一种高性能亲水不粘尘涂料及其制备方法与流程

本发明涉及不粘尘涂料技术领域，尤其是涉及一种用于木材、金属和塑料表面的高效不粘尘亲水涂料及其制备方法与应用。

背景技术：

随着人民生活水平的提高，对木材、金属和塑料表面提出了越来越多的特殊功能需求，如不粘尘功能。在日常生活中，由于空气粉尘污染，大气环境中的pm2.5浓度高居不下，往往在木材、金属和塑料制品表面沾上各种灰尘和粉尘，如工业管道、风扇扇叶，或是吸尘器等家俱。清除这些灰尘和粉尘，费力和费时，有时还极不方便。灰尘在制品表面富集，不仅影响产品的外观，造成细菌滋生，而且会显著改变产品的能效和使用效果，甚至会引起事故，在工业生产等领域的造成巨大困扰。无论是在建筑外墙、风扇扇叶、工业管道，还是在太阳能光伏发电板等场合，都对不粘尘提出了相应的技术要求。

中国发明专利申请cn108299882a(2018.07.20公开)公开了一种具有自洁功能的有机-无机复合涂层材料，采用以下步骤制备而成:使纳米二氧化钛溶胶与二氧化硅溶胶及bola型硅烷偶联剂反应，再添加颜料和助剂，从而制得具有自洁功能的有机-无机复合涂层材料；其中，二氧化硅溶胶与bola型硅烷偶联剂的质量比为0.2-0.5:1，纳米二氧化钛溶胶的用量是二氧化硅溶胶和bola型硅烷偶联剂两者总质量的3-10％。该技术原理为：由于bola型硅烷偶联剂的链两端的离子基团水解后可以与二氧化硅溶胶和二氧化钛表面的羟基发生缩合反应，因此通过使用不同链段长度的bola型硅烷偶联剂可以获得一系列的具有不同柔性和硬度的复合涂料，这能够使所形成涂层韧性增强，有效避免涂层开裂脱落；bola型硅烷偶联剂的水解产物能够使二氧化硅溶胶与纳米二氧化钛通过化学键相交联，而纳米二氧化钛具有良好的光催化性能，因此所形成涂层具有光催化自洁能力。但该技术主要依靠纳米二氧化钛的光催化性能实现自洁，实现涂膜不粘尘效果有限。因为纳米二氧化钛只能吸收紫外光，对太阳光的利用率不到5％，光催化效率低，导致涂层的不粘尘效果不好，不粘层持续时间短。

技术实现要素：

为满足在灰尘环境下工作的木材、金属和塑料的不粘尘性能要求，本发明提供了一种用于木材、金属和塑料表面的高效不粘尘亲水涂料，该涂料在木材、金属和塑料表面制备的涂层能使金属具有优异的不粘尘性能；适用于工厂、车间、家居等环境中木材、金属和塑料表面的处理。

需要说明的是，本发明所指的防尘涂料是指粉尘本身不粘附在涂料表面的涂料；而现有商品化不粘尘涂料主要是自清洁涂料，指粉尘或灰尘粘附在涂层表面，通过雨水冲洗，能将灰层或粉尘洗掉，使涂层保持自清洁的功能，实际上涂层本身是粘尘的。部分自称是防尘涂料的现有技术实质也是自清洁涂料，属于概念的混淆，多数将防尘性能与防沾污性能混淆，因为该类涂料根本没有不粘尘性能的测试，特别是御尘率的测试，更没有不粘尘性能持久性测试，最多是肉眼目测，有的仅测试了防沾污性能，这与不粘尘性能是不同的。为此，本发明还提供了不粘尘涂料的不粘尘性能的表征与量化测试。

为实现上述目的，本发明所采用的技术方案为：

一种高性能亲水不粘尘涂料，其特征在于，以质量百分比计，其原料组分组成为：钛溶胶80-90％、纳米半导体材料0.1-8％、硅烷偶联剂0.1-5％、润湿剂0.1-2％、稳定剂0.1-2％、成膜助剂0.1-5％；

