含改性石墨烯的高光泽丙烯颜料用乳液及其制备方法与流程

本发明涉及一种颜料用乳液，具体涉及一种含改性石墨烯的高光泽丙烯颜料用乳液及其制备方法。

背景技术：

丙烯颜料是一种人工合成的聚合颜料，其具有其他美术颜料无法比拟的优良性能，能在各种载体上绘画，效果出众，因此自20世纪50年代问世以来，获得了众多绘画者的青睐。尤其在欧美国家，丙烯颜料已经成为画家的首选颜料，正逐步取代传统的油画、水彩、水粉。丙烯颜料可以像油画一样厚涂堆塑，也可以像水彩一样极度稀释，并保持鲜艳的色彩，能广泛的应用并替换其他传统的颜料。

近年来，随着绘画产业的发展，人们对绘画用颜料的要求也越来越高，对抗静电性能、耐老化性、附着力、抗龟裂性、光泽度提出了更高的要求。为此，需要开发具有高附着力、耐热性和均匀性、稳定性优异，且光泽度高的丙烯颜料，以支撑绘画产业的未来发展。

石墨烯被研究者们定义为一个平面单层碳原子紧密堆积成二维(2d)蜂窝晶格，因其在许多不同领域中具备潜在的应用，近年来吸引了人们极大的兴趣。其中一个最简单的途径就是利用石墨烯的显著性能，将其直接添加到复合材料中，但是将其直接添加到复合材料中，存在分散性不均匀，导电性不均一等缺点。

技术实现要素：

本发明的目的是提供一种含改性石墨烯的高光泽丙烯颜料用乳液及其制备方法。

本发明是通过以下技术方案予以实现的：

一种含改性石墨烯的高光泽丙烯颜料用乳液，该颜料用乳液的制备方法包括以下步骤：

1)取石墨烯浆料置于容器中并加入蒸馏水中，超声粉碎0.5-1h，加入油酸，在80℃水浴中加热50min-1h后降温至30℃，再加入十二烷基硫酸钠，恒温反应1-2h，待冷却至常温后用离心机分离出沉淀，真空干燥得到油酸-十二烷基硫酸钠改性石墨烯(简称oa-sds-ge)；石墨烯浆料、油酸和十二烷基硫酸钠的质量比为1-2:8:4；

2)将质量比为35-37：39-41：5-7：49-51的甲基丙烯酸甲酯(mma)、丙烯酸丁酯(ba)、丙烯酸(aa)和蒸馏水混合均匀得到混合液a；将质量比为0.6-0.8：0.6-0.8：2.4-2.6：11-13：7-8的过硫酸铵(aps)、n-羟甲基丙烯酰胺(n-mam)、tween80磺基琥珀酸二钠、烷基酚聚氧乙烯醚(op-10)和脂肪醇聚氧乙烯醚磺基琥珀酸单酯二钠加入到蒸馏水进行混合，待溶液清澈后将其与混合液a两者混在一起并进行搅拌，得到混合液ⅰ；

将质量比为71-73：13-14：13-14：100的甲基丙烯酸甲酯(mma)、丙烯酸丁酯(ba)、丙烯酸(aa)和蒸馏水进行混合均匀得到混合液b；将质量比为2.2-2.3：1.8-1.9：4：9-10：7-8的过硫酸铵(aps)、n-羟甲基丙烯酰胺(n-mam)、tween80磺基琥珀酸二钠、烷基酚聚氧乙烯醚(op-10)和脂肪醇聚氧乙烯醚磺基琥珀酸单酯二钠加入到蒸馏水进行混合，待溶液清澈后将其与混合液b两者混在一起并进行搅拌，转入滴液漏斗中，得到混合液ⅱ；

