一种纳米级纤维素功能掺杂改性涂料及其制备方法与流程

本发明专利涉及高性能涂料的制造领域，尤其是涉及一种纳米级纤维素功能掺杂改性涂料及其制备方法，该涂料产品可在室内装饰、汽车、建筑工装、木器、金属、塑料、玻璃、建筑表面等多种材质领域大规模应用。

背景技术

室内用涂料主要分为水性涂料和溶剂性涂料两种，在建筑、汽车、船舶、航空等各个领域获得广泛应用，市场容量巨大。目前,大多数建筑涂料在长时间应用后,都存在涂层开裂现象。主要原因是建筑墙体的水泥基材在施工中留下表面裂缝、孔隙等缺陷,而这些缺陷会造成附着在表面的涂料产生裂缝,不仅影响美观,也会造成房屋渗漏。目前较有效的方法是采用采用环氧树脂等修补裂缝或用其他涂料修补，但造成了二次工序，且不能根本上解决涂料的质量问题。本专利技术通过添加纳米纤维素至涂料体系中，构成由软体的高分子链结构和硬体的纳米纤维素结构，从界面结构增韧的原理并利用一维纳米纤维素与高分子大分子链形成交叉网状的优势，大大增加涂料表层的韧度、硬度及表面强度，防止涂料固化后使用过程中因温度高低而导致涂层表面产生裂缝、龟裂等缺陷。

技术实现要素：

本发明专利的主要目的在于直接纳米纤维素制备表面强度优异的涂料制品，克服因涂料表面膜胶黏力不够而导致龟裂或裂缝等不良现象。为提供一种生产工艺简单、强度和粘结性能好、耐水性好、优异表面强度的涂料制品制备方法。

本发明专利的技术原理在于通过添加功能改性的纳米纤维素至涂料体系中，构成由软体的高分子链结构和硬体的纳米纤维素结构，从界面结构增韧的原理并利用一维纳米纤维素与高分子大分子链形成交叉网状的优势，大大增加涂料表层的韧度、硬度及表面强度，从而在涂料受到外界恶劣环境的影响下易开裂等现象，提高涂料制品的质量与性能。

本发明专利的目的通过如下技术方案实现：

(1)纳米纤维素的准备：通过从木质或非木质原料中分离出直径尺寸5-100nm的纳米纤维素，进行化学表面功能化改性，改性成强亲水性纳米纤维素和强疏水性纳米纤维素，主要目的是为了适应不同水性涂料和溶剂型涂料的界面需求。

(2)纳米纤维素改性工艺：对于水性涂料用途的纳米纤维素亲水性改性，将纳米纤维素与水溶性改性试剂按照质量比例为1：4搅拌混合后并分散于水中后，将温度上升至60-90℃，反应1-5h，然后通过除去残余水溶性改性试剂及其副产物，将反应后的纳米纤维素分别分散到水中，得到质量分数为0.1％的亲水性纳米纤维素分散液a。对于溶剂型涂料用途的纳米纤维素疏水性改性，将纳米纤维素与脂肪直链烃或环状脂肪链烃结构的改性试剂，按照质量比例为1：3搅拌混合后并分散于无水乙醇中后，将温度上升至120-170℃，反应1-4h，然后通过除去残余改性试剂及其副产物，将反应后的纳米纤维素分散到水中，得到质量分数为0.1％的疏水性纳米纤维素分散液b。

(3)纳米纤维素掺杂涂料的制备：将涂料组成的水性或溶剂性成膜剂(占20-60％)、分散剂(占0.05-1.5％)、偶联剂(占0.08-1.7％)、催干剂(占0.02-1.0％)、抗沉降剂(占0.01-2.5％)、消泡剂(占0.5-1.5％)、防腐剂(占0.001-0.05％)、防结皮剂(占0.02-2.5％)、流平剂(占0.01-3.5％)、填料(10-70％)依次加入在水或溶剂体系中混合后，通过高速剪切机高速分散，将步骤(1)获得的a或b纳米纤维素分散液，其中纳米纤维素绝干质量占涂料绝干质量的0.01-1％，在常温条件下以速度为0.01-10ml/min逐滴入上述水或有机溶剂性涂料中，滴加完毕后，获取纳米纤维素功能改性掺杂涂料。

