一种用于形成抗老化、耐沾污纳米涂层的纳米溶胶及制备方法和应用的制作方法
【专利摘要】本发明公开一种用于形成抗老化、耐沾污纳米涂层的纳米溶胶及制备方法，所述用于形成抗老化、耐沾污纳米涂层的纳米溶胶按质量百分比计算，由0.1-10%纳米TiO2溶胶、0.1-20%硅酸钠、0.1-5%氧化铈溶胶、0-0.1%着色剂和余量的水或乙醇和水组成的混合溶液组成。其制备方法即首先采用溶胶-凝胶法制备纳米TiO2溶胶、然后制备Ce2O3溶胶，然后在纳米TiO2溶胶中加入硅酸钠、Ce2O3溶胶，搅拌均匀再加入着色剂，最后加入余量的水或乙醇和水组成的混合溶液，即得用于形成抗老化、耐沾污纳米涂层的纳米溶胶。其用于彩涂板的涂覆得到的纳米涂层具有抗老化、耐沾污、耐腐蚀等性能，可延长彩涂板使用寿命。
【专利说明】一种用于形成抗老化、耐沾污纳米涂层的纳米溶胶及制备方法和应用
【技术领域】
[0001]本发明涉及一种用于形成抗老化、耐沾污纳米涂层的纳米溶胶及制备方法和其在形成抗老化、耐沾污纳米涂层中的应用，属于纳米功能材料与环保材料领域。
【背景技术】
[0002]彩涂板是近三十年国际上迅速发展起来的一种新型带钢预涂产品，具有装饰性、成型性、抗腐蚀性，广泛用于建筑物外装材(屋顶材、墙壁材)和内装材料(壁材，天花板材，隔板，防火门)已及建筑附属材料(窗板，招牌，家电用品)等。但在工业区、沿海地区或雾霾严重地区，由于受到空气中烟尘颗粒、二氧化硫气体或盐分的作用，彩涂板表面的彩色涂层腐蚀老化严重。尤其是在强烈阳光照射的情况下，雨水和空气中二氧化硫等污染物加速彩涂板老化，色彩退去，变得暗淡无光，最终出现腐蚀锈斑，影响使用寿命和美观。中国专利CN 201020176047.0公开了一种自清洁彩涂板的制备方法，采用多层(化学转化层、防腐环氧层、聚酯色漆层、自清洁涂层)复合的形式，解决由于彩涂板表面吸附，形成污染层和污垢等问题。中国技术发明专利CN 201310534688.7公开了一种耐腐蚀的荧光彩涂板，基板上依次有稀土耐腐层、底涂层及面涂层，其中面涂层材料为无机聚氨酯荧光涂料，稀土耐腐层为含稀土的锌铝合金。但这些方法并不能解决彩涂板易老化褪色的问题。
[0003]纳米TiO2作为新型环保材料，对环境中各种污染物有显著的去除效果，已引起世界范围内的 广泛关注。纳米二氧化钛是一种具有光催化活性的半导体材料，在大于其带隙能光照条件下，TiO2可去除大气中氮氧化物NOx和SO2等有毒气体。同时，纳米二氧化钛薄膜表面具有超亲水特性，又使其表面具有了防雾、易洗、易干等功能。作为自清洁涂层广泛用于玻璃(CN 02150721.X，CN 102649623 A, CN 101538125 B,CN 101602933 A)、陶瓷面砖(CN 100402161 C)、家用电器(CN 1216102 C)等领域。但TiO2自清洁涂层在使用过程中存在诸多问题:(I)涂有二氧化钛溶胶的基体需经过热处理，来制备稳定晶型的TiO2,并提高涂层与基体间结合力。这对于无法进行高温热处理基体，如彩涂板，该工艺方法不适用。同时，热处理工艺增加能耗，加大了生产成本；(2)光照条件直接影响TiO2涂的催化作用和亲水性；(3)灰尘或难挥发物质会渗入漆膜表面的空隙中，使耐久性不理想；(4)由于1102颗粒细小，在水溶液中容易团聚、晶型不稳定，而影响其活性，在实用过程中面临很大的困难。