4)将步骤2)得到的混合液ⅰ均匀搅拌后水浴加热至84℃，待出现蓝光30min后开始滴加步骤2)得到的混合液ⅱ，均匀滴加完，取步骤1)所制备的油酸-十二烷基硫酸钠改性石墨烯(oa-sds-ge)进行超声分散0.5-1h，然后置于滴液漏斗中，在30min内滴加完毕，继续恒温反应1.5-2h，然后冷却至室温，过滤，得到的滤液为含改性石墨烯的高光泽丙烯颜料用乳液。

步骤1)中石墨烯的制备采用茶多酚来还原氧化石墨烯go的方法，包括以下步骤：加入新购茶多酚和水，然后加入氧化石墨烯，茶多酚和氧化石墨烯的质量比为3-4：1，通n2的条件下在60％功率超声条件下反应1h，超声后在90-94℃水浴2-3h。

现有技术中用水合肼等还原氧化石墨烯具有一定的毒性或危险性，本发明采用茶多酚(tps)作为一种环境友好的、高效的氧化石墨烯(go)的还原剂和稳定剂，更加环保。

其中氧化石墨烯的制备参考文献(hummerws,offemanre.preparationofgraphiticoxide[j].journaloftheamericanchemicalsociety,1958,80(6):1339-1339.)的改进hummer法进行。

步骤1)改性的反应机理为油酸中的-cooh与石墨烯表面中的-oh进行化学键合作用。

tween80磺基琥珀酸二钠和脂肪醇聚氧乙烯醚磺基琥珀酸单酯二钠的制备方法参考文献张建雨，吴琼华.阴-非离子松香乳化剂的制备和应用[j].广东化工，2010，37(1)：27-29制备。

本发明的有益效果如下：

本发明得到的含改性石墨烯的高光泽丙烯颜料用乳液由于油酸-十二烷基硫酸钠改性的石墨烯与聚合物乳液微球产生化学键合作用，形成分散性均匀，导电性均一的导电通路，解决了常规使用的石墨烯直接添加的方法导致分散性差，导电性不均一等缺点，且产品耐热性、稳定性优异，热性能相比没有添加改性石墨烯的纯丙乳液提高50℃，且光泽度高，达80.6以上。

附图说明：

图1是本发明的石墨烯的红外光谱图；

图2是本发明的石墨烯的透射电镜(tem)图；

图3是实施例1中的油酸-十二烷基硫酸钠改性石墨烯(简称oa-sds-ge)的红外光谱图；

图4是实施例1中的油酸-十二烷基硫酸钠改性石墨烯(简称oa-sds-ge)的透射电镜(tem)图；

图5是本发明的实施例1得到的含改性石墨烯的高光泽丙烯颜料用乳液的红外光谱图；

图6是本发明的实施例1得到的含改性石墨烯的高光泽丙烯颜料用乳液的透射电镜(tem)图；其中，e)0.2nm；f)1um；

图7是本发明的实施例1得到的含改性石墨烯的高光泽丙烯颜料用乳液的pcs图；

图8是本发明对比例1和实施例1得到的聚合物乳液的tg图；其中a、对比例1，b、实施例1。

图9是本发明的对比例1得到的高光泽丙烯颜料用乳液的红外光谱图；

图10本发明的对比例1得到的高光泽丙烯颜料用乳液的透射电镜(tem)，其中，a)100nm；b)0.2um；

图11是本发明的对比例1得到的高光泽丙烯颜料用乳液的pcs图。

具体实施方式：

以下是对本发明的进一步说明，而不是对本发明的限制。

tween80磺基琥珀酸二钠和脂肪醇聚氧乙烯醚磺基琥珀酸单酯二钠的制备方法参考文献(张建雨，吴琼华.阴-非离子松香乳化剂的制备和应用[j].广东化工，2010，37(1)：27-29.)制备。

茶多酚(质量分数为99.5％)购自河南安锐生物科技有限公司。

其它试剂甲基丙烯酸甲酯(mma)、丙烯酸丁酯(ba)、丙烯酸(aa)、油酸(oa)、过硫酸铵(aps)、十二烷基硫酸钠(sds)、n-羟甲基丙烯酰胺(n-mam)、双丙酮丙烯酰胺均为分析纯。