所述钛溶胶的制备方法为：以重量份数计，将无水乙醇60-80份、钛酸酯1.0-2.0份和酸1.0-2.0份，混合均匀，得混合液，在30-70℃保温1-3h；保温期间将1-5份的去离子水分散于10-20份无水乙醇中，在1-3h内逐滴加入所述的混合液中，制得固体含量为1-2％，平均粒径为120-170nm的钛溶胶；

所述的纳米半导体材料的平均粒径小于50纳米，为纳米w03、zn0、fe20、zr02、v2o5、sn02、bi203、bi2s3、cus、pbs、zns、bi2w06、ag3v04,ag3p04和snw04中的一种或多种；

所述的硅烷偶联剂为γ-缩水甘油醚基三甲氧基硅烷、γ-氨丙基三乙氧基硅烷、γ-甲基丙烯酰氧基丙基三甲氧基硅烷、3,3,3-三氟丙基)三甲氧基硅烷和聚二甲基硅氧烷或甲基三甲氧基硅烷中的一种或多种。

为进一步实现本发明目的，优选地，所述的钛酸酯为钛酸四乙酯、钛酸异丙酯、钛酸四正丁酯和钛酸四异丁酯中的一种或多种。

优选地，所述的酸为顺丁烯二酸酐、丁二酸、硝酸、盐酸、乙酸、草酸、水杨酸和柠檬酸中的一种或多种。

优选地，所述的润湿剂为聚醚改性有机硅tego-245、byk-346、dc67和dc7244中的一种或两种以上。

优选地，所述稳定剂为乙醇胺、二乙醇胺、三乙醇胺、乙酰丙酮、丙二醇单甲醚和丙二醇单丁醚中的一种或两种以上。

优选地，所述的成膜助剂为丙二醇单甲醚、丙二醇单丁醚、二丙二醇丁醚、异丙醇和异丁醇中的一种或多种。

优选地，所述的高性能亲水不粘尘涂料为淡蓝色透明液体，固体含量为1-10％，黏度为1-5mpa.s，室温贮存时间6-12月。

优选地，所述的高效不粘尘亲水涂料形成的涂膜外观透明平整，涂膜具有优异的亲水性，与水的接触角10-30°，涂层的御尘率高达91％；在耐湿500次实验后仍能保持外观透明平整，涂层的御尘率不低于60％；涂层的不粘尘持久性在1年以上；

所述的不粘尘性能测试方法：在载玻片上制备涂层后，将痱子粉置于涂层上，静置1分钟，将载玻片有涂层的一面倒置，使未粘附在涂层上的痱子粉充分掉落，对比有涂层及无涂层粘附痱子粉后的外观，判断涂层的不粘尘效果；

所述的涂层不粘尘效率(御尘率)测试方法：在扇叶上制备涂层后，将扇叶置于风道中，开启风扇，并加入测试用标准灰于风道中，加速粘尘结束后，取出扇叶，将涂覆有涂层的扇叶及无涂层的空白扇叶上富集的灰尘分别收集；通过有涂层的扇叶表面的灰尘质量m1及无涂层的空白扇叶表面的灰尘质量m2；计算得到扇叶表面涂层的涂层不粘尘效率η＝(m2–m1)/m2。

优选地，所述的不粘尘亲水涂料的施工为喷涂与刷涂施工，涂层在常温下下干燥5-30分钟，在50-80℃下干燥20-60分钟。

所述的高性能亲水不粘尘涂料的制备方法：先制备钛溶胶，然后将钛溶胶、纳米半导体材料、硅烷偶联剂、润湿剂稳定剂、成膜助剂和溶剂无水乙醇室温下搅拌均匀，过滤包装。

本发明的基本原理：1)本发明巧妙利用硅烷为偶联剂链接纳米氧化钛和纳米半导体材料，在提高无机涂膜的成膜性及对底材的附着力的同时，实现纳米二氧化钛和纳米半导体材料协同光催化，将灰层中含有的易粘附的有机组分光催化降解，使灰尘难以粘附在涂层上，从而提高涂层的不粘尘性能；本发明以二氧化钛溶胶为主要成膜物质，以纳米半导体材料对二氧化钛溶胶进行改性，由于纳米半导体材料为p型或n型半导体氧化物、硫化物等，本身具有较强的光催化作用，与纳米二氧化钛复配，增强纳米二氧化钛对太阳光的吸收，二者相互协同增强各自的光催化作用。