本发明专利与现有技术相比，具有如下优点：

本发明专利的一种纳米级纤维素功能掺杂改性涂料及其制备方法，具有综合性能效果好，工艺简单，环境友好，表面漆膜强度高等优点。可降低生产、运输使用过程中的灾害风险，有效保护相关人员的安全，且扩大其在军工、民用领域的使用范围。

附图说明

图1为纳米纤维素的透射电镜图。

图2脂肪直链烃结构的改性试剂的化学结构图。

图3环状脂肪链烃结构的改性试剂的化学结构图。

具体实施方式

为了更加深入理解本发明专利，下面结合实施例对本发明专利作进一步的说明，需要说明的是，本发明专利要求保护的范围并不局限于实施例表述的范围。下面实施例中，相关测试方法均按照相关国家技术标准执行(见各实例表)。

实施例1

一种纳米级纤维素功能掺杂改性涂料及其制备方法，包括如下步骤和工艺条件：

(1)纳米纤维素的准备：通过从松木原料中采用纯机械法分离出直径尺寸10nm的纳米纤维素，在室温条件下高速剪切机中将其均匀混合，形成质量分数为0.01％的水性纳米纤维素分散液，主要目的是为了适应不同水性涂料的界面需求。

(2)纳米纤维素改性工艺：将纳米纤维素与氯代乙酸钠按照质量比例为1：4搅拌混合后并分散于水中后，将温度上升至90℃，反应5h，然后通过除去残余水溶性改性试剂及其副产物，将反应后的纳米纤维素分别分散到水中，得到质量分数为0.1％的亲水性纳米纤维素分散液a。

(3)纳米纤维素掺杂涂料的制备：将涂料组成的环氧树脂成膜剂(占60％)、三乙基己基磷酸分散剂(占1.5％)、乙二胺丙基甲基二甲氧基硅烷(kbm602)偶联剂(占1.7％)、二月桂酸二丁基锡催干剂(占1.0％)、膨润土抗沉降剂(占2.5％)、脂肪醇聚醚化合物消泡剂(占1.5％)、苯并米唑酯类化合物防腐剂(占0.05％)、甲乙酮肟化合物防结皮剂(占2.5％)、聚丙烯酸流平剂(占3.5％)、白炭黑填料(25.75％)依次加入在水中混合后，通过高速剪切机高速分散，将步骤(1)获得的水性纳米纤维素分散液a，其中纳米纤维素绝干质量占涂料绝干质量的0.06％，在常温条件下以速度为5.0ml/min逐滴入上述水性涂料中，滴加完毕后，获取纳米纤维素掺杂涂料。

表1各项性能对比

从表1中可以看出来通过添加纳米纤维素，涂料的各项性能均能获得显著的改善和提升，经过6天的室外放置处理，表面质量均无明显变化；而经过150天的室外放置处理后，不添加纳米纤维素的涂料表面会出现许多裂纹，而添加纳米纤维素则没有任何裂纹出现。不仅在表面质量有提升，尤其是胶膜拉伸强度、冲击强度以及耐磨性能均增加超过2倍，对于添加仅0.06％的纳米纤维素而言，其对于改善涂料的强度性能具有关键的提升作用。构成由软体的高分子链结构和硬体的纳米纤维素结构，从界面结构增韧的原理并利用一维纳米纤维素与高分子大分子链形成交叉网状的优势，大大增加涂料表层的韧度、硬度及表面强度，防止涂料固化后使用过程中因温度高低而导致涂层表面产生裂缝、龟裂等缺陷。因此，本专利提出的采用纳米纤维素掺杂改性涂料的技术可为提升涂料的各项性能产生显著效果，并提升为产品的市场竞争力。

实施例2

一种纳米级纤维素功能掺杂改性涂料及其制备方法，包括如下步骤和工艺条件：

(1)纳米纤维素的准备：通过从杨木原料中通过tempo氧化预处理并联机械均质法分离出直径尺寸50nm的纳米纤维素，进行功能改性的主要目的是为了适应不同溶剂性涂料的界面需求。

(2)纳米纤维素改性工艺：将纳米纤维素与十二烷基羧酸改性试剂，按照质量比例为1：3搅拌混合后并分散于无水乙醇中后，将温度上升至150℃，反应3h，然后通过除去残余改性试剂及其副产物，将反应后的纳米纤维素分散到乙醇中，得到质量分数为0.1％的疏水性纳米纤维素分散液b。