仪器测试设备及表征方法：

粘度采用上海精晖科学仪器有限公司(中国)ndj-79型旋转式粘度计测定；ph值采用上海越平科学仪器有限公司phs-3c型pj计测定；密度采用上海越平科学仪器有限公司ja2003型电子密度天平测定；光泽度采用天津永利达实验室设备有限公司jwg-60型光泽度仪测定；乳液稳定性采用上海安亭科学仪器厂tdl-80-2b台式离心机测定；ftir采用thermofisherscientific(美国)nicoletis50型傅立叶红外光谱仪kbr压片法和膜反射法测定；粒径及分布采用英国malvern公司autosizeloc-fc-963型激光光散射粒度仪来测定，测定方法为：用蒸馏水将聚合物乳液稀释到泛微蓝光，超声分散20min，在室温25℃时进行光散射扫描测试，每个样品测试两次。tem采用美国fei公司tecnaig20型透射电子显微镜观察来测定，测定方法为：用蒸馏水将聚合物乳液稀释到泛微蓝光，超声分散20min，移液枪滴至铜网，室温25℃干燥，取不同倍数观察乳胶粒子的大小及形态。sem采用日本电子株式会社jsm-6510lv型扫描电子显微镜来测定，测定方法为：将聚合物透析24h以除去杂质，用蒸馏水稀释后置于硅片上室温25℃烘干，取不同倍数观察乳胶粒子的大小及形态。表面电阻率采用西安胜利仪器有限公司victor385手提式表面电仪来测定，样品厚度为15-20mm。

实施例1：

石墨烯的制备采用茶多酚来还原氧化石墨烯(go)的方法，包括以下步骤：加入0.15g新购茶多酚和120毫升蒸馏水，然后加入0.05克氧化石墨烯，通n2的条件下在60％功率超声条件下反应1h，超声后在94℃水浴2-3h得到石墨烯浆料(其红外光谱图如图1，透射电镜(tem)图如图2)。

其中氧化石墨烯的制备参考文献(hummerws,offemanre.preparationofgraphiticoxide[j].journaloftheamericanchemicalsociety,1958,80(6):1339-1339.)的改进hummer法进行。

取0.5g石墨烯浆料置于烧杯中并加入蒸馏水中，超声粉碎0.5-1h，加入4g油酸，在80℃水浴中加热1h，后降温至30℃，再加入2g十二烷基硫酸钠，恒温反应2h，待冷却至常温后用离心机分离出沉淀，真空干燥得到油酸-十二烷基硫酸钠改性石墨烯(简称oa-sds-ge)。油酸-十二烷基硫酸钠改性石墨烯(简称oa-sds-ge)其红外谱图如图3所示；其透射电镜(tem)如图4所示.

将36g甲基丙烯酸甲酯(mma)、40g丙烯酸丁酯(ba)、6g丙烯酸(aa)和50g蒸馏水混合均匀得到混合液a；将0.7g过硫酸铵aps、0.7gn-羟甲基丙烯酰胺(n-mam)、2.5gtween80磺基琥珀酸二钠、12g烷基酚聚氧乙烯醚(op-10)和7.8g脂肪醇聚氧乙烯醚磺基琥珀酸单酯二钠加入到64g蒸馏水进行混合，待溶液清澈后将其与混合液a两者混在一起置入1000ml四口烧瓶中并进行搅拌，速度为300转/分，得到混合液ⅰ；

将72g甲基丙烯酸甲酯(mma)、14g丙烯酸丁酯(ba)、14g丙烯酸(aa)和100g蒸馏水进行混合均匀得到混合液b；将2.3g过硫酸铵(aps)、1.8gn-羟甲基丙烯酰胺(n-mam)、4.0gtween80磺基琥珀酸二钠、10g烷基酚聚氧乙烯醚(op-10)和7.8g脂肪醇聚氧乙烯醚磺基琥珀酸单酯二钠加入到114g蒸馏水进行混合，待溶液清澈后将其与混合液b两者混在一起置入1000ml烧瓶中并进行搅拌，速度为300转/分，30min后转入滴液漏斗中，得到混合液ⅱ；