2)本发明利用钛溶胶与纳米半导体材料粒径配合，提高无机涂膜的致密性；在本发明的涂层中，钛溶胶与纳米半导体材料具有不同的平均粒径及其分布范围，其中钛溶胶的平均粒径为50-200nm，纳米半导体材料的平均粒径为10-50nm，纳米氧化物能填补钛溶胶的缝隙，提高无机涂膜的致密性；本发明调控钛溶胶的粒径，提高了涂层的稳定性、不粘尘性能及成膜性。

3)纳米氧化物表面含有大量的羟基，能提高涂层亲水性；本发明通过纳米半导体材料与钛溶胶结合，提高涂层亲水性，对灰尘中的疏水部分进行排斥，吸收亲水的部分进行光催化降解，或通过水的冲洗液能去除，从而提高涂层的不粘尘性。

相对于现有技术，本发明具有如下优点和有益效果：

1)本发明制备的涂层具有良好的不粘尘性能及不粘尘性的持久性，在500g/500次摩擦后仍能保持良好的不粘尘性能。本发明明确提出涂层不粘尘性能的测试方法，明确御尘率的测定。本发明涂层的御尘率高达91％，高于现有技术，是名副其实的不粘尘涂料；

2)本发明解决了现有涂层产品不粘尘性能的持久性不足的缺点，克服现有不粘尘涂料在擦洗后出现的不粘尘性能下降、涂层开裂、变色甚至脱落等缺陷，适用于在大量灰尘环境下工作的木材、金属和塑料表面，如工厂管道、烟囱、换热器等，家居环境中风扇扇叶、吸尘器或空调等，提高基材的不粘尘性能，使它在灰尘环境下更难以粘附灰尘。

3)相对于市场上现有的不粘尘涂料，本发明提供的涂料具有更好的储存性能稳定性；除此以外，本涂料还具有优异的亲水性能，用在室外建筑外墙或是太阳能光伏发电板等材料上，不仅提高涂层的不粘尘性能，而且能赋予涂层一定的自清洁性能，涂层表面粘附的少量灰尘，在下雨或是用水冲洗后，表面的灰尘随着水流轻易被冲走。

附图说明

图1为实施例1制备钛溶胶干燥产物的xrd图谱。

图2为实施例1制备的不粘尘涂层产品的电镜照片。

图3为实施例1制备涂层的原子力显微镜照片。

具体实施方式

为更好地理解本发明，下面结合附图和实施例对本发明作进一步的说明，但本发明的实施方式不限于此。

本发明实施例制备的高效不粘尘亲水用如下方法进行表征：

涂层不粘尘性能表征：在载玻片上制备涂层后，将5g痱子粉置于涂层上，静置1分钟，将载玻片有涂层的一面倒置，使未粘附在涂层上的痱子粉充分掉落，对比有涂层及无涂层粘附痱子粉后的外观，观察涂层对痱子粉是否有不粘尘作用。

涂层御尘率的测试：在扇叶上制备涂层后，将扇叶置于风道中，开启风扇，并加入测试用标准灰于风道中，对扇叶进行加速粘尘实验。加速粘尘结束后，取出扇叶，将涂覆有涂层的扇叶及无涂层的空白扇叶上富集的灰尘分别收集。通过有涂层的扇叶表面的灰尘质量m1及无涂层的空白扇叶表面的灰尘质量m2；扇叶表面涂层御尘率为η＝(m2–m1)/m2，计算得到扇叶表面涂层的御尘率。

其他性能测试：通过hitachi日立台式扫描电子显微镜tm3030进行涂层表面微观形貌及edx成分分析；通过asylumresearch公司的原子力显微镜cypheres进行涂层表面微观形貌分析；通过采用东莞晟鼎精密仪器有限公司的sdc-200h型接触角测定仪，根据gb/t30447-2003测试涂层与水的接触角；涂膜擦洗性能据gb/t9266-1988测试，即在500g的外力下，用抹布蘸水，擦洗涂层500次后，观察涂膜的外观及不粘尘性能。实施例中涂膜性能按照gb/t30447-2003测试涂层的水接触角。

