专利名称：涂料与涂层的形成方法
技术领域：
本发明涉及一种水性低红外线发射率涂料，更具体地，本发明涉及所述涂料的组成、形成方法与应用。
背景技术：
目前，国内外市售的水性低红外线发射率涂料虽然具备低红外线发射率，却因为工艺及材料的关系，环保性远远比不上其它环保低碳涂料。目前市售的低红外线发射率涂料以油性涂料为主流，其溶剂为甲苯，且挥发性有机化合物(VOC)浓度远高于660g/L。目前为止，只有美国SOLEC公司开发出具有水性基的低红外线放射涂料L0/MIT-1I，其挥发性有机化合物(VOC)浓度约为170g/L，但仍旧无法符合低VOC环保涂料的需求。目前推动零VOC涂料( lg/L)或低VOC涂料(< 30g/L)在低红外线发射率涂料领域还是难以实现。主要原因是涂料在水性化后，其金属填料易遭严重氧化，也会在水溶液中发气而造成涂料起泡。所以市售产品以油性涂料为主。为了发展水性低红外线发射率涂料，业界开发出防水金属填料，例如在金属填料表面涂布改质有机或无机薄层。根据实验测试结果，其防水发气性有其局限，同时还会牺牲金属填料的反射能力，使涂层发射率偏高。另一种作法是开发防水性黏结剂，例如水性娃乳液(silica emulsion),此种水性黏结剂使用油性娃高分子单体先包覆金属填料使其红外透明，且可避免后续起泡，接着加酸使油性高分子转成亲水性或乳化成半油半水溶液，成为水性涂料。虽然产品是水性树脂，但来源仍是油性单体，其VOC还是很闻。综上所述，目前亟需一种新的红外透明水性树脂搭配金属填料，以同时达到不发气、高反射、和低VOC的要求。
发明内容
本发明一实施例提供一种涂料，包括:70重量份至50重量份的水性黏结剂；30至50重量份的高漂浮金属填料；以及100重量份至250重量份的水。本发明一实施例提供一种涂层的形成方法，包括:混合50重量份至70重量份的水性黏结剂与100重量份至250重量份的水，形成第一涂料；将30至50重量份的高漂浮金属填料加入第一涂料后搅拌混合，形成第二涂料；将第二涂料涂布于基材上；以及去除第二涂料中的水，以形成涂层。
图1-2是本发明一实施例中涂层的示意图。
具体实施例方式本发明的低放红线发射率涂料是一种降低红外热辐射损失，达到节能效果的环保产品。此涂料可用于各种加热容器如锅炉或保温杯的表面，以降低辐射热损失，或者运用于汽车及建筑节能等场合。热源温度越高，可减少的福射热就越明显。首先，涂料需为环保节能涂料且具备低环境污染性(低V0C)。除了节能减排外，还可将温室气体CO2转换成新材料，常见方式是以碳捕获的CO2为原料制成聚碳酸酯二元醇(APC)开发出非异氢酸酯聚氨酯NIPU)。此种脂肪族聚碳酸酯APC-PU具有良好低温柔顺性、抗氧化性和生物降解性，比起传统PU具有无毒、良好抗湿敏性、耐水解、耐化学性及抗渗透性。添加聚碳酸酯多元醇到PU上，还具有透明性、优良的机械强度和耐UV功能，有助于涂料应用到绿色建筑上。利用此种NIPU合成的聚氨酯分散体(PUD)接枝上述环保聚碳酸酯二元醇，即形成聚碳酸酯-聚氨酯(PC-PU)水性树脂，可作为本发明涂料的水性黏结剂的主要组成。上述PC-PU共聚物可为市售商品，如购自Bayer的PUD (BAYHYDROL XP2546)。此外，亦可参考 Vanesa Garcia-Pacios 或 Xia Jiang 的文章(Progress in Organic Coatings
