一種水性納米色漿及其制備方法
技術領域
本發(fā)明涉及涂料技術領域，尤其涉及一種水性納米色漿及其制備方法。
背景技術
納米技術是在20世紀80年代末逐步發(fā)展起來的前沿、交叉性新興科學。它的出現(xiàn)標志著人類改造自然的能力已延伸到原子、分子水平，標志著人類科學技術進入了一個新的時代——納米科技時代。雖然納米技術發(fā)展時間不長，但納米材料所具有的獨特性質(zhì)，已經(jīng)在涂料工業(yè)中發(fā)揮著重要作用。無論是在高檔的工業(yè)涂料(飛機、船舶與汽車涂料)，還是普通建筑涂料與裝飾涂料中，納米材料的合理使用大大提高了涂料的耐久性、抗紫外、防霉抗菌、耐水、耐磨及耐沾污性等。隨著工業(yè)科技的發(fā)展和進步，人們對色漿各項性能的要求也會越來越高。顏料色漿的納米化，可以滿足涂層的耐久性、耐氣候牢度、耐熱性、耐化學性等要求。顏料色漿的納米化，可以改進涂層的質(zhì)感、降低涂料成本甚至賦予涂層更高的理化性能和新的功能，改善其表面特性以提高其在涂料體系的分散性等。
迄今為止世界多個國家已生產(chǎn)出用于制造納米粉體材料，其顏料色粉均已達到納米級別，但是世界性的關鍵難題依然廣泛存在于納米涂料的生產(chǎn)過程中。要想大規(guī)模生產(chǎn)納米涂料必須首先解決好因超細材料組合產(chǎn)生的容易團聚、分散性差、不穩(wěn)定、使用率低等問題。
發(fā)明內(nèi)容
針對現(xiàn)有納米顏料在生產(chǎn)過程中容易團聚、分散性差、不穩(wěn)定、使用率低等問題，本發(fā)明提供一種水性納米色漿。
進一步地，本發(fā)明還提供一種水性納米色漿的制備方法。
為達到上述發(fā)明目的，本發(fā)明實施例采用了如下的技術方案：
一種水性納米色漿，按重量份數(shù)計，由以下組份組成：去離子水：3-20份，pH調(diào)節(jié)劑：0.1-0.2份，顏料增效劑：2-4份，潤濕劑：18-28份，分散劑：18-28份，紫外線吸收劑：4-8份，消泡劑：0.2-0.5份，防腐劑：0.2-0.4份，保濕劑：4-10份，顏料45-65份，增稠劑：0.5-1.5份。
步驟1、按照如權利要求1~9任一項所述的原料配比稱取各組分；
步驟2、將去離子水、pH調(diào)節(jié)劑的60wt%、顏料增效劑、潤濕分散劑的70wt%、消泡劑、防腐劑、增稠劑的40wt%加入反應器中，以100-200rpm的速度攪拌，然后在800-1000rpm的轉速下加入納米顏料、紫外線吸收劑、保濕劑，攪拌25-30min，得到色漿前漿；
步驟3、根據(jù)不同產(chǎn)品要求，將所述色漿前漿研磨至合格細度，研磨后加入潤濕分散劑，最后加入剩余的pH調(diào)節(jié)劑、剩余的增稠劑，至合格的pH值和粘度。
上述制備方法操作簡單，且所述步驟2中先采取100-200rpm的速度攪拌，低速攪拌不容易將氣泡攪入體系中，以800-1000rpm的速度攪拌有助于分散，使體系達到均一效果；步驟3中具體指標因產(chǎn)品不一，數(shù)值會略有差異。
附圖說明
為了更清楚地說明本發(fā)明實施例中的技術方案，下面將對實施例中所需要使用的附圖作簡單地介紹，顯而易見地，下面描述中的附圖僅僅是本發(fā)明的一些實施例，對于本領域普通技術人員來講，在不付出創(chuàng)造性勞動的前提下，還可以根據(jù)這些附圖獲得其他的附圖。