实施例1

一种高性能亲水不粘尘涂料配方：

表1实施例1配方

一种高性能亲水不粘尘涂料，是一种可用于木材、金属和塑料表面的高性能不粘尘亲水涂料，该涂料中，钛酸四丁酯水解为钛溶胶，分散在乙醇溶液中，其中钛溶胶的制备工艺：在四口烧瓶中依次加入无水乙醇75.82g、钛酸四丁酯1.66g、硝酸1.3g，在70℃下搅拌1h，使原料分散均匀。将4g去离子水分散于15g无水乙醇中，逐滴加入四口烧瓶中，在70℃下搅拌反应3h，控制反应条件，使钛酸四丁酯水解为平均粒径约为150nm的钛溶胶。

制得所需的钛溶胶之后，取出冷却至室温，在搅拌下逐滴加入1.0g平均粒径为50nm的纳米氧化锌，并加入0.12g甲基三甲氧基硅烷、0.5g乙酰丙酮、0.1g聚醚改性有机硅byk-346及0.5g丙二醇单甲醚，室温下搅拌1小时，过滤包装。

涂料性能：外观淡蓝色透明，粘度约1mpa.s，固体含量5.18％；

施工与干燥：采用喷涂方式在abs材质的风扇扇叶上制备涂层；先在室温下干燥30分钟，再在60℃下固化60分钟；

涂膜性能结果与cn108299882a涂料相比(不沾尘数据按照本专利的方法测试)，测试结果对比如下：

表2性能对比

表2中本实施例涂层的御尘率达到91％，远超过市面上竞品涂料的不粘尘性能，而且经过500g/500次擦洗性，涂膜的御尘率仍高于60％，具有较好的不粘尘持久性，远优于商业化涂层。本实施例不粘尘涂层通过调控钛溶胶的粒径，使得大粒径的钛溶胶微粒与亲水性小粒径的氧化锌相互接触，氧化锌填补大粒径离子间的缝隙，使涂层更致密、均一。涂层表面含有大量的亲水羟基，赋予涂层较好的亲水性；涂层表面锐钛型ti2o与纳米氧化锌结合，二者都具有光催化活性，二者相互协同增强涂层的光催化活性，将灰层中含有的易粘附的有机组分光催化降解，使灰尘难以粘附在涂层上，从而提高涂层的不粘尘性能。表2中参比涂层为cn108299882a制备的涂层的不粘层性能进行对比，本专利产品具有优异的不沾尘性能及不粘尘持久性。

图1为实施例1制备钛溶胶干燥产物的xrd照片，由图谱分析可知，本发明制备的钛溶胶为锐钛型二氧化钛，这种晶型的二氧化钛具有光催化性能和优异的不粘尘性能，而二氧化钛溶胶的粒径稳定性是涂料不粘尘性能保持的关键。

图2为本实施例1所得不粘尘涂层产品的电镜照片，从图2可以看出其表面较为平整。

图3为实施例1制备涂层的原子力显微镜照片，进一步说明本发明的涂层具有较大的相对粗糙度，即表明具有纳米微结构，而且分布均匀致密，能保证涂层不粘尘性能的持久性。

中国发明专利申请cn108299882a(2018.07.20公开)通过仅仅依靠纳米二氧化钛的光催化性能，由于二氧化钛3.2ev的禁带宽度使得其只能吸收占太阳光5％的紫外光，即绝大多数的太阳光无法被ti02利用，其不粘尘性能不好；本申请通过调控纳米钛溶胶的粒径，使之与纳米氧化锌耦合和协同，提高二者的光催化效率，从而获得性能优异的不粘尘性能和不粘尘持久性，制备原理和涂层功能完全不同。

实施例2

一种高性能亲水不粘尘涂料配方：

表4实施例2配方

钛溶胶制备工艺：在四口烧瓶中依次加入无水乙醇76.36g、钛酸异丙酯1.92g、硝酸1.5g，在70℃下搅拌1h，使原料分散均匀。将4g去离子水分散于15g无水乙醇中，逐滴加入四口烧瓶中，在70℃下搅拌反应3h，使钛酸异丙酯水解为平均粒径约为120nm的钛溶胶。

