一种隔热型水性聚氨酯涂料及其制备方法和应用与流程

本发明涉及水性聚氨酯涂料，特别是一种隔热型水性聚氨酯涂料及其制备方法和应用。

背景技术：

1、传统应用在航空装备表面的隔热型涂层，大多均为溶剂型涂料，溶剂型涂料主要有成膜物与溶剂组成，溶剂型涂料在使用过程中不仅对环境起到破坏，而且影响施工者的身体健康，而且透光性一般；在溶剂型隔热涂料中，通常选用一些无机的纳米粒子来进行改善涂层的隔热性能，但是无机纳米粒子由于自身比表面积很小，容易聚集，从而导致团聚在一起，无法很好的分散在涂料中，导致涂层的隔热性能及透明性差；如此同时，航空设备表面的基材开始由铝金属慢慢的向复合材料转变，溶剂型隔热聚氨酯涂料中含有的溶剂，可能对复合材料有不同程度的腐蚀，从而限制了溶剂型隔热涂料在航空设备上的应用。

2、公开号为cn112592442a的中国专利公开了一种改性二氧化硅乳液的制备方法，包括加入5～8重量份改性二氧化硅气凝胶、15～20重量份丙烯酸丁酯、12～18重量份苯乙烯、8～15重量份甲基丙烯酸、5～10重量份乳化剂、0.2～0.5重量份引发剂和45～65重量份溶剂，70～90℃搅拌反应，制得改性二氧化硅乳液，本发明还公开了一种反射隔热涂料。该专利为溶剂型涂料，溶剂型涂料在使用过程中不仅对环境起到破坏，隔热效果有待提升，可能对复合材料有不同程度的腐蚀。

3、配置水性涂料时，通常会添加助溶剂，助溶剂包括但不限于乙二醇乙醚、异丙醇、乙醇、正丙醇、乙二醇丁醚、丙二醇甲醚、二乙二醇丁醚、二丙二醇甲醚、二丙二醇丁醚、丁醇、丙酮、丙二醇丁醚、丙二醇乙醚、二甲基甲酰胺、四氢呋喃等。

技术实现思路

1、本发明所要解决的技术问题是，针对现有技术不足，提供一种隔热型水性聚氨酯涂料及其制备方法，对环境友好，隔热效果好。

2、本发明还提供了一种隔热型水性聚氨酯涂料的应用，能应用在铝素材和复合材料素材上。

3、为解决上述技术问题，本发明所采用的技术方案是：一种隔热型水性聚氨酯涂料，包括重量比为2-4:1的a组分和b组分：

4、所述a组分按重量份组成如下：

5、水性羟基丙烯酸树脂45-65份

6、助溶剂6-20份

7、无机纳米浆料3-30份

8、消泡剂0.1-1.0份

9、基材润湿剂0.1-0.8份

10、流平剂0.1-0.8份

11、增稠剂0.1-0.5份

12、去离子水1-30份

13、所述b组分按重量份组成如下：

14、水性异氰酸酯60-80份

15、助溶剂c 15-35份

16、脱水剂1-5份

17、所述无机纳米浆料包括重量比为1-3:1-3的空心玻璃微珠和二氧化硅气凝胶；

18、—nco：—oh的摩尔比为1.35-1.65:1

19、所述a组分、所述b组分分别混合均匀，再将所述a组分、所述b组分搅拌均匀即得。

20、本发明中的空心玻璃微珠、二氧化硅气凝胶能更好地分散在水性树脂体系中，相互协同，使涂层具有很好的隔热性能。

21、其中—nco为水性异氰酸酯中含有的－nco基团，-oh为水性羟基丙烯酸树脂中含有的-oh。异氰酸酯若以－nco基团的数量分类，包括单异氰酸酯r－n＝c＝o和二异氰酸酯o＝c＝n－r－n＝c＝o及多异氰酸酯等。该比例区间范围内的—nco和—oh，漆膜综合性能较好，当-nco/-oh的摩尔比小于1.35时，漆膜出现不同程度的漆病，与素材附着力变差、漆膜耐性、阳热反射率、隔热温差等性能变差。

22、空心玻璃微珠是一种具有中空结构并内含惰性气体的球型颗粒，为无机非金属材料，具有粒径分布广、重量轻、密度小、导热系数低等优点，其具有低吸油值且呈球状，其分散在涂料中可以形成致密的惰性气体空腔层，能够有效降低涂层导热系数，延缓热量的传递。优选地，空心玻璃微珠的粒径大小为10-50um。

23、二氧化硅气凝胶颗粒在涂料中能连接成多孔隙网络结构，间隙中含有大量空气，具有十分低的导热系数。在热传导方面，由于纳米孔隙的存在，热量需要沿着其接近无限长的三维网络骨架传递，在这个过程中能量会不段消耗；在热对流方面，由于二氧化硅气凝胶的孔径小于气体分子运动的平均自由程，热对流传导率十分小，流体的能量无法有效从高温区流动到低温区；在热辐射方面，大量的孔隙壁充当了无数遮阳板的作用，有效地降低了辐射传热，二氧化硅气凝胶起到。空心玻璃微珠是产生惰性气体空腔层，而二氧化硅气凝胶是多孔隙网状结构，两者相互协同，使涂层具有很好的隔热性能。

24、由于空心玻璃微珠为微米级，二氧化硅气凝胶为纳米粒子，粒径小、比表面积大、易聚集在一起，无法很好的分散在涂料中，因此将其与水、溶剂、一定量的分散剂等混合制备成水性浆料，能更好的分散在树脂体系中，避免因纳米粒子聚集，影响空心玻璃微珠和二氧化硅气凝胶发挥协同作用。选用的羟基丙稀酸树脂主链上带有柔性链段，使其在非金属素材上具有优异的粘附性，同时丙稀酸树脂带有一定量的羟基，与金属素材上的羟基，能很好的形成氢键，使其在金属素材有很好的附着力，故该体系既能在非金属素材上使用，也能在金属素材上使用。