圖1是本發(fā)明提供的研磨速率與顏料平均粒徑的關系示意圖；
圖2是本發(fā)明提供的研磨時間與顏料平均粒徑的關系示意圖。
具體實施方式
為了使本發(fā)明的目的、技術方案及優(yōu)點更加清楚明白，以下結合附圖及實施例，對本發(fā)明進行進一步詳細說明。應當理解，此處所描述的具體實施例僅僅用以解釋本發(fā)明，并不用于限定本發(fā)明。
本發(fā)明實施例提供一種水性納米色漿，按重量份數(shù)計，由以下組份組成：去離子水：3-20份，pH調(diào)節(jié)劑：0.1-0.2份，顏料增效劑：2-4份，潤濕劑：18-28份，分散劑：18-28份，紫外線吸收劑：4-8份，消泡劑：0.2-0.5份，防腐劑：0.2-0.4份，保濕劑：4-10份，顏料45-65份，增稠劑：0.5-1.5份。
顏料分為無機顏料和有機顏料，根據(jù)本發(fā)明實施例色漿的需求篩選出顏色適宜、顆粒松弛、聚合度小、易于分散的顏料作為原料。良好的分散性能要求顏料顆粒小，且顏料粒子和粒徑分布呈“正態(tài)分布”曲線。要獲得良好的顏料應用特性，必須使顏料聚集體粉碎成顏料生產(chǎn)者所要求的晶體粒徑，即力求減少過大或過小的粒子，即顏料粒徑分布盡量集中在一個較窄的范圍內(nèi)。
作為一種優(yōu)選情形，所述顏料為聚集體含量低于2wt%的納米顏料。
納米顏料，納米顏料具有獨特的量子尺寸效應、表面效應、宏觀量子隧道效應、介電限域效應等特殊效應。納米級的顏料粒子可顯著改善色漿的著色強度、色光、抗紫外線能力（耐候性）、透明性（鮮艷度）、抗菌防霉及儲存穩(wěn)定性。
作為另一種優(yōu)選情形，所述顏料為納米顏料和有機顏料的混合物，且所述有機顏料與所述納米顏料的質(zhì)量比為4-5:1。
所用顏料為納米顏料與有機顏料以適當比例復合，達到水性化和漿料化，使其成為納米復合色漿。復合過程中，具有納米粒子效應的顏料有效吸附在有機顏料粒子表面或周圍，從而使有機顏料獲得納米粒子特性。納米復合色漿可以有效改善有機顏料的抗紫外能力（耐候性），同時增強色漿的遮蓋力與抗菌效果。有機顏料可選如：偶氮顏料、多環(huán)顏料、酞菁顏料中的一種。
上述優(yōu)選情形中，進一步，所述納米顏料的平均粒徑優(yōu)選為200-400nm。
具體優(yōu)選地，所述納米顏料為納米氧化鐵、納米氧化鈦、納米氧化鋅、納米碳酸鈣、納米二氧化硅中的一種，且所述納米顏料的平均粒徑為200-400nm。
優(yōu)選為用途最為廣泛價格低廉性能優(yōu)異的納米氧化鐵。納米氧化鐵消除了由磁性吸引力而引起的絮凝現(xiàn)象，因而更易分散，有優(yōu)良的抗絮凝性。
優(yōu)選地，所述有機顏料為偶氮顏料、多環(huán)顏料、酞菁顏料中的一種。
潤濕過程是使原有的固/氣兩相被轉換成固/液兩相，添加納米特效潤濕劑可以降低界面張力，增加“鋪展張力”，從而加速潤濕過程；分散過程是如何使?jié)櫇窈玫念伭戏稚Ⅲw穩(wěn)定，控制絮凝，選擇配伍性好的分散劑可以長時間吸附在顏料表面，以電荷相斥和/或空間位阻來維系分散體之間的合適空間結構，可以有效控制顏料分散體絮凝。優(yōu)選地，所述潤濕劑為分子量低于12000的的有機硅聚醚類，它可有效降低納米顏料粒子和液體（例如水）之間的表面張力，增加其鋪展力。具體優(yōu)選的，所述有機硅聚醚類的分子結構為：