71(2011) 136-146，European Polymer Journal 43 (2007) 1838-1846)，制备水性的PC-PU共聚物。在本发明一实施例中，PC-PU共聚物为线型嵌段共聚物，而非交联的网状共聚物，减少高度的不饱和官能基产生强烈红外吸收峰，以避免红外波段范围有强烈吸收基团。上述PC-PU共聚物的重量平均分子量约介于50000至200000之间。若PC-PU共聚物的重量平均分子量过高，则物理特性变差。若共聚物PC-PU的重量平均分子量过低，则膜附着性变差。此外，PC-PU共聚物中，PC链段(软链段)的OH基与PU链段(硬链段)的NCO基的摩尔比约介于1: 0.9至1: 1.1之间。若PC链段的比例过高，则涂层机械性变差。若PC链段的比例过低，则降低吸水率能力变差容易起泡。除了上述环保、防水及减少金属填料发气等优点外，水性黏结剂的主要组成如PC-PU共聚物还具备高红外透明度(或红外低吸收)。由于PC-PU共聚物在IllOcm-1波段并没有-C-0-键的特征峰，所以红外透明度较好。举例来说，PC-PU共聚物在2.5 25 ii m红外区段的透明度约在90%以上。在本发明一实施例中，进一步采用纳米粒径(Inm至IOOnm之间)的PC-PU共聚物，其红外区段的透明度可高达95%，远高于传统I3U树脂的50 60%。在此必需说明的是，低红外线 放射涂料的发射率(a)(亦为吸收率(e))如式I所示:a = e = 1-R-T (式 I)在式I中，R为涂料中金属填料的反射率，而T为涂料中黏结剂的穿透率。可以理解的是，当热源的红外线照射涂料时被黏结剂吸收而非穿透过去，则辐射热能将累积于涂料中。如此一来，在涂料温度提高后，将会朝另一方向辐射出红外线(即热能)。另一方面，若金属填料的红外线反射率不佳，热能亦会累积于涂料中。换言之，涂料的发射率(a)与吸收率(e )越低越好，最理想的状况是热源的红外线直接穿过涂料中的黏结剂后，被金属填料反射回热源，而不会累积于涂料中。在本发明一实施例中，水性黏结剂除了上述的PC-PU共聚物以外，还可包含其它添加剂如润湿剂、消泡剂、和/或流平剂。PC-PU共聚物和这些添加剂的重量比约介于95: 5 至 90: 10 之间。在本发明一实施例中，取70重量份至50重量份的水性黏结剂与100重量份至250重量份水混合后，再加入30重量份至50重量份的高漂浮金属填料。在此必需说明的是，水的用量是水性黏结剂与高漂浮金属填料总重的I至2.5倍，即水性黏结剂与高漂浮金属填料的总重为100重量份。若水性黏结剂的用量过高(即高漂浮金属填料的用量过低)，则红外反射率过低导致发射率偏高。若水性黏结剂的用量过低(即高漂浮金属填料的用量过高)，则涂层偏脆、不耐热应力及附着力不佳。上述高漂浮金属填料可为尺寸介于8 y m至40 之间的叶形片状金属以具有最佳散射能力。若高漂浮金属填料的尺寸过小，则散射能力快速下降(Rayleigh-scattering)。若高漂浮金属填料的尺寸过大,则反射能力也会逐渐降低。高漂浮金属填料于涂料中的漂浮率介于70%至100%之间。若高漂浮金属填料于涂料中的漂浮率过低，则无法有效反射红外线。图1为本发明一实施例中涂层的示意图。将涂料涂布于基材11上后，阴干并退火涂料以去除涂料中的水，即形成涂层100。基材11可为金属、玻璃、塑料、或其它常见的基材材料。在涂层100中，高漂浮金属填料15漂浮于水性黏结剂13上。如此，高漂浮金属填料15可有效反射红外线17。可以理解的是，若基材11本身即为热源，底部入射的红外线在穿过低红外线吸收的水性黏结剂13后，亦会被高漂浮金属填料15反射，在穿过低红外线吸收的水性黏结剂后回到基材11。若金属填料于涂料中的漂浮率过低，则会形成图2所示的涂层100’。此时，红外线17将会钻过低漂浮率的金属填料15’之间的孔隙，到达基材11。可以理解的是，若基材11本身即为热源，底部入射的红外线亦会钻过低飘浮率的金属填料15’之间的孔隙，射出涂层100’的上表面。在本发明一实施例中，高漂浮的金属填料的电负度介于1.1至1.9之间。