【发明内容】
[0004]本发明的目的之一是为了解决上述的溶胶易于团聚、不耐久及需要光照和热处理等技术问题而提供一种用于形成抗老化、耐沾污纳米涂层的纳米溶胶，该纳米溶胶适用于彩涂板上形成抗老化、耐沾污的纳米涂层。由于纳米溶胶中含有TiO2和SiO2溶胶二元薄膜并添加铈氧化物，因此提高纳米涂层的亲水性和界面结合力。
[0005]本发明的目的之二在于提供上述的一种用于形成抗老化、耐沾污纳米涂层的纳米溶胶的制备方法。[0006]本发明的目的之三在于将上述一种用于形成抗老化、耐沾污纳米涂层的纳米溶胶在形成抗老化、耐沾污纳米涂层中进行应用。
[0007]本发明的技术原理
本发明的具有抗老化耐沾污的纳米涂层所用的纳米溶胶涂覆后所形成的涂层中，由于含有适量的SiO2用以提高TiO2薄膜的光催化活性和亲水性，主要是由于硅的添加增加了TiO2薄膜的表面酸度。在二元系统的氧化物中，SiO2改性的TiO2具有最高的表面酸性，表面酸性的提高不仅可以在表面形成更好的吸附位。同时薄膜表面的羟基含量增加，使水在复合薄膜表面的润湿角下降，亲水能力增强。此外，在SiO2-TiO2 二元系统中，不同配位态间的钛、硅原子的相互作用和替代，可稳定T1-O结构，抑制TiO2锐钛矿相向金红石相的转变以及晶粒的长大，晶粒的细化使其具有更大的比表面积，进而使吸附能力增强，亲水性进一步改善。
[0008]稀土铈元素的加入能显著改善涂层的塑性和与基体的黏附性，形成致密的薄膜，防止涂层开裂或剥落，并有助于提高涂层的高温氧化与耐腐蚀性能。而且，向SiO2-TiO2溶胶中添加一定量铈氧化物活性组分，起到减缓晶粒长大、晶体结构转变的作用。
[0009]本发明的技术方案
一种用于形成抗老化、耐沾污纳米涂层的纳米溶胶，按质量百分比计算，其组成及含量如下: 纳米TiO2溶胶0.1-10%
硅酸钠0.1-20%
氧化铈溶胶0.1-5%
着色剂0-0.1%
余量为水或乙醇和水组成的混合溶液；
所述的乙醇和水组成的混合溶液中，水和乙醇按体积比计算，按体积比计算，即乙醇:水为1:1-3 ;
所述的纳米TiO2溶胶、娃酸钠、氧化铺溶胶的颗粒大小均为2-15nm ；
所述的着色剂为水溶性品蓝染料，其含量优选为0.01-0.1%。
[0010]上述的一种用于形成抗老化、耐沾污纳米涂层的纳米溶胶的制备方法，具体包括如下步骤:
(1)、采用溶胶-凝胶法制备纳米TiO2溶胶
将钛酸四丁酯溶于无水乙醇中，配制成0.1M钛酸四丁酯无水乙醇溶液，在磁力搅拌条件下加入为上述无水乙醇体积的0.1倍的去离子水，以氨水调节PH值至溶液中形成胶体，再搅拌20min，陈化1-2天，制备出凝胶，粉碎凝胶，加入去离子水，得到固含量为20%的纳米TiO2水溶液，即纳米TiO2溶胶；
(2)、Ce2O3溶胶的制备