(3)纳米纤维素掺杂涂料的制备：将涂料组成的聚乙烯醇系缩聚物成膜剂(占40％)、分散剂(占1.0％)、十二烷基硫酸钠偶联剂(占1.2％)、二月桂酸二丁基锡催干剂催干剂(占0.09％)、膨润土抗沉降剂(占2.0％)、脂肪醇聚醚化合物消泡剂(占1.2％)、苯并米唑酯类化合物防腐剂(占0.01％)、甲乙酮肟化合物防结皮剂(占1.8％)、聚丙烯酸流平剂(占2.5％)、高岭土填料(50.2％)依次加入乙醇体系中混合后，通过高速剪切机高速分散，将步骤(1)获得的醇溶性纳米纤维素分散液b，其中纳米纤维素绝干质量占涂料绝干质量的0.04％，在常温条件下以速度为5.0ml/min逐滴入上述有机溶剂性涂料中，滴加完毕后，获取纳米纤维素掺杂涂料。

经过各项性能检测，其结果如下：

表2各项性能对比

实施例3

一种纳米级纤维素功能掺杂改性涂料及其制备方法，包括如下步骤和工艺条件：

(1)纳米纤维素的准备：通过从秸秆原料中通过纯机械法分离出直径尺寸30nm的纳米纤维素，分散在水溶液中，进行功能化的主要目的是为了适应不同水性涂料涂料的界面需求。

(2)纳米纤维素改性工艺：将纳米纤维素与氯乙酸按照质量比例为1：4搅拌混合后并分散于水中后，将温度上升至80℃，反应2h，然后通过除去残余水溶性改性试剂及其副产物，将反应后的纳米纤维素分别分散到水中，得到质量分数为0.1％的亲水性纳米纤维素分散液a。

(2)纳米纤维素掺杂涂料的制备：将涂料组成的氨基树脂成膜剂(占30％)、甲基戊醇分散剂(占0.5％)、甲基丙烯酰氧基丙基三甲氧基硅烷(kh570)偶联剂(占0.1％)、二月桂酸二丁基锡催干剂催干剂(占0.3％)、膨润土抗沉降剂(占1.6％)、脂肪醇聚醚化合物消泡剂(占1.1％)、苯并米唑酯类化合物防腐剂(占0.006％)、甲乙酮肟化合物防结皮剂(占1.5％)、聚丙烯酸流平剂(占2.2％)、碳酸钙填料(62.694％)依次加入在水中混合后，通过高速剪切机高速分散，将步骤(1)获得的亲水性纳米纤维素分散液a，其中纳米纤维素绝干质量占涂料绝干质量的1.0％，在常温条件下以速度为5.0ml/min逐滴入上述水性涂料中，滴加完毕后，获取纳米纤维素掺杂涂料。

经过各项性能检测，其结果如下：

表3各项性能对比

实施例4

一种纳米级纤维素功能掺杂改性涂料及其制备方法，包括如下步骤和工艺条件：

(1)纳米纤维素的准备：通过从甘蔗渣原料中通过酶法预处理并联机械均质法分离出直径尺寸100nm的纳米纤维素，功能化改性的主要目的是为了适应不同溶剂型涂料的界面需求。

(2)纳米纤维素改性工艺：将纳米纤维素与含六环状脂肪酸，按照质量比例为1：3搅拌混合后并分散于无水乙酸乙酯中后，将温度上升至140℃，反应2h，然后通过除去残余改性试剂及其副产物，将反应后的纳米纤维素分散到水中，得到质量分数为0.1％的疏水性纳米纤维素分散液b。