X的數(shù)值范圍是14-30，R的碳原子數(shù)為1-5。
優(yōu)選的潤濕劑有如下特點：分子量低，多疏水基呈傘形對稱結構，與傳統(tǒng)活性劑相比較，潤濕、滲透性表現(xiàn)極為優(yōu)異、高效，是革命性的新一代表面活性劑。動、靜態(tài)表面張力極低，含多醚基，化學性質(zhì)為惰性，不參與體系的化學反應，耐酸堿性好，化學性質(zhì)穩(wěn)定。
由于納米顏料粒子時憎水性的固體粉末，其表面不易被水潤濕，不溶于水而下沉結塊。當加入本非離子型潤濕劑后，拒水部分基附著于納米顏料粒子表面定向排列在固體納米顏料粒子的表面上，親水部分向外伸向水基中從而降低其表面能，使水能潤濕這些顏料粒子，在其固體表面形成連續(xù)相，使固體粉末分散在水中成為穩(wěn)定的懸濁液。
色漿是一個分散體系，一般顏料在液體中以懸浮形式保持長時間的穩(wěn)定狀態(tài)是很難的。這是因為顏料由于粒徑細小(納米級)，比表面積大，表面自由能會促使它們以聚集狀態(tài)存在。在液體中顏料粒子多數(shù)絡合成二次粒子聚積成塊；當顏料粒子外包裹或吸附的分散劑受到其他物質(zhì)的競爭或者其電荷性能受到破壞時，顏料粒子相互問受到外力的牽引時，都容易產(chǎn)生顏料粒子間的凝聚、沉降甚至于沉積分層等等不穩(wěn)定情況的發(fā)生。因此其本身存在不穩(wěn)定的傾向。把顏料制成色漿就是通過加入潤濕劑等化學助劑，浸潤到顏料粒子中去，再通過機械研磨使其在剪切力作用下，由聚集態(tài)解聚成穩(wěn)定的個體粒子懸浮在分散液中。但被分散的顏料離子間還是有產(chǎn)生凝聚的傾向，需補加分散劑等使其被分散開的顏料粒子不致二次團聚絮凝。因此，如何將納米顏料有效分散形成均一穩(wěn)定的保持納米效應的顏料分散體是制備透明色漿的關鍵所在。
優(yōu)選地，所述分散劑為聚醚改性硅氧烷類。
具體優(yōu)選的，所述聚醚改性硅氧烷類的分子結構為：
m、n的數(shù)值范圍均為10-20，y的數(shù)值范圍為14-30，R的碳原子數(shù)為1-5。
水性體系中適用的超分散劑由親油親水兩部分組成，為達到良好的分散效果，親水部分分子量一般控制在3000-5000，親水鏈過長，超分散劑分子易從顏料表面脫落，且親水鏈與親水鏈間易發(fā)生纏繞而導致絮凝；疏水部分的分子量一般控制在5000-7000，疏水鏈過長，往往因無法完全吸附于粒子表面而形成環(huán)或與相鄰粒子表面結合，導致粒子間的“架橋”絮凝。此外，高分子分散劑鏈段中親水部分適宜比例為20%-40%，如果親水端比例過高，則分散劑溶劑化過強，粒子與分散劑間的結合力相對削弱，分散劑容易脫落；反之若親水端比例過低，分散劑無法在水中完全溶解，分散劑效果下降。
雙甲基硅氧基具有拒水性，聚醚功能改性硅氧基具有親水性。
本發(fā)明實施例所述潤濕劑可以選擇HCT公司生產(chǎn)的潤濕劑HANSA ADD 1365，所述分散劑如HANSA ADD 1225。HANSA ADD 1225與HANSA ADD 1365協(xié)同發(fā)揮作用，共同維持色漿體系的穩(wěn)定。