将金属铈的硝酸盐，溶解在去离子水中，得到金属铈离子的浓度为0.1mM-1M的硝酸铈水溶液，用氨水调节PH为3-10后，加入聚乙烯烷酮，得到的溶液中含聚乙烯烷酮的质量百分比浓度为0.1-0.2%，然后室温乳化3-30min，得颗粒在2_15nm的Ce2O3溶胶；
(3)、在步骤(1)所得的纳米TiO2溶胶中加入硅酸钠，然后加入步骤(2)所得的Ce2O3溶胶，搅拌均匀，再加入着色剂，搅拌均匀，最后加入余量的水或乙醇和水组成的混合溶液，即得用于形成抗老化、耐沾污纳米涂层的纳米溶胶。
[0011]上述所得的一种用于形成抗老化、耐沾污纳米涂层的纳米溶胶，适用于彩涂板的涂覆得到具有抗老化、耐沾污的纳米涂层，其涂覆的方式可采用滚涂、喷涂或压涂的方式直接地涂覆在彩涂板的表面，涂覆完成后采用自然风干或采用热风吹干，所得的具有抗老化、耐沾污的纳米涂层的厚度为100-400nm。
[0012]本发 明的有益技术效果
本发明的一种用于形成抗老化、耐沾污纳米涂层的纳米溶胶，可实现耐沾污、保色、抗腐蚀功能。
[0013]本发明的一种用于形成抗老化、耐沾污纳米涂层的纳米溶胶，制备过程中通过添加稀土铈氧化物，制备稳定晶型的TiO2，从而提高其用于在彩涂板上形成的涂层与彩涂板间的结合力，并且无需热处理，因此，不仅简化工艺，而且适用范围更广并节约成本，解决了二氧化钛溶胶的基体需经过热处理，来制备稳定晶型的TiO2的问题。
[0014]进一步，本发明的一种用于形成抗老化、耐沾污纳米涂层的纳米溶胶，制备过程中通过添加适量的SiO2,因此可改善无光照条件下TiO2涂层的亲水性，使涂层表面的耐沾污性不受光照限制，解决了现有技术必需在光照条件才体现出TiO2涂层的催化作用和亲水性的问题。
[0015]进一步，本发明的一种用于形成抗老化、耐沾污纳米涂层的纳米溶胶，制备过程中由于采用纳米溶胶，其颗粒大小为2-15nm，使得涂层表面致密，无孔洞，灰尘或难挥发物质不能渗入漆膜表面的空隙中，具有良好的持久性，解决了目前涂层由于灰尘或难挥发物质会渗入漆膜表面的空隙降低使用耐久性的问题。
[0016]进一步，本发明的一种用于形成抗老化、耐沾污纳米涂层的纳米溶胶，制备过程中由于添加稀土铈的氧化物和二氧化硅稳定晶型，使纳米溶胶不发生团聚现象，可稳定存储半年以上，解决了目前TiO2溶胶易于团聚、晶型不稳定的问题。除此之外，本发明的一种用于形成抗老化、耐沾污纳米涂层的纳米溶胶，涂覆工艺方法采用常规方法，包括喷涂、辊涂、压涂等方法，操作简单方便，成本低廉、绿色环保，且易于批量生产。
[0017]进一步，采用本发明的用于形成抗老化、耐沾污纳米涂层的纳米溶胶直接地涂抹在彩涂板表面，在太阳光照射下便具有良好的亲水性和光催化性，可提高彩涂板的耐污溃能力和抗老化性能，使彩涂板更加经久耐用，长时间使用不易褪色。这样的彩涂板会长久如新，美观，不随时间的变迁而丧失它的光辉。
【具体实施方式】
[0018]下面通过具体实施例对本发明进一步阐述，但并不限制本发明。
[0019]实施例1
一种用于形成抗老化、耐沾污纳米涂层的纳米溶胶，按质量百分比计算，其组成及含量如下:
纳米TiO2溶胶10%
硅酸钠1%
氧化铈溶胶5%余量为乙醇和水组成的混合溶液；