(3)纳米纤维素掺杂涂料的制备：将涂料组成的醇酸树脂成膜剂(占20-60％)、脂肪酸聚乙二醇酯分散剂(占0.05-1.5％)、氨丙基三乙氧基硅烷(kh550)偶联剂(占0.08-1.7％)、二月桂酸二丁基锡催干剂催干剂(占0.02-1.0％)、膨润土抗沉降剂(占0.01-2.5％)、脂肪醇聚醚化合物消泡剂(占0.5-1.5％)、苯并米唑酯类化合物防腐剂(占0.001-0.05％)、甲乙酮肟化合物防结皮剂(占0.02-2.5％)、聚丙烯酸流平剂(占0.01-3.5％)、多孔性粉石英填料(10-70％)依次加入在乙酸乙酯有机溶剂体系中混合后，通过高速剪切机高速分散，将步骤(1)获得的溶剂性纳米纤维素分散液b，其中纳米纤维素绝干质量占涂料绝干质量的0.5％，在常温条件下以速度为0.2ml/min逐滴入上述有机溶剂性涂料中，滴加完毕后，获取纳米纤维素掺杂涂料。

经过各项性能检测，其结果如下：

表4各项性能对比

实施例5

一种纳米级纤维素功能掺杂改性涂料及其制备方法，包括如下步骤和工艺条件：

(1)纳米纤维素的准备：通过从桉木中纯机械法分离出直径尺寸30nm的纳米纤维素，分散在水溶液中，进行功能化的主要目的是为了适应不同水性涂料的界面需求。

(2)纳米纤维素改性工艺：将纳米纤维素与醋酸酐按照质量比例为1：4搅拌混合后，将温度上升至60℃，反应5h，然后通过除去残余水溶性改性试剂及其副产物，将反应后的纳米纤维素分别分散到水中，得到质量分数为0.1％的亲水性纳米纤维素分散液a。

(2)纳米纤维素掺杂涂料的制备：将涂料组成的聚丙烯酸树脂成膜剂(占50％)、六偏磷酸钠分散剂(占1.0％)、乙烯基三乙氧基硅烷(a151)偶联剂(占1.3％)、二月桂酸二丁基锡催干剂催干剂(占0.07％)、膨润土抗沉降剂(占2.0％)、脂肪醇聚醚化合物消泡剂(占0.9％)、苯并米唑酯类化合物防腐剂(占0.01％)、甲乙酮肟化合物防结皮剂(占1.5％)、聚丙烯酸流平剂(占3.5％)、膨润土填料(39.72％)依次加入在水中混合后，通过高速剪切机高速分散，将步骤(1)获得的水性纳米纤维素分散液a，其中纳米纤维素绝干质量占涂料绝干质量的0.08％，在常温条件下以速度为5.0ml/min逐滴入上述水涂料中。滴加完毕后，获取纳米纤维素掺杂涂料。

经过各项性能检测，其结果如下：

表5各项性能对比

实施例6

一种纳米级纤维素功能掺杂改性涂料及其制备方法，包括如下步骤和工艺条件：

(1)纳米纤维素的准备：通过从芦苇原料中通过tempo氧化法预处理并联机械均质法分离出直径尺寸10nm的纳米纤维素，功能改性的主要目的是为了适应不同溶剂型涂料的界面需求。

(2)纳米纤维素改性工艺：将纳米纤维素与十二烷基硫酸的改性试剂，按照质量比例为1：3搅拌混合后并分散于无水乙醇中后，将温度上升至150℃，反应3h，然后通过除去残余改性试剂及其副产物，将反应后的纳米纤维素分散到甲苯中，得到质量分数为0.1％的疏水性纳米纤维素分散液b。

(2)纳米纤维素掺杂涂料的制备：将涂料组成的聚氨醋成膜剂(占50％)、三乙基己基磷酸分散剂(占1.0％)、乙二胺丙基三乙氧基硅烷(kh792)偶联剂(占1.5％)、二月桂酸二丁基锡催干剂催干剂(占0.6％)、膨润土抗沉降剂(占2.5％)、脂肪醇聚醚化合物消泡剂(占1.2％)、苯并米唑酯类化合物防腐剂(占0.04％)、甲乙酮肟化合物防结皮剂(占2.2％)、聚丙烯酸流平剂(占3.2％)、云母粉填料(37.76％)依次加入甲苯有机溶剂体系中混合后，通过高速剪切机高速分散，将步骤(1)获得的溶剂性纳米纤维素分散液b，其中纳米纤维素绝干质量占涂料绝干质量的0.05％，在常温条件下以速度为8.0ml/min逐滴入上述有机溶剂性涂料中，滴加完毕后，获取纳米纤维素掺杂涂料。

经过各项性能检测，其结果如下：

表6各项性能对比