水性涂料制造技术

公开了水性保护涂料系统，其包括至少一种粘合剂、水和二维材料/石墨纳米薄片分散体。水和二维材料/石墨纳米薄片分散体。水和二维材料/石墨纳米薄片分散体。

【技术实现步骤摘要】
【国外来华专利技术】水性涂料


[0001]本专利技术涉及水性涂料系统，特别是包含二维材料/石墨纳米薄片的水性涂料系统。

技术介绍

[0002]本文中所提及的二维材料由一种或多种已知的二维材料和/或具有至少一个纳米尺度维度的石墨小薄片，或其混合物组成。在本文中将它们统称为“二维材料/石墨纳米薄片”或“二维材料/石墨纳米片”。
[0003]二维材料(有时称为单层材料)是由单层或上至多层原子组成的晶体材料。层状的二维材料由二维层组成，二维层弱叠加或结合形成三维结构。二维材料纳米片拥有纳米尺度以内或更小的厚度，而它们的其他两个维度通常具有比纳米尺度更大的尺度。
[0004]已知的二维纳米材料，包括但不限于石墨烯(C)、氧化石墨烯、还原氧化石墨烯、六方氮化硼(hBN)、二硫化钼(MoS2)、二硒化钨(WSe2)、硅烯(Si)、锗烯(Ge)、石墨炔(C)、硼烯(B)、磷烯(P)，或上述材料中两种的二维垂直或平面内异质结构。
[0005]具有至少一个纳米尺度维度的石墨小薄片包括10
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40层碳原子，并且具有介于100nm至100μm的横向维度。
[0006]自从新法规出台以设法解决挥发性有机化合物(VOCs)对空气质量、环境和人类健康的影响以来，水性涂料系统已成为了涂料技术发展的核心。利用一系列化学物质开发了多种水性涂料系统以寻求可以达到与那些包含一种或多种VOCs作为涂料系统溶剂的传统涂料系统(以下简称为“有机溶剂型涂料系统”)相媲美的性能水平。
[0007]水性涂料系统比有机溶剂型涂料系统更有优势，因为它们更有利于工人的健康和安全，且对环境的影响更小。水性涂料系统易于清洁，可以用水稀释，而且如果它们包括任何有机溶剂，也是使用比有机溶剂型涂料系统中所使用的更低气味、毒性和可燃性的溶剂。水性涂料系统，如低VOC丙烯酸涂料，也比有机溶剂型涂料干得更快，使得复涂的时间更快。
[0008]由于设法解决VOCs对空气质量影响的法规的引入，水性涂料系统的一种特殊形式，水性保护涂料系统的重要性日益增加。
[0009]无论是水性还是有机溶剂型的保护涂料系统，都有以下两个关键的功能：针对普遍的元素/环境提供保护，以及提供具有美感的外观。针对普遍元素/环境的保护，至少在一定程度上，是对涂料所施加的基材防腐蚀或防剥蚀的保护。涂料防腐蚀或防剥蚀的机制取决于基材。最重要的基材类型有金属、混凝土和木材/木材复合材料。
[0010]金属腐蚀的问题是有据可查的，据估计金属腐蚀造成的损失约占全球GDP的3％，这构成全球经济的重要方面。开发新的和改良的防腐涂料系统有很大的实际意义。金属防腐涂料系统一般按照其作用机制分为：屏障保护、抑制(基材钝化)，和牺牲性保护(电化学反应)。每种金属防腐涂料系统的工作机理是众所周知的。对于提供屏障保护的涂料系统，其机理是一旦涂料系统被施加和干燥后，形成的涂层或涂膜阻止或抑制水通过涂层到达基材表面。
[0011]混凝土是广泛应用于基础设施建设的建筑材料(例如在桥梁、建筑和公路中)，由
于暴露在元素/环境中其会受到稳定的剥蚀，因此对混凝土有重要和持续的维护需要。