若高漂浮的金属填料的电负度过高，则容易产生氧化反应，失去金属的反射性。然而，当高漂浮的金属填料的电负度过低，则容易发生还原反应，失去金属反射性。该高漂浮金属填料的材质可为铜、铝、铁、镍、锰、锌、上述的混合物、或上述的合金。在本发明一实施例中，高漂浮金属填料可为购自 Seedchem Company PTY.LTD。同样如图1所示，将水性黏结剂13及水(未图示)混合成第一涂料后，再加入高漂浮金属填料15搅拌混合形成第二涂料。在本发明一实施例中，加入高漂浮金属填料后的搅拌混合步骤介于200rpm至300rpm之间。若搅拌混合的速率过高,则高速碰撞的高漂浮金属填料会结合成尺寸过大的金属填料而降低其漂浮性。若搅拌混合的速率过低，高漂浮金属填料将无法均匀分散于第一涂料中。接着将第二涂料涂布于基材11上，再去除第二涂料中的水比形成涂层100。在本发明一实施例中，去除第二涂料中的水的方法可为于25°C下阴干一段时间，使高漂浮金属填料漂浮。在本发明另一实施例中，可进一步以90°C至110°C退火30分钟至2小时以确保完全去除第二涂料中的水。退火工艺可提高涂层致密化程度和导电度，也同时使残余溶剂从涂层中挥发掉，提升黏结剂透明度。若退火工艺的时间过短和/或温度过低，可能导致水气挥发和涂层结构致密化不足。若退火工艺的时间过长和/或温度过高，则涂层容易氧化失去反射性。至此即完成本发明所需的水性、低V0C、与低红外发射率的涂层。经实验证实，本发明的涂层的红外线发射率仅为0.2至0.25之间，远低于市售产品的0.4至0.6。为了使本发明的上述和其它目的、特征、以及优点更明显易懂，下文特例举数个实施例配合附图，作详细说明如下:实施例比较例I取15重量份的甲基丙烯酸甲酯(MMA，Aldrich)与2.8重量份的丙烯酸(AA，Acrosorganic)作为黏结剂，加入4重量份的二甲苯及4重量份的甲乙酮混合后，再加入1.2重量份的一般铝粉(新昌荣国际有 限公司/FAL-02)后搅拌混合形成涂料，涂布于基材后阴干8小时，再以100°C的回火工艺去除二甲苯和甲乙酮形成涂层。此涂层的红外线吸收率(e )为0.44(发射率测定器TSS-5X, Japan Sensor Corporation)。上述涂料的配方及涂层的吸收率如表I所示。比较例2取15重量份的甲基丙烯酸甲酯(MMA，Aldrich)、2.8重量份的丙烯酸(AA，Acrosorganic)、与3.3重量份的二氧化硅乳液(新昌荣国际有限公司/WS-01)作为黏结剂，加入4重量份的二甲苯及4重量份的甲乙酮混合后，再加入1.2重量份的一般铝粉(新昌荣国际有限公司/FAL-02)后搅拌混合形成涂料，涂布于基材后阴干8小时，再以100°C的回火工艺去除二甲苯和甲乙酮形成涂层。此涂层的红外线吸收率(e)介于0.45至0.47之间(发射率测定器TSS-5X, Japan Sensor Corporation)。上述涂料的配方及涂层的吸收率如表I所示。比较例3取15重量份的聚甲基丙烯酸甲酯(PMMA，Seedchem company 08822)、与2.8重量份的醋酸作为黏结剂，加入4重量份的二甲苯及4重量份的甲乙酮混合后，再加入1.2重量份的一般铝粉(新昌荣国际有限公司/FAL-02)后搅拌混合形成涂料，涂布于基材后阴干8小时，再以100°C的回火工艺去除二甲苯和甲乙酮形成涂层。此涂层的红外线吸收率(e)介于0.51至0.56之间(发射率测定器TSS-5X, Japan Sensor Corporation) 上述涂料的配方及涂层的吸收率如表I所示。