具體優(yōu)選地，所述紫外線吸收劑為氧化鈰納米顆粒和氧化鋅納米顆粒的兩種的混合物，所述氧化鈰納米顆粒與氧化鋅納米顆粒的質(zhì)量比為（0.8-1.2）:（0.8-1.2）。其中，分散在所述色漿中的氧化鈰納米顆粒起到長期紫外線吸收劑的作用，因此可穩(wěn)定水性涂料，防止變色和降解，由于氧化鈰顆粒是納米級，對體系的光澤和透明度無不良影響；氧化鈰納米顆粒分散體和氧化鋅納米顆粒兩者搭配使用可以覆蓋更廣的紫外線光譜，達到更好的紫外線吸收效果。
優(yōu)選地，所述pH調(diào)節(jié)劑為2-氨基-2-甲基-1-丙醇與丁基乙醇胺的一種或兩種。
優(yōu)選地，所述增稠劑為聚醚聚氨酯締合型，如海明斯的RHEOLATE644。
所述消泡劑為憎水固體和破泡聚硅氧烷的混合物BYK-017，為憎水固體和破泡聚硅氧烷的混合物，可在分散和研磨階段有效的消泡和抑泡，儲存穩(wěn)定性極好，從而改善最終色漿的研磨效果。所述pH調(diào)節(jié)劑如陶氏化學的AMP-95與愛旺德的丁基乙醇胺一種或按一定比例的兩種混合物。
所述顏料增效劑如BYK-SYNERGIST 2105，該助劑能使?jié)櫇穹稚└玫奈皆谟袡C顏料的表面，從而可以提高潤濕分散劑的效率，賦予顏料以等電勢，可避免因等電勢而產(chǎn)生的顏料共絮凝。
所述的防腐劑為索爾的HF和EPW中的一種或按一定比例的兩種混合物。
所述的保濕劑為改性脲的BYKETOL-PC，其特殊的分子結構，可有效控制水分的揮發(fā)，從而防止水性濃縮漿的干燥和結塊。
本發(fā)明實施例提供一種水性納米色漿的制備方法，至少包括以下步驟：
步驟1、按照上述的原料配比稱取各組分；
步驟2、將去離子水、pH調(diào)節(jié)劑的60wt%、顏料增效劑、潤濕分散劑的70wt%、消泡劑、防腐劑、增稠劑的40wt%加入反應器中，以100-200rpm的速度攪拌，然后在800-1000rpm的轉速下加入納米顏料、紫外線吸收劑、保濕劑，攪拌25-30min，得到色漿前漿；
步驟3、根據(jù)不同產(chǎn)品要求，將所述色漿前漿研磨至合格細度，研磨后加入潤濕分散劑，最后加入剩余的pH調(diào)節(jié)劑、剩余的增稠劑，至合格的pH值和粘度。
上述制備方法操作簡單，且所述步驟2中先采取100-200rpm的速度攪拌，低速攪拌不容易將氣泡攪入體系中，以800-1000rpm的速度攪拌有助于分散，使體系達到均一效果；步驟3中具體指標因產(chǎn)品不一，數(shù)值會略有差異。
色漿能否有很好的穩(wěn)定性是制備色漿最關鍵的技術之一。首先要保證顏料充分有效分散，還要促進高度分散的顏料穩(wěn)定而不重聚，同時還要克服色漿中高聚物對顏料的裹帶而使顏料的分散遭到破壞，這是體系的穩(wěn)定保證。而分散研磨顏料是保證色漿穩(wěn)定的第一步，也是制成的重要環(huán)節(jié)。
在確定了色漿的制成配方后還要正確的選擇分散設備和工藝。在制備前須將色漿的預混料充分地預分散，使其均勻混合，不出現(xiàn)大的附聚物，利于色漿的研磨分散。
分別分析研磨速率和研磨時間對平均粒徑的影響。研磨速率對平均粒徑的影響如圖1所示，由圖1可以看出隨著研磨速率的增加，被研磨的顏料粒徑逐漸減小。速率的增加使得研磨珠子與顏料的碰撞機會增多，那么研磨珠子對顏料粒子的剪切機率相應增大，從而使顏料粒子由大變?yōu)楦?，也就是平均粒徑變小?/span>