[0012]由于暴露在干湿、冻融和极端温度变化下，混凝土结构在全球范围内遭受不同形式的破坏。这些暴露可能导致混凝土遭受损伤，如表面结垢、剥落和腐蚀导致的开裂。如果水渗入混凝土表面，对混凝土的破坏通常比没有水渗入混凝土表面更大。如果混凝土所处的环境中包含氯离子和/或硫酸盐离子，对混凝土的损害通常也比这些离子不存在时更大。氯离子和/或硫酸盐离子通常源自防冰盐或除冰盐、海水和/或土壤。
[0013]为了防止这种损坏或恶化，通常规定混凝土结构应该施加有色的涂料以试图防止水和水中携带的物质进入混凝土结构。这种涂料可能包括光滑和有纹理的饰面，且技术范围从溶剂型涂料(包含基于环氧树脂、丙烯酸树脂和甲苯乙烯树脂、迈克尔加成树脂的涂料)到水性涂料(包含基于丙烯酸树脂、环氧树脂、环氧酯、醇酸树脂、迈克尔加成树脂及其混合物的涂料)。
[0014]在混凝土表层施加保护涂料系统可以通过阻止水和水中含有的害物质如氯离子和/或硫酸盐离子和/或除冰化学品进入混凝土来保护混凝土表层。
[0015]木材作为一种传统的建筑材料，再次越来越多地被视为一种受关注的建筑材料，且第一座以木材为基础的摩天大楼已经建成。更广泛的影响是木材在家庭建筑中的广泛使用，特别是在北美和亚洲。除非保护木材避免其暴露于元素/环境中，否则其很容易吸收水分并因此而腐烂。如果发生这种情况，需要采取重要的补救措施来维护结构。
[0016]与水性涂料系统，特别是水性保护涂料系统相关的挑战是一旦涂料被施加，其施加条件会影响最终涂层的外观和性能。例如，为了最佳的施加外观和涂膜形成，必须避免低温和/或极端的湿度(高或低)。
[0017]对于具有屏障特性的水性保护涂料系统，一旦涂料系统被施加到基材上并干燥，水性涂料提供理想屏障特性的能力至少部分取决于所形成涂层或涂膜的质量。
[0018]影响涂膜质量的第一个因素是当涂料系统准备施加到基材时其粘合剂的性质：各种化学物质可被使用，可以包含醇酸树脂乳化液，其是用不饱和干性油改性的聚酯。实际应用中它们可以通过催化氧化反应进行交联。可使用丙烯酸分散体，通常是丙烯酸酯和甲基丙烯酸酯的共聚物。这些可能是热塑性或交联系统。当需要高水平性能时，经常使用双组分交联系统(在此系统中固化剂与涂料系统其他组分在施加涂料之前立刻混合)。典型的双组分交联系统可将异氰酸酯和羟基官能丙烯酸树脂结合。单组分丙烯酸交联系统(在此系统中涂料不需要添加额外的固化剂)也已经开发出来，例如利用酮
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酰肼交联反应的系统。水性环氧涂料(类型1和类型2)是众所周知的用于底漆和直接施加于金属的高性能水性化学品。在个别应用中对这些化学物质的混合使用也用于提供优化的性能。
[0019]影响涂膜质量的第二个因素是当涂料系统干燥时涂膜形成的有效性。涂料系统的涂膜形成过程可用包括三个连续阶段的机制来描述，该过程中粘合剂包括分散在水中的聚合物：
[0020](i)粘合剂(例如聚合物)颗粒的浓度通过蒸发分散在涂料系统中，
[0021](ii)粘合剂(例如聚合物)颗粒的变形和颗粒之间的不可逆接触，和
[0022](iii)粘合剂(例如聚合物)跨越颗粒边界的相互扩散导致连续和机械稳定涂膜的形成。
[0023]当涂料系统被施加到基材上时，分散的聚合物颗粒被一层在制造过程中对其稳定
性和最终形态至关重要的表面活性剂包围。图1说明了涂膜形成的不同阶段。更详细地：
[0024]阶段(i)的特征是水随时间不断流失。颗粒的浓度不断增加，取决于颗粒稳定的性质和强度以及浆液的离子强度，分散的颗粒紧密接触并以或多或少有序的方式堆积。单分散球体最紧密的堆积，其有效颗粒体积分数为0.74。有效颗粒体积取决于每个颗粒上所包裹的亲水表面活性剂层的厚度。
[0025]阶段(ii)开始于未变形聚合物颗粒的第一次接触。此时，只有本文档来自技高网...