25、在本发明的一个优选的实施例中，a组分中水性异氰酸酯中含有的－nco基团的总摩尔量与b组分中水性羟基丙烯酸树脂所含的-oh的总摩尔量之比为1.45-1.55:1。

26、在本发明的一个优选的实施例中，所述无机纳米浆料的重量份为5-19份。

27、该重量份区间内的无机纳米浆料，不仅能使涂层均有很好的隔热性能，而且对基材的附着力强。当所述无机纳米浆料的重量份＞19份，涂层在peek、玻璃纤维/酚醛上的附着力下降。

28、在本发明的一个优选的实施例中，所述无机纳米浆料包括重量比为1-1.9:1-1.9的空心玻璃微珠和二氧化硅气凝胶。

29、该重量份区间内的空心玻璃微珠和二氧化硅气凝胶，所制备的涂层的隔热效果时最佳的，当空心玻璃微珠或二氧化硅气凝胶超出该范围时，均对涂层的隔热效果有一定的影响。

30、在本发明的一个优选的实施例中，所述无机纳米浆料的细度≤40um，优选地，所述无机纳米浆料的细度≤10um。

31、随着纳米浆料的细度变大，影响的是涂层的隔热效果，主要是纳米浆料的细度小能更好的分散在树脂体系中，成膜之后能更好的分散在漆膜当中，隔热的效果更好。

32、在本发明的一个优选的实施例中，所述组分a中的助溶剂包括3-10重量份助溶剂a和3-10重量份助溶剂b；

33、所述助溶剂a为乙二醇丁醚、丙二醇甲醚中的一种或两种，所述助溶剂b为二乙二醇丁醚、二丙二醇甲醚、二丙二醇丁醚中的一种或多种。

34、在本发明的一个优选的实施例中，所述消泡剂为聚硅氧烷消泡剂，所述基材润湿剂为聚醚硅氧烷润湿剂，所述流平剂为聚醚硅氧烷流平剂，所述增稠剂为阴离子聚丙烯酸酯共聚物型增稠剂；

35、所述助溶剂c为丙二醇二醋酸酯、丙二醇甲醚醋酸酯中的一种或两种。

36、本发明还公开了所述的隔热型水性聚氨酯涂料的制备方法，包括以下步骤：

37、将水性羟基丙烯酸树脂、无机纳米浆料、去离子水加至容器中，分散均匀，再依次加入助溶剂、增稠剂、消泡剂、基材润湿剂、流平剂搅拌均匀，过滤制得a组分；

38、将助溶剂c、脱水剂加至容器中，分散均匀，再加入水性异氰酸酯搅拌均匀，过滤制得b组分；

39、将a组分与b组分按照2-4:1进行配比，搅拌均匀后获得隔热型水性聚氨酯涂料。

40、本发明的关键工艺：将主体树脂与水性无机纳米浆料一起添加，在搅拌的情况下，纳米浆料能很好的分散在树脂体系中，树脂也能起到分散剂的作用。空心玻璃微珠与二氧化硅气凝胶的重量比为1-3:1-3，该比例范围内，最终涂层的隔热效果较优。

41、在本发明的一个优选的实施例中，所述无机纳米浆料的制备方法为将分散剂、助溶剂d、去离子水加至容器中搅拌均匀，加入空心玻璃微珠和二氧化硅气凝胶分散均匀，研磨分散均匀，研磨至浆料细度小于40um，过滤即得；

42、优选地，空心玻璃微珠：二氧化硅气凝胶：分散剂：助溶剂d：去离子水的重量比为20-50:20-50:5-30:5-20:5-20。

43、空心玻璃微珠和二氧化硅气凝胶的浆料研磨至40um以下，因浆料的细度过大会导致成膜时，成膜树脂无法很好的包裹浆料颗粒，漆膜显得粗糙、对素材的附着力变差，同时细度过大的浆料不能很好的分散在漆膜当中，会导致成膜之后的涂层隔热不均，有的部分隔热效果优异，有的部分隔热效果一般。

44、所述助溶剂d为乙二醇丁醚、丙二醇甲醚中的一种或两种。

45、优选地，所述a组分、所述b组分和无机纳米浆料过滤的目数为100-300目。

46、优选地，a组分和b组分搅拌过程的转速为600-1000转/分钟。

47、优选地，所述无机纳米浆料制备过程中空心玻璃微珠和二氧化硅气凝胶分散的转速为1400-1600转/分钟。

48、优选地，所述分散剂为byk-190。

49、本发明还公开了所述的隔热型水性聚氨酯涂料或采用所述的制备方法制得的隔热型水性聚氨酯涂料涂覆于铝素材和复合材料素材上的应用。

50、优选地，所述复合材料素材包括peek、pei、特种pc、玻璃纤维/酚醛树脂素材。

51、与现有技术相比，本发明所具有的有益效果为：

52、本发明提供的水性聚氨酯涂料由水性羟基丙烯酸树脂、适量的无机纳米浆料、助溶剂、助剂等制备而成；搭配混合的固化剂，使其具有优异的隔热性能、透明性、附着力及相关耐性。

53、本发明的水性航空隔热型聚氨酯涂料能应用在铝素材和复合材料素材上。

54、本发明的水性航空隔热型聚氨酯涂料适用于多种喷涂方式，综合性能优异，广泛应用在航空铝和复合材料上。