制得所需的钛溶胶之后，取出冷却至室温，加入0.12g三氧化钨、0.5g乙酰丙酮、0.1g聚醚改性有机硅dego-245及0.5g丙二醇单甲醚，室温下搅拌1小时，过滤包装。涂料性能：外观淡蓝色透明，粘度约1mpa.s，固体含量3.64％；

施工与干燥：采用喷涂方式在abs材质的风扇扇叶上制备涂层；先在室温下干燥30分钟，再在60℃下烘烤60分钟；

涂膜性能结果与市售不粘尘涂层对比如下：

表5性能对比

实施例3

一种高性能亲水不粘尘涂料配方：

表6实施例3配方

钛溶胶的制备工艺：在四口烧瓶中依次加入无水乙醇75.24g、钛酸四丁酯1.66g、盐酸1.5g，在70℃下搅拌1h，使原料分散均匀。将5g去离子水分散于15g无水乙醇中，逐滴加入四口烧瓶中，在70℃下搅拌反应3h，使钛酸四丁酯水解为平均粒径约为150nm的钛溶胶。

制得所需的钛溶胶之后，取出冷却至室温，在搅拌下加入0.2gzr02,0.1gag3p04和0.2snw04，0.2gv2o5和0.3gbi2s3，并加入0.5g二乙醇胺、0.1g聚醚改性有机硅dc-67及0.5g丙二醇单丁醚，室温下搅拌1小时，过滤包装。

涂料性能：外观淡蓝色透明，粘度约1mpa.s，固体含量4.76％；

施工与干燥：采用喷涂方式在abs材质的风扇扇叶上制备涂层；先在室温下干燥30分钟，再在60℃下烘烤60分钟；

涂膜性能结果与市售不粘尘涂层对比如下：

表7性能对比

实施例4

一种高性能亲水不粘尘涂料配方：

表8实施例4配方

钛溶胶制备工艺：在四口烧瓶中依次加入无水乙醇74.62g、钛酸四丁酯1.66g、乙酸1.5g，在70℃下搅拌1h，使原料分散均匀。将4g去离子水分散于15g无水乙醇中，逐滴加入四口烧瓶中，在70℃下搅拌反应3h，使钛酸四丁酯水解为平均粒径约为150nm的钛溶胶。

制得所需的钛溶胶之后，取出冷却至室温，在搅拌下加入0.5gsn02、0.3gbi203和0.2gag3v04，并加入0.12g甲基三甲氧基硅烷、0.5g三乙醇胺、0.1g聚醚改性有机硅byk-346及0.5g异丙醇，室温下搅拌1小时，过滤包装。

涂料性能：外观淡蓝色透明，粘度约1mpa.s，固体含量5.38％；

施工与干燥：采用喷涂方式在abs材质的风扇扇叶上制备涂层；先在室温下干燥30分钟，再在60℃下烘烤60分钟；

涂膜性能结果与市售不粘尘涂层对比如下：

表9性能对比

实施例5

一种高性能亲水不粘尘涂料配方：

表10实施例5配方

钛溶胶的制备工艺：在四口烧瓶中依次加入无水乙醇72.74g、钛酸四丁酯1.66g、顺丁稀二酸酐3.0g，在70℃下搅拌1h，使原料分散均匀。将4g去离子水分散于15g无水乙醇中，逐滴加入四口烧瓶中，在70℃下搅拌反应3h，使钛酸四丁酯水解为平均粒径约为150nm的钛溶胶。

制得所需的钛溶胶之后，取出冷却至室温，在搅拌下加入0.3gbi2s3、0.3gcus和0.4gbi2w06，并加入0.12g(3,3,3-三氟丙基)三甲氧基硅烷、0.5g三乙醇胺、0.1g聚醚改性有机硅dc-67及0.5g异丁醇，室温下搅拌1小时，过滤包装。

涂料性能：外观淡蓝色透明，粘度约1mpa.s，固体含量7.26％；

施工与干燥：采用喷涂方式在abs材质的风扇扇叶上制备涂层；先在室温下干燥30分钟，再在60℃下烘烤60分钟；

涂膜性能结果与市售不粘尘涂层对比如下：

表11性能对比

本发明不受上述实施例约束，其他的任何未背离本发明的精神实质与原理下所作的改变、修饰、替代、组合、简化，均应为等效的替代方式，都包含在本发明的保护范围之内。