本发明涉及一种水性石墨烯丙烯酸聚氨酯涂料及其制备方法，属于涂料技术领域。
背景技术：
随着国家环保政策的相继出台，健康环保涂料的研发和推广成为涂料发展的趋势。伴随着高速动车组综合技术性能的提高，对列车的美观性、防腐性提出了更高要求，水性涂料体系的性能将迎接新挑战。目前，高速动车组的涂装多选用国外公司涂料，其成功应用是基于特定运营环境，由于国内运行区间温度跨度大，环境气候条件复杂，为了适应国内高速动车组发展的需求，急需开发出相配套的高性能水性涂料技术。
高速列车运行速度为200~400km/h，运行区间跨度广，受温湿度等环境因素影响复杂，并且部分地区风沙污染严重，这就要求高速运行动车的漆膜具备足够的耐磨强度，即漆膜兼具足够的硬度和韧性。
动车组车体装饰的失效主要表现为面漆的失光或变色，此外则是漆膜起泡、脱落、划伤和磨损等。由于动车的运行环境比较苛刻，故对车体外侧面漆的光老化、粉化、脆化要求比较严格。
石墨烯是一种新型的碳材料，是从石墨材料中剥离出来、由碳原子组成的只有一层原子厚度的二维晶体。石墨烯既是最薄的材料，也是最强韧的材料，断裂强度比最好的钢材还要高200倍。同时它又有很好的弹性，拉伸幅度能达到自身尺寸的20%。它是目前自然界最薄、强度最高的材料，被称为“黑金”，是“新材料之王”。其凭借各种优越性能，将在导电涂料、防腐涂料、阻燃涂料、导热涂料和高强度涂料等方面有广阔的应用前景。
技术实现要素：
本发明旨在提供一种水性石墨烯丙烯酸聚氨酯涂料及其制备方法，提供了一种基于丙烯酸聚氨酯乳液的，且含有石墨烯的自洁性好、硬度高、柔韧性好、耐老化性优异的涂料及其制备方法。
本发明所述的涂料选用去离子水作为分散介质，安全环保，其中voc（有机挥发物）含量大大低于国家标准。石墨烯兼具比表面积大、导电性好、化学稳定性强、力学性能和导热性能优异等优点。新型碳材料石墨烯既是最薄的材料，也是最强韧的材料，石墨烯的片层共轭结构，在聚氨酯涂层中层层叠加，形成致密的隔绝层，阻隔并延长腐蚀介质的通过路径，减缓腐蚀介质对漆膜的渗透作用；另外，石墨烯可与基体发生偶联作用，形成网状结构，以此来改善漆膜导电导热性。本发明将石墨烯溶液加入到水性丙烯酸聚氨酯涂料中，大大提高了涂料的疏水能力、硬度、柔韧性及耐老化性能；另外，选用去离子水作为分散介质，安全环保。
本发明是通过以下技术方案实现的：
本发明提供了一种水性石墨烯丙烯酸聚氨酯涂料，包括能固化成膜的含有石墨烯溶液的甲组分和含有固化剂的乙组分；甲组分与乙组分的配比为：10:3-5；
其中，甲组分按质量百分比包括以下成分：
固含量为50±2%的丙烯酸聚氨酯乳液60—65wt%，分散剂0.5—1wt%，消泡剂0.1—0.5wt%，流平剂0.5—1wt%，去离子水10—15wt%，填料20—27.1wt%，助溶剂1.5—3wt%，石墨烯0.3—0.5wt%，所述甲组分中各组份质量百分含量之和为100wt%；
其中，乙组分按质量百分比包括以下成分：
固化剂60-80wt%，助溶剂20-40wt%，所述乙组分中各组份质量百分含量之和为100wt%。
上述方案中，所述分散剂为阳离子型分散剂或阴离子型分散剂中的一种；
所述消泡剂为有机硅类消泡剂或星型聚合物消泡剂中的一种；
所述流平剂为丙烯酸酯类流平剂或有机硅类流平剂中的一种。
上述方案中，所述填料为706钛白粉。
上述方案中，甲组分所述助溶剂为丙二醇甲醚醋酸酯和丙二醇二乙酸酯质量比为1:1的混合物。
上述方案中，甲组分所述石墨烯溶液的固含量为4.7~5.3%。
上述方案中，所述乙组分是用助溶剂稀释纯固化剂后的混合溶液，乙组分包括丙烯酸聚氨酯乳液固化剂和助溶剂；所述丙烯酸聚氨酯乳液固化剂是固化乳液所用的水性脂肪族固化剂。
上述方案中，所述乙组分中的助溶剂为丙二醇甲醚醋酸酯和丙二醇二乙酸酯质量比为1:1的混合物。
本发明提供了一种上述水性石墨烯丙烯酸聚氨酯涂料的制备方法，包括如下步骤：
i所述水性石墨烯丙烯酸聚氨酯涂料甲组分的制备方法为：
(1)将所述的甲组分配方量的丙烯酸聚氨酯乳液加入至搅拌容器中，设置转速为800—1200r/min，搅拌20min；