将混合液ⅰ均匀搅拌后水浴加热至84℃，待出现蓝光30min后开始滴加混合液ⅱ，在2h内均匀滴加完，取油酸-十二烷基硫酸钠改性石墨烯(oa-sds-ge)进行超声分散0.5h，然后置于100ml滴液漏斗中，在30min内滴加完毕，继续恒温反应1.5h，然后冷却至室温，过滤，得到的滤液为含改性石墨烯的高光泽丙烯颜料用乳液。其红外谱图如图5所示，其透射电镜(tem)如图6所示，其pcs图如图7，其tg图如图8。

对比例1：

参考实施例1，区别在于没有加入油酸-十二烷基硫酸钠改性石墨烯(oa-sds-ge)。

将36g甲基丙烯酸甲酯(mma)、40g丙烯酸丁酯(ba)、6g丙烯酸(aa)和50g蒸馏水混合均匀得到混合液a；将0.7g过硫酸铵(aps)、0.7gn-羟甲基丙烯酰胺(n-mam)、2.5gtween80磺基琥珀酸二钠、12g烷基酚聚氧乙烯醚(op-10)和7.8g脂肪醇聚氧乙烯醚磺基琥珀酸单酯二钠加入到64g蒸馏水进行混合，待溶液清澈后将其与混合液a两者混在一起置入1000ml四口烧瓶中并进行搅拌，速度为300转/分，得到混合液ⅰ；

将72g甲基丙烯酸甲酯(mma)、14g丙烯酸丁酯(ba)、14g丙烯酸(aa)和100g蒸馏水进行混合均匀得到混合液b；将2.3g过硫酸铵(aps)、1.8gn-羟甲基丙烯酰胺(n-mam)、4.0gtween80磺基琥珀酸二钠、10g烷基酚聚氧乙烯醚(op-10)和7.8g脂肪醇聚氧乙烯醚磺基琥珀酸单酯二钠加入到114g蒸馏水进行混合，待溶液清澈后将其与混合液b两者混在一起置入1000ml烧瓶中并进行搅拌，速度为300转/分，30min后转入滴液漏斗中，得到混合液ⅱ；

5)将混合液ⅰ均匀搅拌后水浴加热至84℃，待出现蓝光30min后开始滴加滴加液ⅱ，滴加液在2h内滴完，滴加完毕后恒温反应2h，待温度冷却至室温，过滤，滤液为高光泽丙烯颜料用乳液，不含有油酸-十二烷基硫酸钠改性石墨烯。其红外谱图如图9所示，其透射电镜(tem)如图10所示，乳液具有规整的球形结构，且粒径分布相对均一，粒径绝大多数在85-105nm之间，tem图中微球粒径相对于粒径测试pcs测得粒径而言较小。其pcs图如图11，其tg图如图8。

结果分析：

ge的红外谱图(图1)在3400cm^-1、1630cm^-1和1030cm^-1三处分别出现羟基(-oh)、羧基(c＝o)和环氧基(c-o)的特征吸收峰，ge在3400cm^-1和1630cm^-1两处特征峰较go明显减弱，同时，其1720cm^-1附近的-cooh的峰则消失。

oa-sds-ge的红外谱图(图3)中，在3400cm^-1处羟基(-oh)明显弱化，近似消失，证明油酸中的-cooh与石墨烯中的-oh发生了化学键合反应，且比较完全。1630cm^-1处出现石墨烯中羧基(c＝c)的特征吸收峰。在2930cm^-1、2850cm^-1出现了尖锐的特征吸收峰，则分别代表油酸中-ch2-和-ch3的特征谱带，1460cm^-1为油酸中-ch＝ch-特征谱带，说明油酸的改性作用并没有改变其烯烃键，这样油酸包裹在石墨烯外面时仍然可弯曲；1710cm^-1附近的-cooh的峰重新出现且比图谱a和b更尖锐，归因于油酸中的-cooh基团^[37]；进一步证明了油酸成功包裹在石墨烯的外层，且发生了化学键合作用，达到了预期目的。

