调节涂料的粘度，使得常温下大面积喷涂施工不流挂。该聚氨酯增稠剂可选用常规市售产品，如：青岛佳业天成新材料科技有限公司sv-1030。

15、常用增稠剂主要有无机类、纤维素类、聚丙烯酸酯碱溶胀类、缔合型聚氨酯增稠剂四类。该配方中选用缔合型聚氨酯增稠剂，具有流平性好、涂层耐水性好、不影响涂层光泽度且ph适用范围广等优点。无机类增稠剂(如气相二氧化硅、有机膨润土)能明显降低涂膜表面光泽，影响涂层的外观装饰性；纤维素类增稠剂施工完成后，黏度迅速增加，造成流平性较差，且降低涂料漆膜的耐水性；聚丙烯酸酯碱溶胀类对涂料ph值敏感、会造成涂层耐水性不佳。

16、在本发明的体系中，流平剂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。该流平剂可选用市售水性涂料流平剂，例如：byk-333。

17、在本发明的体系中，分散剂起到减少颜填料分散的时间，稳定颜料分散体，提高颜料着色力和遮盖力等作用。可采用市售产品，例如：byk180、byk190、byk2010、byk2001等。

18、在本发明的体系中，无机颜料用于赋予涂料不同颜色。无机颜料结构稳定、耐候性好，紫外线照射不易变色。可选用普通无机颜料，例如：钛白粉、炭黑、氧化铁红、氧化铁黄、钴蓝等。

19、在本发明的体系中，无机填料起到降低涂料成本，增加涂料固含量等作用。可选用常用无机填料，例如：云母粉、硅微粉、高岭土、氧化铝粉等。

20、在本发明的体系中，脂肪族聚异氰酸酯水性交联剂是涂料固化剂。异氰酸基团(-nco)具有高反应活性，常温下可与水性树脂分子链上羟基、羧基、氨基等亲水基团反应形成交联结构，显著改善水性树脂漆膜的耐水、耐化学品、耐磨、附着力等性能。脂肪族异氰酸酯交联剂还具有优异的耐黄变性能，可减轻涂料在紫外线照射下的发黄变色的情况，若选用芳香族聚异氰酸酯水性交联剂漆膜出现泛黄、耐候性差等缺陷。脂肪族聚异氰酸酯水性交联剂可选用市售产品，如：晋江市科信化工有限公司的kx-9161，蚌埠阿迪亚新材料有限公司的y-6280。

21、本发明还涉及一种用于外幕墙的高性能水性涂料的制备方法，所述方法包括如下步骤：

22、s1、水性涂料制备：

23、s1-1、硅烷预聚体的制备：依次加入硅烷、无水乙醇、乙酸，混合均匀，再加入去离子水，熟化后待用；

24、s1-2、颜料浆的制备：将无机颜料、45-55％的去离子水、45-55％的分散剂混合均匀，研磨分散、过滤后出料，得颜料浆；

25、s1-3、填料浆得制备：将无机填料、剩余去离子水、剩余分散剂混合均匀，研磨分散、过滤后出料，得填料浆；

26、s1-4、a组分制备：将硅烷预聚体、水性聚氨酯改性丙烯酸乳液、填料浆、颜料浆、流平剂混合均匀，加入聚氨酯增稠剂，调整涂-4杯粘度至18-22s即得到a组分；

27、s2、成品涂料制备：将a组分加入脂肪族聚异氰酸酯水性交联剂混合，即得成品涂料。

28、作为本发明的一个实施方案，步骤s1-1中，所述熟化是在辊架上以120-180转/分的转速，熟化6-8小时。本发明加入的硅烷预聚体可以有效提高涂层硬度、、耐盐雾性等性能。本发明自制的硅烷预聚体为分子链表面有可反应羟基的聚合物，利用该羟基与脂肪族聚异氰酸酯发生交联反应而结合在一起，形成稳定的涂料体系。如采用加了封端剂的稳定的硅烷预聚体产品，由于分子链上没有可反应的基团，并不能有效提高涂层硬度、耐盐雾性等性能。

29、例如：安徽艾约塔硅油有限公司的iota616端氢基硅油，粘度指标为100mpa.s，分子量为6000，结构式如下：

30、

31、或者，安徽艾约塔硅油有限公司的iota-273乙烯基硅油，粘度指标为500mpa.s，分子量为17200，结构式如下：

32、

33、作为本发明的一个实施方案，步骤s1-2中，所述研磨分散、过滤是以1600-2000转/分下研磨分散45-60min，待细度20μm以下，200目过滤。

34、作为本发明的一个实施方案，步骤s1-3中，所述研磨分散、过滤是以1600-2000转/分下研磨分散45-60min，待细度20μm以下，200目过滤。

35、作为本发明的一个实施方案，步骤s1-4中，所述聚氨酯增稠剂是在搅拌下以60-80滴/分钟速度加入。聚氨酯增稠剂加入速度不能太快，否则会出现凝胶沉淀或硬化现象，造成涂料报废。