(2)然后依次加入分散剂、甲组分配方量80%的消泡剂、甲组分配方量40%的流平剂，设置转速为800—1200r/min，继续搅拌至分散均匀；
(3)接着依次加入填料、助溶剂、石墨烯溶液和甲组分配方量80%的去离子水，设置转速为1000—1500r/min，继续搅拌至分散均匀；
(4)将步骤(3)得到的混合物加入到研磨机中，设置转速为2000—2500r/min，研磨至细度≤20μm；
(5)将步骤(4)得到的研磨浆料加入至搅拌容器中，设置转速为1000—1200r/min，继续加入剩余部分的消泡剂、剩余部分的流平剂和甲组分配方量20%的去离子水，制得甲组分；
上述过程中，消泡剂和流平剂为分两批次加入，步骤（2）与（5）中加入的消泡剂的质量比为8:2，步骤（2）与（5）中加入的流平剂的质量比为4:6；
ii所述水性石墨烯丙烯酸聚氨酯涂料乙组分的制备方法为：
(1)将丙烯酸聚氨酯乳液固化剂加入至搅拌容器中，设置转速为600—800r/min，搅拌10min；
(2)然后加入助溶剂，设置转速为800—1000r/min，继续搅拌至分散均匀，制得乙组分；
iii使用前将制备好的甲组分和乙组分按10:3-5混合得到水性石墨烯丙烯酸聚氨酯涂料。
本发明的有益效果：
（1）本发明形成的水性石墨烯丙烯酸聚氨酯涂料具备不可燃特性，大大提高了产品在生产、运输及储存过程中的安全性。本发明提供的水性石墨烯丙烯酸聚氨酯涂料，喷涂后形成的漆膜自洁性好，硬度可提高2—3倍，柔韧性好，附着力优异，耐老化时间长，且环境友好。
（2）本发明的制备方法绿色环保、工艺简单、操作条件易控；本发明将石墨烯溶液加入水性丙烯酸聚氨酯涂料中，制得的水性石墨烯丙烯酸聚氨酯涂料涂层在保留耐冲击性能50cm、杯突6mm、耐弯曲1mm的同时，硬度可达5h，耐老化时间可达2000h以上。
具体实施方式
下面通过实施例来进一步说明本发明，但不局限于以下实施例。
实施例1—3提供了水性石墨烯丙烯酸聚氨酯涂料的制备方法，包括如下步骤：
i所述水性石墨烯丙烯酸聚氨酯涂料甲组分的制备方法为：
(1)将如权利要求1所述的甲组分配方量的丙烯酸聚氨酯乳液加入至搅拌容器中，设置转速为800r/min，搅拌；
(2)然后依次加入如权利要求1所述的甲组分配方量的分散剂、甲组分配方量80%的消泡剂、甲组分配方量40%的流平剂，设置转速为800r/min，继续搅拌至分散均匀；
(3)接着依次加入如权利要求1所述的甲组分配方量的填料、助溶剂、石墨烯溶液和甲组分配方量80%的去离子水，设置转速为1200r/min，继续搅拌至分散均匀；
(4)将步骤(3)得到的混合物加入到研磨机中，设置转速为2300r/min，研磨至细度≤20μm；
(5)将步骤(4)得到的研磨浆料加入至搅拌容器中，设置转速为1200r/min，继续加入如权利要求1所述的甲组分配方量20%的消泡剂、甲组分配方量60%的流平剂和甲组分配方量20%的去离子水，制得甲组分；
ii所述水性石墨烯丙烯酸聚氨酯涂料乙组分的制备方法为：
(1)将如权利要求1所述的乙组分配方量的丙烯酸聚氨酯乳液固化剂加入至搅拌容器中，设置转速为800r/min，搅拌；
(2)然后依次加入如权利要求1所述的乙组分配方量的助溶剂，设置转速为800r/min，继续搅拌至分散均匀，制得乙组分；
iii使用前将制备好的甲组分和乙组分混合得到水性石墨烯丙烯酸聚氨酯涂料。
表1中列出了实施例1—3的水性石墨烯丙烯酸聚氨酯涂料的各组份及百分含量：
表1实施例1—3提供的水性石墨烯丙烯酸聚氨酯涂料的各组份及百分含量
其中，所述水性丙烯酸聚氨酯乳液的固含量为50%；分散剂为高分子量分散剂；消泡剂为有机硅类消泡剂；流平剂为丙烯酸酯类流平剂；填料为706钛白粉；石墨烯溶液的固含量为5%；甲乙组分的助溶剂均为丙二醇甲醚醋酸酯(pma)和丙二醇二乙酸酯(pgda)质量比为1:1的混合物。
所述水性石墨烯丙烯酸聚氨酯涂料在使用过程中，将甲乙组分按质量比10:3混合。
将实施例1—3提供的水性石墨烯丙烯酸聚氨酯涂料进行性能测试，测试结果及测试方法如表2所示：
表2性能测试结果