比较例4取6重量份的聚甲基丙烯酸甲酯(PMMA, Seedchem company 08822)、9重量份的甲基丙烯酸甲酯(MMA, Aldrich)、与2.8重量份的丙烯酸(AA, Acros organic)作为黏结剂，加入4重量份的二甲苯及4重量份的甲乙酮混合后，再加入1.2重量份的一般铝粉(新昌荣国际有限公司/FAL-02)后搅拌混合形成涂料，涂布于基材后阴干8小时，再以100°C的回火工艺去除二甲苯和甲乙酮形成涂层。此涂层的红外线吸收率(e)介于0.54至0.56之间(发射率测定器TSS-5X, Japan Sensor Corporation)。上述涂料的配方及涂层的吸收率如表I所示。比较例5取15重量份的聚甲基丙烯酸甲酯(PMMA, Seedchem company 08822)、与15重量份的聚乙撑二氧噻吩(PED0T，UR-PH1000)作为黏结剂，加入8重量份的水后，再加入1.2重量份的一般铝粉(新昌荣国际有限公司/FAL-02)后搅拌混合形成涂料，涂布于基材后阴干8小时，再以100°C的回火工艺去除二甲苯和甲乙酮形成涂层。此涂层的红外线吸收率(e)介于0.81至0.83之间(发射率测定器TSS-5X, Japan Sensor Corporation)。上述涂料的配方及涂层的吸收率如表I所示。比较例6取15重量份的甲基丙烯酸甲酯(MMA，Aldrich)、3.3重量份的聚乙烯醇(PVA，Merck)、与2.8重量份的丙烯酸(AA, Acros organic)作为黏结剂,加入4重量份的二甲苯及4重量份的甲乙酮混合后，再加入1.2重量份的一般铝粉(新昌荣国际有限公司/FAL-02)后搅拌混合形成涂料，涂布于基材 后阴干8小时，再以100°C的回火工艺去除二甲苯和甲乙酮形成涂层。此涂层的红外线吸收率(e )介于0.53至0.57之间(发射率测定器TSS-5X，Japan Sensor Corporation)。上述涂料的配方及涂层的吸收率如表I所示。
比较例7取15重量份的甲基丙烯酸甲酯(MMA，Aldrich)、0.15重量份的偶氮二异丁腈(AIBN) >3.3重量份的聚乙烯醇(PVA,Merck)、与2.8重量份的丙烯酸(AA,Acros organic)作为黏结剂，加入4重量份的二甲苯及4重量份的甲乙酮混合后，再加入1.2重量份的一般铝粉(新昌荣国际有限公司/FAL-02)后搅拌混合形成涂料，涂布于基材后阴干8小时，再以100°C的回火工艺去除二甲苯和甲乙酮形成涂层。此涂层的红外线吸收率(e )介于0.52至0.54之间(发射率测定器TSS-5X, Japan Sensor Corporation)。上述涂料的配方及涂层的吸收率如表I所示。比较例8取9重量份的甲基丙烯酸甲酯(MMA，Aldrich)、0.15重量份的偶氮二异丁腈(AIBN)、6重量份的聚甲基丙烯酸甲酯(PMMA，Seedchem company 08822)、与2.8重量份的丙烯酸(AA，Acros organic)作为黏结剂，加入4重量份的二甲苯及4重量份的甲乙酮混合后，再加入1.2重量份的一般铝粉(新昌荣国际有限公司/FAL-02)后搅拌混合形成涂料，涂布于基材后阴干8小时，再以100°C的回火工艺去除二甲苯和甲乙酮形成涂层。此涂层的红外线吸收率(e )介于0.52至0.54之间(发射率测定器TSS-5X，Japan SensorCorporation)。上述涂料的配方及涂层的吸收率如表I所示。比较例9取70重量份的PC-PU共聚物(PENTENS NPU-12A)作为黏结剂，加入100重量份的水混合后，再加入30重量份的一般铝粉(新昌荣国际有限公司/FAL-02)搅拌混合后形成涂料，涂布于基材后阴干8小时，再以100°C的回火工艺去除水形成涂层。此涂层的红外线吸收率(e )介于 0.43 至 0.4 6 之间(发射率测定器 TSS-5X, Japan Sensor Corporation)。