一种多功能水性涂料及其制备方法与应用

本发明属于涂料制备，具体涉及一种多功能水性涂料及其制备方法与应用。

背景技术：

1、腐蚀生锈和海洋微生物污损会对海洋装备的正常运行和使用性能造成严重影响。海洋中生存着各式各样的细菌、贝类、藻类等海洋生物，这些海洋生物可能会破坏海洋装备的表面防腐涂层，从而加速其被腐蚀的速率。另外，海洋动物的分泌物也可能会腐蚀或破坏海洋装备的表面防腐涂层，从而导致性能下降，使用寿命减短。

2、现有市售涂料功能较为单一，抗腐蚀涂料不能抗污，抗污涂料抗老化、抗暴晒性能较差，使用寿命较短。有的以氧化亚铜颗粒作为防污剂添加到涂料中，由于无机材料氧化亚铜和有机树脂的结合强度低，固化后的涂层中氧化亚铜颗粒容易在海水或雨水冲刷下发生脱落。例如：专利cn 102807774a公开“一种氧化亚铜防污剂的表面改性方法”，用壳聚糖-阿拉伯胶制得一种壳聚糖-阿拉伯胶氧化亚铜微胶囊粉末，并作为防污剂添加到防污涂料中，由于氧化亚铜颗粒表面光滑，氧化亚铜与涂层的结合强度较低,因此涂料使用寿命不超过一年；专利cn116285465a公开“一种高稳定性氧化亚铜复合防污剂材料及制备方法”，将富含酚羟基封装到氧化亚铜微纳米颗粒外表面上，形成一层还原性有机层，显著提升氧化亚铜防污剂的稳定性。专利cn111440499a公开“水性防污涂料及其制备方法”，利用笼型聚倍半硅氧烷作为载体使得氧化亚铜被束缚在筒状笼型结构中，提高氧化亚铜的稳定性，但在海水泥沙的不断冲蚀下，涂层也难以保持一年以上的持久稳定性。

3、因此，开发同时具有防腐蚀和防污的多功能涂料，尤其是涂料涂层具备较强的涂层强度和抗冲蚀、抗老化、抗暴晒性能，对开发利用海洋资源极为重要。

技术实现思路

1、本发明的目的在于提供一种多功能水性涂料及其制备方法与应用，以解决现有涂料功能较为单一，抗腐蚀涂料不能抗污，抗污涂料抗老化、抗暴晒性能较差，使用寿命较短等问题。

2、一种表面接枝钛-硅薄膜包覆的花球状纳米氧化亚铜制备方法，包括以下步骤：

3、（1）制备花球状纳米氧化亚铜；

4、（2）将花球状纳米氧化亚铜、钛酸四乙酯和原硅酸四乙酯以3-5：2-4：5-10的质量比搅拌混合，花球状纳米氧化亚铜表面形成钛-硅薄膜；

5、（3）将步骤（2）所得带有钛-硅薄膜的花球状纳米氧化亚铜颗粒与无水乙醇按质量比1-3:5混合；

6、（4）将溶液的ph调节至5；之后添加硅烷偶联剂（优选kh570），在50-60 ℃的水浴中搅拌2-4 h，得到表面接枝钛-硅薄膜包覆的花球状纳米氧化亚铜。

7、进一步的，所述花球状纳米氧化亚铜的制备包括：将氧化亚铜纳米粒子移入胰酪大豆胨液体培养基中，然后加入芽孢杆菌菌液，在25-30 ℃的轨道旋转摇床中培养48-72h；培养完成后，将反应混合物离心、洗涤，收集沉淀并干燥，得到花球状纳米氧化亚铜。

8、进一步的，所述氧化亚铜纳米粒子和所述芽孢杆菌菌液加入的质量比为3-5:1。

9、进一步的，所述氧化亚铜纳米粒子和所述菌液加入的质量比为3-5:1。氧化亚铜纳米粒子和芽孢杆菌菌液的比例决定生成的花球状氧化亚铜的形貌，本发明研究发现氧化亚铜纳米粒子和芽孢杆菌菌液质量比控制在3-5:1比较好。

10、进一步的，步骤（4）中所述硅烷偶联剂的添加量为步骤（3）得到的混合物总质量的0.5%-2%。

11、氧化亚铜在海水中易水解，容易产生“暴蚀”现象而导致抗污失效变短。本发明中钛-硅薄膜指的是二氧化钛和二氧化硅，本发明在氧化亚铜纳米粒子表面增加钛-硅薄膜既可以增加羟基数，使硅烷偶联剂更好的接枝在氧化亚铜纳米粒子表面；还可以延缓氧化亚铜水解释放亚铜离子的速率，达到离子缓释效果，延长涂料的防污寿命；同时，二氧化钛可以有效的反射和散射紫外线，使涂层具有优良的抗暴晒特性。

12、上述制备方法得到的表面接枝钛-硅薄膜包覆的花球状纳米氧化亚铜。

13、上述表面接枝钛-硅薄膜包覆的花球状纳米氧化亚铜的应用，用于防腐、防污、抗暴晒、耐冲蚀。

14、一种多功能水性涂料，由以下重量百分比原料组成：8-10%表面接枝钛-硅薄膜包覆的花球状纳米氧化亚铜、15-20%纳米硅酸锂、60-70%水性丙烯酸乳液、3-8%润湿剂、3-5%消泡剂以及2-5%分散剂。