研磨時間對平均粒徑的影響如圖2所示，由圖2可以看出隨著研磨時間延長，顏料平均粒徑逐漸減小。但研磨時間超過四小時以后，隨著時間的延長，粒徑的變化已不再明顯。說明，不能一味使用加強研磨時間而使粒徑變小的目的。因為，顏料粒徑的變小還受到配方、研磨介質(zhì)和速率等多方面的制約。
通過圖1與圖2，可以看出，在配方已經(jīng)成熟的基礎上，相同的其它條件下，單純提高研磨速率和加大研磨時間的做法均是不可取的。另外，透過理論之外從生產(chǎn)成本上考慮，應選擇合適的研磨速率和研磨時間。至于研磨介質(zhì)珠子的大小以及用量，考慮到我們機器的良好性能和使用說明，在此不做研究與討論。
為了更好的理解本發(fā)明一種水性納米色漿及其制備方法的技術方案，下面進一步通過多個例子進行舉例說明。
實施例1
本實施例提供一種水性納米色漿，原料按重量份計的如下組分：去離子水：4份，pH調(diào)節(jié)劑：0.1份，顏料增效劑：2份，潤濕劑：18份，分散劑：28份，紫外線吸收劑：8份，消泡劑：0.2份，防腐劑：0.2份，保濕劑：4份，納米氧化鐵顏料45份，增稠劑：0.5份。
上述水性納米色漿的制備方法至少包括以下步驟：
步驟1、按照上述的原料配比稱取各組分；
步驟2、將去離子水、pH調(diào)節(jié)劑的60wt%、顏料增效劑、潤濕分散劑的70wt%、消泡劑、防腐劑、增稠劑的40wt%加入反應器中，以100-200rpm的速度攪拌，然后在800-1000rpm的轉速下加入納米顏料、紫外線吸收劑、保濕劑，攪拌25-30min，得到色漿前漿；
步驟3、將所述色漿前漿研磨2-4遍至合格細度，每次研磨完后逐步加入剩余下的pH調(diào)節(jié)劑至pH值合格、潤濕分散劑、增稠劑至粘度合格。
具體指標：細度為≤400nm，粘度為80-100KU（23±2℃），pH值為7.5-9.5。
實施例2
本實施例提供一種水性納米色漿，原料按重量份計的如下組分：去離子水：3份，pH調(diào)節(jié)劑：0.2份，顏料增效劑：4份，潤濕劑：28份，分散劑：17份，紫外線吸收劑：4份，消泡劑：0.5份，防腐劑：0.3份，保濕劑：10份，納米氧化鐵顏料40份，增稠劑：1.5份。
上述水性納米色漿的制備方法至少包括以下步驟：
步驟1、按照上述的原料配比稱取各組分；
步驟2、將去離子水、pH調(diào)節(jié)劑的60wt%、顏料增效劑、潤濕分散劑的70wt%、消泡劑、防腐劑、增稠劑的40wt%加入到反應器中，以100-200rpm的速度攪拌至均勻，然后在800-1000rpm的轉速下加入納米氧化鐵顏料、紫外線吸收劑、保濕劑，攪拌25-30min，得到色漿前漿，備用；
步驟3、將所述色漿前漿研磨2-4遍至合格細度，每次研磨完后逐步加入剩余下的pH調(diào)節(jié)劑至pH值合格、潤濕分散劑、增稠劑至粘度合格。
具體指標：細度為≤400nm，粘度為80-100KU（23±2℃），pH值為7.5-9.5。
實施例3
本實施例提供一種水性納米色漿，原料按重量份計的如下組分：去離子水：8份，pH調(diào)節(jié)劑：0.1份，顏料增效劑：24份，潤濕劑：19份，分散劑：19份，紫外線吸收劑：4份，消泡劑：0.2份，防腐劑：0.2份，保濕劑：5份，納米氧化鋅顏料8.5份，酞青藍40份，增稠劑：0.5份。
上述水性納米色漿的制備方法至少包括以下步驟：