上述涂料的配方及涂 层的吸收率如表I所示。比较例10取60重量份的PC-PU共聚物(PENTENS NPU-12A)作为黏结剂，加入100重量份的水混合后，再加入40重量份的一般铝粉(新昌荣国际有限公司/FAL-02)搅拌混合后形成涂料，涂布于基材后阴干8小时，再以100°C的回火工艺去除水形成涂层。此涂层的红外线吸收率(e )介于 0.41 至 0.43 之间(发射率测定器 TSS-5X, Japan Sensor Corporation)。上述涂料的配方及涂层的吸收率如表I所示。由于一般铝粉的反射性不强，很容易比较出黏结剂的红外透明度的差异。红外透明度性质越好的黏结剂，发射率越低。如表I所示，丙烯酸系聚合物、PVC，二氧化硅乳液都比不上PC-PU共聚物，其表现较接近MMA单体的红外透明效果。表I
权利要求
1.一种涂料，包括: 70重量份至50重量份的水性黏结剂； 30重量份至50重量份的高漂浮金属填料；以及 100重量份至250重量份的水。
2.根据权利要求1所述的涂料，其中该水性黏结剂包括一聚碳酸酯-聚氨酯的线型嵌段共聚物，其 重量平均分子量介于50000至20000之间，且聚碳酸酯与聚氨酯的摩尔比介于I: 0.9 至 1: 1.1 之间。
3.根据权利要求2所述的涂料，其中该聚碳酸酯-聚氨酯的粒径介于Inm至IOOnm之间。
4.根据权利要求1所述的涂料，其中该高漂浮金属填料为叶形片状金属，其尺寸介于8 y m M 40 y m t |、司。
5.根据权利要求1所述的涂料，其中该高漂浮金属填料于该涂料中的漂浮率介于70%至100%之间。
6.根据权利要求1所述的涂料，其中该高漂浮金属填料的电负度介于1.1至1.9之间，且该高漂浮金属填料包括铜、铝、铁、镍、锰、锌、上述的混合物、或上述的合金。
7.根据权利要求2所述的涂料，其中该水性黏结剂进一步包括润湿剂、消泡剂、和/或流平剂。
8.一种涂层的形成方法，包括: 混合50重量份至70重量份的水性黏结剂与100重量份至250重量份的水，形成一第一涂料； 将30重量份至50重量份的高漂浮金属填料加入该第一涂料后搅拌混合，形成一第二涂料； 将该第二涂料涂布于一基材上；以及 去除该第二涂料中的水，以形成一涂层。
9.根据权利要求8所述的涂层形成的方法，其中该水性黏结剂包括一聚碳酸酯-聚氨酯的线型嵌段共聚物，其重量平均分子量介于50000至20000之间，且聚碳酸酯与聚氨酯的摩尔比介于1: 0.9至1: 1.1之间。
10.根据权利要求8所述的涂层的形成方法，其中将30重量份至50重量份的高漂浮金属填料加入该第一涂料后搅拌混合的步骤中，搅拌速率介于200rpm至300rpm之间。
11.根据权利要求8所述的涂层的形成方法，其中去除该第二涂料中的水的步骤包括于25°C下阴干。
12.根据权利要求11所述的涂层的形成方法，其中去除该第二涂料中的水的步骤进一步包括一退火工艺，该退火工艺的温度介于90°C至110°C之间，且该退火工艺的时间介于30分钟至2小时之间。
13.根据权利要求8所述的涂层的形成方法，其中该涂层的红外线发射率介于0.2至.0.25之间。
全文摘要
本发明提供一种涂料以及涂层的形成方法，所述方法包括混合50重量份至70重量份的水性黏结剂与100重量份至250重量份的水，形成第一涂料；将30至50重量份的高漂浮金属填料加入第一涂料后搅拌混合，形成第二涂料；将第二涂料涂布于基材上；以及去除第二涂料中的水，以形成涂层。
文档编号C09D5/38GK103087619SQ20111040478
公开日2013年5月8日 申请日期2011年12月1日 优先权日2011年11月2日
发明者林琨程, 郑景亮 申请人:财团法人工业技术研究院