所述的乙醇和水组成的混合溶液，按体积比计算，即乙醇:水为1:1 ；
所述的纳米TiO2溶胶的颗粒大小为2-8nm ；
氧化铈溶胶的颗粒大小为2-15nm。
[0020]上述的一种用于形成抗老化、耐沾污纳米涂层的纳米溶胶的制备方法，具体包括如下步骤:
(1)、采用溶胶-凝胶法制备纳米TiO2溶胶
将50ml钛酸四丁酯溶于无水乙醇中，配制成0.1M钛酸四丁酯无水乙醇溶液,在磁力搅拌条件下加入为上述无水乙醇体积的0.1倍的去离子水，以氨水调节pH值至溶液中形成胶体，再搅拌20min，陈化I天，制备出凝胶，粉碎凝胶，加入去离子水，得到固含量为20%的纳米TiO2水溶液，即颗粒大小为2-8nm的纳米TiO2溶胶；
(2)、Ce2O3溶胶的制备
将金属铈的硝酸盐，溶解在去离子水中，得到金属铈离子的浓度为0.1mM的硝酸铈水溶液，用氨水调节PH为4后，加入聚乙烯烷酮，得到的溶液中含聚乙烯烷酮的质量百分比浓度为0.1%，然后室温乳化30min，得颗粒在2_15nm的Ce2O3溶胶；
(3)、按质量百分比计算，在10%的步骤(1)所得的纳米TiO2溶胶中加入1%的硅酸钠，然后加入5%的步骤(2)所得的Ce2O3溶胶，搅拌均匀，最后加入余量的水或乙醇和水组成的混合溶液，即得用于形成抗老化、耐沾污纳米涂层的纳米溶胶。
[0021]上述所得的一种用于形成抗老化、耐沾污纳米涂层的纳米溶胶采用滚涂的方式直接地涂覆在彩涂板的表面，涂覆完成后采用热风机吹干，形成的具有抗老化、耐沾污的纳米涂层厚度约lOOnm。然后自然暴晒6个月。
[0022]按照GB/T9780-2005方法测定没有涂覆具有抗老化、耐沾污的纳米涂层的空白彩涂板和实施例1所得的具有抗老化、耐沾污的纳米涂层的彩涂板的沾污率，测试结果见表
1
[0023]表1、自然暴晒6个月的彩涂板沾污率测试
【权利要求】
1.一种用于形成抗老化、耐沾污纳米涂层的纳米溶胶，其特征在于所述的用于形成抗老化、耐沾污纳米涂层的纳米溶胶，按质量百分比计算，其组成及含量如下: 纳米TiO2溶胶0.1-10% 硅酸钠0.1-20% 氧化铈溶胶0.1-5% 着色剂0-0.1% 余量为水或乙醇和水组成的混合溶液； 所述的纳米TiO2溶胶、娃酸钠、氧化铺溶胶的颗粒大小均为2-15nm ； 所述的着色剂为水溶性品蓝染料。
2.如权利要求1所述的用于形成抗老化、耐沾污纳米涂层的纳米溶胶，其特征在于所述的用于形成抗老化、耐沾污纳米涂层的纳米溶胶，按质量百分比计算，其组成及含量如下: 纳米TiO2溶胶1-10% 娃酸钠1-15% 氧化铈溶胶0.1-5% 着色剂0.01-0.1% 余量为水或乙醇和水组成的混合溶液； 所述的乙醇和水组成的混合溶液中，按体积比计算，即乙醇:水为1:1_3。
3.如权利要求2所述的用于形成抗老化、耐沾污纳米涂层的纳米溶胶，其特征在于按质量百分比计算，其组成及含量如下: 纳米TiO2溶胶10%硅酸钠1% 氧化铈溶胶5% 余量为乙醇和水组成的混合溶液； 所述的乙醇和水组成的混合溶液，按体积比计算，即乙醇:水为1:1 ； 所述的纳米TiO2溶胶的颗粒大小为2-8nm ； 氧化铈溶胶的颗粒大小为2-15nm。