这些再次证明上述石墨烯的改性还原如预期一致，且在还原后仍有少量含氧官能团(主要是羟基)存在。

对比例1乳液其红外谱图如图9所示，3419cm^-1处峰型比较尖锐，为仲胺中n-h和羧基中oh键的伸缩振动吸收峰，2921cm^-1、2848cm^-1处为共聚物中ch2、ch的伸缩振动吸收峰，1745cm^-1处为酯基中c＝o的伸缩振动吸收峰，1164cm^-1处为酯基的特征吸收峰。

实施例1得到的含改性石墨烯的高光泽丙烯颜料用乳液的红外光谱图如图5所示，在3400cm^-1处出现宽强的吸收峰，ge中含-oh官能团与乳液中-oh键有部分重合，但与红外谱图9相比峰形有所钝化，2958cm^-1、2875cm^-1处为共聚物中ch2、ch的伸缩振动吸收峰，1732cm^-1处为酯基中c＝o的伸缩振动吸收峰，乳液与石墨烯中的羰基或者羧基中的c＝o伸缩振动峰进行部分重合并产生了偏移，1167cm^-1处为酯基的特征吸收峰。

以上红外分析可以表明，各单体参与聚合，聚合程度较高，油酸-十二烷基硫酸钠改性的石墨烯也成功参与到聚合物乳液合成中去。

ge的的透射电镜(tem)图如图2所示，从图可以看出，石墨烯形貌呈卷曲的片状，且出现的较多褶皱起伏的片层结构，这样是为了减少体系的自由能。图4是实施例1中的油酸-十二烷基硫酸钠改性石墨烯(简称oa-sds-ge)的透射电镜(tem)图，从图可以清晰的看出，油酸成功包裹在石墨烯的外层，且发生了化学键合作用，与红外光谱中的结果保持一致。

本发明的对比例1得到的高光泽丙烯颜料用乳液的透射电镜图如图10所示，纯的聚丙烯酸酸酯乳液具有规整的球形结构，且粒径分布相对均一，粒径绝大多数在85-105nm之间。

本发明的实施例1得到的含改性石墨烯的高光泽丙烯颜料用乳液的透射电镜(tem)图如图6所示，油酸-十二烷基硫酸钠改性的石墨烯分布在聚合物乳液微球外围，且产生石墨烯之间存在一定的化学连接作用，但是这种连接时无序的，导电性测试结果也侧面验证了这一结论；同时，发现，石墨烯的加入都会对乳液聚合产生了影响，微球之间更加靠近。

粒径测试(pcs)：通过pcs分析仪测试得到了对比例1聚合物乳液和实施例1聚合物乳液的粒子大小及其分布，可以得出，两者的平均粒径dh分别是150.0nm，126.2nm，分子量分布指数pdi分别为0.057、0.030，分子量都相对均一。实施例1聚合物乳液的粒径显著变小，可能原因是石墨烯的加入影响乳液微球的形成，使得微球之间“靠近”，这与tem的结果较为吻合。

热重分析仪tga用来评价聚合物材料的热稳定性，衡量的指标主要是td5％和td10％。由图8得知对比例1的聚合物乳液的td5％为253.8℃，td10％为310.2℃；实施例1的油酸-十二烷基硫酸钠改性石墨烯/聚合物乳液的td5％为338.2℃，td10％为360.3℃；分析结果得知，实施例1的油酸-十二烷基硫酸钠改性石墨烯/聚合物乳液比对应的对比例1的纯丙乳液的耐热性提高了近50℃。

实施例1和对比例1得到的乳液进行表征和测试，性能基础指标见表1。

表1聚合物乳液的基础性能

由表1可知，本发明乳液稳定性好而且光泽度高，乳液成膜后样品则具备一定导电性。