36、作为本发明的一个实施方案，步骤s2中，所述a组分是在300-500转/分搅拌速度下加入脂肪族聚异氰酸酯水性交联剂。若使用芳香族聚异氰酸酯交联剂，漆膜易出现泛黄、耐候性差等缺陷。

37、作为本发明的一个实施方案，步骤s2中，混合时间为10-20min。

38、上述水性涂料在制备时，颜料浆和填料浆需分别单独研磨，而不能将颜填料与成膜物质放在一起研磨成色浆，这是因为：首先硅烷预聚体是一种不稳定的涂料状态，硅烷的水解聚合反应仍在继续，如果加入颜填料一起研磨，在高速分散和研磨下会加速聚合反应，将会导致硅烷预聚体粘度过大而无法使用。其次如果将颜填料加入到聚氨酯改性丙烯酸乳液中一起研磨，将会导致乳液破乳而出现沉淀。

39、进一步的，颜料浆和填料浆分别单独研磨还可以方便成品涂料的调色，先根据色板取用相应的颜料浆和填料浆调配好颜色，然后再制成涂料后使用，生产效率高且不会产生色差。由于颜料研磨的细度不一样，则呈现的颜色会有稍许差异，单独研磨后调配颜色还可以很好的避免色差。

40、本发明还涉及一种用于外幕墙的高性能水性涂料的施工方法，所述方法包括如下步骤：基材经脱脂、酸洗、铬化处理后，采用一涂一烘方式进行施工。

41、在本发明的水性涂料体系中，脂肪族聚异氰酸酯水性交联剂含有的异氰酸基团(-nco)具有高反应活性，可以与硅烷预聚体分子链上的羟基，聚氨酯改性丙烯酸乳液分子链上的氨基发生交联反应而成膜。即硅烷预聚体通过化学键的形式与成膜物质相连，属于化学改性的方式，与物理共混的改性相比，涂料的稳定性好，不会出现分层、沉淀等不相溶的问题。

42、虽然上述交联反应可以在常温下进行，但是常温下至少需要7天才可以反应完全，而且常温固化交联密度也低，导致涂层的硬度低，耐盐雾及耐候性都不理想，故该水性涂料采用加热固化的方式，80-120℃下固化30-40min，成膜后硬度高且涂层性能优异，可以达到室外幕墙装饰涂层的要求。

43、作为本发明的一个实施方案，所述一涂一烘为常温喷涂施工后，低温加热固化：80-100℃×30-40min。

44、作为本发明的一个实施方案，一涂一烘后得到的涂料膜厚40-60μm。

45、与现有技术相比，本发明具有如下有益效果：

46、(1)本发明通过在双组分水性丙烯酸聚氨酯涂料中加入硅烷预聚体，硅烷预聚体表面的羟基(-oh)可以与聚异氰酸酯交联剂含有的异氰酸基团(-nco)发生反应，将硅烷预聚体与成膜物质连接在一起，通过化学改性的方式制备出了稳定的、可用于室外铝幕墙装饰的高性能水性涂料。选用三官能度硅烷与去离子水反应，通过控制去离子水与硅烷的摩尔比≥3：1，使得硅烷水解聚合反应充分，形成了结构致密的硅烷预聚体，两种硅烷搭配使用，得到了综合性能更优的涂料；与现有幕墙装饰领域的主流溶剂型氟碳漆相比，耐候性无差异，硬度较氟碳漆有了明显改善，且达到了硬度与柔韧性的平衡，涂层性能可达到室外幕墙装饰的要求；

47、(2)该发明的配方中以水性树脂为主要成膜物质，加入少量有机溶剂，voc含量低，与现有幕墙装饰领域的主流溶剂型氟碳漆相比，在环保性上有了明显的改善；通过低温加热固化的方式，增加了水性涂料的交联密度；配方中有机成分含量低，漆膜防火等级可达到a级；采用脂肪族聚异氰酸酯作为交联剂，提高了漆膜的耐黄变和耐候性；

48、(3)制备方法采用颜料浆和填料浆单独研磨的方式，可方便成品涂料的调色，并且避免了色差的产生；

49、(4)采用与现有溶剂型氟碳漆相同的前处理工艺，一涂一烘的施工方法，且固化温度低，与现有氟碳漆相比不仅简化了施工工艺，而且节约了能耗。基材无需喷砂处理，可常温施工，与陶瓷涂料相比具有施工便捷的优势。