15、进一步的，所述消泡剂为聚二甲基硅氧烷；所述分散剂为聚丙烯酸钠、羧甲基纤维素、羟乙基纤维素中的一种或多种；所述润湿剂为烷基聚氧乙烯醚或辛基酚聚氧乙烯醚。

16、上述多功能水性涂料的制备方法，包括以下步骤：

17、（1）室温下，将表面接枝钛-硅薄膜包覆的花球状纳米氧化亚铜、水性丙烯酸乳液、纳米硅酸锂以及分散剂加入到球磨罐中球磨24 -48h；优选的体积不超过球磨罐的1/3，然后加入等质量的氧化锆研磨球，以130 rpm的速度球磨24 h；

18、（2）将球磨后的浆料在常压下通过100目的滤网，过滤掉氧化锆研磨球；向滤液中滴加消泡剂和润湿剂，之后在水浴锅中加热到55-65 ℃，随后放入真空除泡机中除泡；优选的真空除泡机中除泡10 min，同时以500 rpm的速度搅拌。

19、上述多功能水性涂料的应用，可用于滨海建筑、钢结构、船舶、海底输送油气管道和跨海大桥的表面保护。

20、与现有技术相比，本发明具有以下优势：

21、（1）本发明从铜离子溶液中还原出氧化亚铜，之后引入菌液，蚀刻出花球状纳米氧化亚铜，显著增加氧化亚铜的表面积；且通过采用硅烷偶联剂对花球状纳米氧化亚铜进行表面改性和加入丙烯酸树脂等其他组分，增加氧化亚铜与涂料中有机成分的分散性和结合强度，在提高涂层强度以及抗老化、抗暴晒等性能的同时，保持涂层的高抗污性能。

22、（2）本发明中添加少量纳米硅酸锂粉体，可以有效提高涂层的硬度、耐磨性和与基体的结合力。

23、（3）本发明的花球状纳米氧化亚铜水性多功能涂料具有抗污和防腐等多功能，适用范围广，可用于钢结构、船舶、海底输送油气管道、跨海大桥等设施表面，使用寿命长，能满足一年以上的长期使用要求。

24、（4）本发明制备方法所用材料廉价易得，采用水性溶剂对环境没有污染，适用于规模生产。

技术特征：

1.一种表面接枝钛-硅薄膜包覆的花球状纳米氧化亚铜制备方法，其特征在于，包括以下步骤：

2.根据权利要求1所述制备方法，其特征在于，所述花球状纳米氧化亚铜的制备包括：将氧化亚铜纳米粒子移入胰酪大豆胨液体培养基中，然后加入芽孢杆菌菌液，在25-30 ℃的轨道旋转摇床中培养48-72 h；培养完成后，将反应混合物离心、洗涤，收集沉淀并干燥，得到花球状纳米氧化亚铜。

3.根据权利要求2所述制备方法，其特征在于，所述氧化亚铜纳米粒子和所述芽孢杆菌菌液加入的质量比为3-5:1。

4.根据权利要求1所述制备方法，其特征在于，步骤（4）中所述硅烷偶联剂的添加量为步骤（3）得到的混合物总质量的0.5%-2%。

5.根据权利要求1所述制备方法得到的表面接枝钛-硅薄膜包覆的花球状纳米氧化亚铜。

6.根据权利要求5所述表面接枝钛-硅薄膜包覆的花球状纳米氧化亚铜的应用，其特征在于，用于防腐、防污、抗暴晒、耐冲蚀、抗冲击。

7.一种多功能水性涂料，其特征在于，由以下重量百分比原料组成：8-10%如权利要求5所述表面接枝钛-硅薄膜包覆的花球状纳米氧化亚铜、15-20%纳米硅酸锂、60-70%水性丙烯酸乳液、3-8%润湿剂、3-5%消泡剂以及2-5%分散剂。

8.根据权利要求7所述多功能水性涂料，其特征在于，所述消泡剂为聚二甲基硅氧烷；所述分散剂为聚丙烯酸钠、羧甲基纤维素、羟乙基纤维素中的一种或多种；所述润湿剂为烷基聚氧乙烯醚或辛基酚聚氧乙烯醚。

9.根据权利要求7所述多功能水性涂料的制备方法，其特征在于，包括以下步骤：

10.根据权利要求7所述多功能水性涂料的应用，其特征在于，可用于滨海建筑、钢结构、船舶、海底输送油气管道和跨海大桥的表面保护。

技术总结本发明涉及一种多功能水性涂料及其制备方法，涂料由表面接枝的花球状纳米氧化亚铜、纳米硅酸锂、水性丙烯酸乳液、润湿剂、消泡剂和分散剂组成。本发明通过引入菌液蚀刻出花球状纳米氧化亚铜；采用硅烷偶联剂、二氧化钛、二氧化硅等对花球状纳米氧化亚铜进行表面改性包裹，提高涂层抗污性能、强度、分散性、抗老化和抗暴晒等性能；还通过添加纳米硅酸锂粉体，提高涂层硬度、耐磨性和结合力。本发明的涂料具有抗污和防腐等多功能，适用范围广，可用于海上风电、船舶、海底输送油气管道、跨海大桥等海洋设施表面保护，也可应用于滨海建筑、沿海钢结构上，使用寿命长。且本发明制备所用材料廉价易得，对环境没有污染，适用于规模生产。技术研发人员：王双喜,吕洋,翟晨阳,储远振,邓楚恒受保护的技术使用者：汕头大学技术研发日：技术公布日：2024/6/23