步驟1、按照上述的原料配比稱取各組分；
步驟2、將去離子水、pH調(diào)節(jié)劑的60wt%、顏料增效劑、潤濕分散劑的70wt%、消泡劑、防腐劑、增稠劑的40wt%加入到反應器中，以100-200rpm的速度攪拌至均勻，然后在800-1000rpm的轉速下加入納米氧化鐵顏料、紫外線吸收劑、保濕劑，攪拌25-30min，得到色漿前漿，備用；
步驟3、將所述色漿前漿研磨2-4遍至合格細度，每次研磨完后逐步加入剩余下的pH調(diào)節(jié)劑至pH值合格、潤濕分散劑、增稠劑至粘度合格。
具體指標：細度為≤400nm，粘度為80-100KU（23±2℃），pH值為7.5-9.5。
以上所述僅為本發(fā)明的較佳實施例而已，并不用以限制本發(fā)明，凡在本發(fā)明的精神和原則之內(nèi)所作的任何修改、等同替換或改進等，均應包含在本發(fā)明的保護范圍之內(nèi)。
1.一種水性納米色漿，其特征在于：按重量份數(shù)計，由以下組份組成：去離子水：3-20份，pH調(diào)節(jié)劑：0.1-0.2份，顏料增效劑：2-4份，潤濕劑：18-28份，分散劑：18-28份，紫外線吸收劑：4-8份，消泡劑：0.2-0.5份，防腐劑：0.2-0.4份，保濕劑：4-10份，顏料45-65份，增稠劑：0.5-1.5份。
2.如權利要求1所述的水性納米色漿，其特征在于：所述顏料為聚集體含量低于2wt%的納米顏料。
3.如權利要求1所述的水性納米色漿，其特征在于：所述顏料為納米顏料和有機顏料的混合物，且所述有機顏料與所述納米顏料的質(zhì)量比為4-5:1。
4.如權利要求1-3任一項所述的水性納米色漿，其特征在于：所述納米顏料為納米氧化鐵、納米氧化鈦、納米氧化鋅、納米碳酸鈣、納米二氧化硅中的一種，且所述納米顏料的平均粒徑為200-400nm。
5.如權利要求3所述的水性納米色漿，其特征在于：所述有機顏料為偶氮顏料、多環(huán)顏料、酞菁顏料中的一種。
6.如權利要求1所述的水性納米色漿，其特征在于：所述潤濕劑為分子量低于12000的有機硅聚醚類，所述分散劑為聚醚改性硅氧烷類。
7.如權利要求1所述的水性納米色漿，其特征在于：所述紫外線吸收劑為氧化鈰納米顆粒和氧化鋅納米顆粒的混合物，且所述氧化鈰納米顆粒與氧化鋅納米顆粒的質(zhì)量比為（0.8-1.2）:（0.8-1.2）。
8.如權利要求1所述的水性納米色漿，其特征在于：所述pH調(diào)節(jié)劑為2-氨基-2-甲基-1-丙醇與丁基乙醇胺的一種或兩種。
9.如權利要求1所述的水性納米色漿，其特征在于：所述增稠劑為聚醚聚氨酯締合型。
10.一種水性納米色漿的制備方法，其特征在于：至少包括以下步驟：
步驟1、按照如權利要求1~9任一項所述水性納米色漿的原料配比稱取各組分；
步驟2、將去離子水、pH調(diào)節(jié)劑的60wt%、顏料增效劑、潤濕分散劑的70wt%、消泡劑、防腐劑、增稠劑的40wt%加入反應器中，以100-200rpm的速度攪拌，然后在800-1000rpm的轉速下加入納米顏料、紫外線吸收劑、保濕劑，攪拌25-30min，得到色漿前漿；
步驟3、根據(jù)不同產(chǎn)品要求，將所述色漿前漿研磨至合格細度，研磨后加入潤濕分散劑，最后加入剩余的pH調(diào)節(jié)劑、剩余的增稠劑，至合格的pH值和粘度。