4.如权利要求2所述的用于形成抗老化、耐沾污纳米涂层的纳米溶胶，其特征在于按质量百分比计算，其组成及含量如下: 纳米TiO2溶胶5%娃酸钠5% 氧化铺溶胶0.1% 余量为乙醇和水组成的混合溶液； 所述的乙醇和水组成的混合溶液，按体积比计算，即乙醇:水为1:3 ； 所述的纳米TiO2溶胶的颗粒大小为5-15nm ； 氧化铈溶胶的颗粒大小为5-15nm。
5.如权利要求2所述的用于形成抗老化、耐沾污纳米涂层的纳米溶胶，其特征在于按质量百分比计算，其组成及含量如下: 纳米TiO 2溶胶10%硅酸钠10% 氧化铺溶胶2% 着色剂0.01% 余量为乙醇和水组成的混合溶液； 所述的乙醇和水组成的混合溶液，按体积比计算，即乙醇:水为1:2 ； 所述的纳米TiO2溶胶的颗粒大小为2-10nm ； 所述的氧化铺溶胶的颗粒大小为5-15nm。
6.如权利要求2所述的用于形成抗老化、耐沾污纳米涂层的纳米溶胶，其特征在于按质量百分比计算，其组成及含量如下: 纳米TiO2溶胶 1% 娃酸钠15% 氧化铺溶胶3% 着色剂0.1% 余量为乙醇和水组成的混合溶液； 所述的乙醇和水组成的混合溶液，按体积比计算，即乙醇:水为1:2 ； 所述的纳米TiO2溶胶的颗粒大小为5-15nm ； 氧化铈溶胶的颗粒大小为5-15nm。
7.如权利要求1-6任一权利要求所述的用于形成抗老化、耐沾污纳米涂层的纳米溶胶的制备方法，其特征在于具体包括如下步骤: (1)、采用溶胶-凝胶法制备纳米TiO2溶胶 将钛酸四丁酯溶于无水乙醇中，配制成0.1M钛酸四丁酯无水乙醇溶液，在磁力搅拌条件下加入为上述无水乙醇体积的0.1倍的去离子水，以氨水调节PH值至溶液中形成胶体，再搅拌20min，陈化1-2天，制备出凝胶，粉碎凝胶，加入去离子水，得到固含量为20%的纳米TiO2水溶液，即得颗粒在2-15nm的纳米TiO2溶胶； (2)、Ce2O3溶胶的制备 将金属铈的硝酸盐，溶解在去离子水中，得到金属铈离子的浓度为0.1mM-1M的硝酸铈水溶液，用氨水调节PH为4-10后，加入聚乙烯烷酮，得到的混合溶液中聚乙烯烷酮质量百分比浓度为0.1-0.2%，将混合溶液室温乳化3-30min，得颗粒在2_15nm的Ce2O3溶胶； (3)、在步骤(1)所得的纳米TiO2溶胶中加入硅酸钠，然后加入步骤(2)所得的Ce2O3溶胶，搅拌均匀，再加入着色剂，搅拌均匀，最后加入余量的水或乙醇和水组成的混合溶液，即得用于形成抗老化、耐沾污纳米涂层的纳米溶胶。
8.利用如权利要求1-6任一权利要求所述的用于形成抗老化、耐沾污纳米涂层的纳米溶胶在彩涂板上通过滚涂、喷涂或压涂方式形成抗老化、耐沾污的纳米涂层。
9.如权利要求8所述的利用用于形成抗老化、耐沾污纳米涂层的纳米溶胶在彩涂板上形成的抗老化、耐沾污的纳米涂层，其厚度为100-400nm。
【文档编号】C09D7/12GK103923501SQ201410141060
【公开日】2014年7月16日 申请日期:2014年4月10日 优先权日:2014年4月10日
【发明者】陈爱英, 田翰林, 刘星, 孙妍妍, 第文琦, 潘登 申请人:上海理工大学