【技术保护点】

【技术特征摘要】
【国外来华专利技术】1.水性保护涂料系统，其包括至少一种粘合剂、水和二维材料/石墨纳米薄片分散体。2.根据权利要求1中所述的水性保护涂料系统，其中，所述二维材料/石墨薄片包括石墨烯纳米薄片、石墨纳米薄片、和二维材料纳米薄片中的一种或多种，其中所述石墨烯纳米薄片包括以下中的一种或多种：石墨烯纳米片、纳米片、还原氧化石墨烯纳米片、双层石墨烯纳米片、双层还原氧化石墨烯纳米片、三层石墨烯纳米片、三层还原氧化石墨烯纳米片、少层石墨烯纳米片、少层氧化石墨烯纳米片、少层还原氧化石墨烯纳米片、和6
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10层碳原子的石墨烯纳米片，以及石墨薄片包括具有至少10层碳原子的石墨小薄片，所述石墨纳米薄片包括具有10
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20层碳原子的石墨纳米片、具有10
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14层碳原子的石墨纳米片、具有10
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35层碳原子的石墨纳米片、具有10
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40层碳原子的石墨纳米片、具有25
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30层碳原子的石墨纳米片、具有25
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35层碳原子的石墨纳米片、具有20
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35层碳原子的石墨纳米片、或具有20
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40层碳原子的石墨纳米片中的一种或多种，和所述二维材料薄片包括以下中的一种或多种：六方氮化硼(hBN)、二硫化钼(MoS2)、二硒化钨(WSe2)、硅烯(Si)、锗烯(Ge)、石墨炔(C)、硼烯(B)、磷烯(P)、或者两种或多种上述材料的二维平面内或垂直异质结构。3.根据权利要求1或2所述的水性的保护涂料系统，其中，所述二维材料/石墨薄片包括至少一种一维材料。4.根据权利要求1
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3中任一项所述的水性保护涂料系统，其中，所述涂料系统进一步包括添加剂，所述添加剂包括以下中的一种或以下中两种或多种的混合物：用于在水中研磨无机和有机颜料的分散添加剂、消泡剂、颜料、流变改性剂、树脂或粘合剂、流平剂、基材润湿剂、流动助剂、防结皮助剂、或防闪锈剂。5.根据权利要求1
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4中任一项所述的水性保护涂料系统，其中，所述二维材料/石墨纳米薄片分散体包括二维材料/石墨纳米薄片、水、至少一种润湿剂、和至少一种研磨介质。6.根据权利要求5中任一项所述的水性保护涂料系统，其中，所述至少一种研磨介质是水溶性或功能化为水溶性的。7.根据权利要求5或6中任一项所述的水性保护涂料系统，其中，所述至少一种润湿剂包括聚合物润湿剂、离子润湿剂、聚合物非离子分散润湿剂、阳离子润湿剂、两性润湿剂、双子润湿剂、高分子类树脂润湿分散剂中的一种，或者这些润湿剂中两种或多种的混合物。8.根据权利要求1
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7中任一项所述的水性保护涂料系统，其中，所述至少一种粘合剂包括丙烯酸树脂、醇酸树脂、丙烯酸
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醇酸混合树脂、环氧树脂、聚酯树脂、乙烯基酯树脂、聚氨酯树脂、氨基塑料树脂、尿烷树脂、聚酰胺树脂中的一种，或两种或多种上述树脂的混合物。9.根据权利要求1
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7中任一项所述的水性保护涂料系统，其中，所述至少一种粘合剂包括丙烯酸
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醇酸混合树脂。10.根据...

【专利技术属性】
技术研发人员：W，
申请(专利权)人：应用石墨烯材料英国有限公司，
类型：发明
国别省市：