(12)发明专利申请
(10)申请公布号 CN 112300608 A(43)申请公布日 2021.02.02
(21)申请号 202011192859.9(22)申请日 2020.10.30
(71)申请人 合肥工业大学
地址 230009 安徽省合肥市包河区屯溪路
193号
申请人 安徽好思家涂料股份有限公司(72)发明人 刘雪霆 李缘 范影 刘长明 (74)专利代理机构 安徽省蚌埠博源专利商标事
务所(普通合伙) 34113
代理人 杨晋弘(51)Int.Cl.
C09D 1/00(2006.01)C09D 5/18(2006.01)C09D 7/61(2018.01)C09D 7/65(2018.01)
权利要求书1页 说明书5页 附图2页
(54)发明名称
基于地质聚合物的水性无机涂料及其制备方法
(57)摘要
本发明公开了一种基于地质聚合物技术的水性无机涂料及其制备方法，该涂料的组成成分主要包括地质聚合物偏高岭土为50‑60份，粉末型水玻璃为40‑50份，云母粉为1‑5份，钛白粉为1‑5份，改性剂为1‑5份，硅丙乳液为10‑20份，去离子水为50‑60份，通过简单的粉末混合搅拌工艺制得涂料。地质聚合物具有高温稳定性，高的结合力和持久性，低渗透性和高的耐化学腐蚀性，因此本发明所制得的涂料具有良好的耐水耐火性、抗裂性、耐洗刷性，满足市场需求，且生产过程绿色环保，原料价廉易得，工艺简单，能耗低。符合涂料行业未来发展要求，符合可持续发展理念。
CN 112300608 ACN 112300608 A
权 利 要 求 书
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1.基于地质聚合物技术的水性无机涂料，其特征在于主要由以下重量份数配比的原料组成：偏高岭土为50-60份，粉末型水玻璃为40-50份，云母粉为1-5份，钛白粉为1-5份，改性剂为1-5份，硅丙乳液为10-20份，去离子水为50-60份。
2.根据权利要求1所述的基于地质聚合物技术的水性无机涂料，其特征在于所述偏高岭土是由高岭土通过800℃煅烧2h活化而得。
3.根据权利要求1所述的基于地质聚合物技术的水性无机涂料，其特征在于所述粉末型水玻璃的模数为1。
4.根据权利要求1所述的基于地质聚合物技术的水性无机涂料，其特征在于所述云母粉的平均粒径为 1000目。
5.根据权利要求1所述的基于地质聚合物技术的水性无机涂料，其特征在于所述改性剂选自氧化镁粉末、氧化钙粉末、海泡石、石英砂、氧化铝粉末中的一种或几种组合。
6.根据权利要求1所述的基于地质聚合物技术的水性无机涂料及其制备方法，其特征在于所述硅丙乳液含量为48%。
7.根据权利要求1-6所述的基于地质聚合物技术的水性无机涂料的制备方法，其特征在于，包括以下步骤：（1）按重量份计称取好所需原料备用；（2）向容器中依次加入称取好的偏高岭土、云母粉、钛白粉、改性剂，混合搅拌均匀；（3）向称取好的粉末水玻璃中加入去离子水，搅拌溶解；（4）将步骤（3）得到的水玻璃溶液与步骤（2）中的粉末混合搅拌，加入硅丙乳液，置于搅拌机中，在转速为1500-3000r/min搅拌30min，得到基于地质聚合物技术的水性无机涂料。
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说 明 书
基于地质聚合物的水性无机涂料及其制备方法
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技术领域
[0001]本发明属于复合材料与建筑领域，具体涉及一种基于地质聚合物技术的水性无机涂料及其制备方法。
背景技术
[0002]在内外墙建筑涂料中，水性有机高分子聚合物树脂涂料被广泛的应用，水性涂料虽然克服了溶剂型涂料会产生大量有害VOC的缺点，但是其阻燃，耐老化等性能还有待进一步提高，基于公共安全和环保考虑，世界和我国对公共建筑区域的墙体表面涂料的阻燃性能要求有了进一步的提高，需要达到不燃的要求，而常见水性涂料由于有机物含量高阻燃性能难以达到不燃的要求。减少涂料中有机树脂的含量是有效途径，但是由于无机成分的增多常会带来涂层耐磨性、耐水性、抗裂性降低等负面影响。因此如何提高阻燃性同时又不会降低耐磨性等要求是目前高性能涂料研究的一个核心问题。
[0003]中国专利号为201811277720.7公开了一种高抗渗透防水无机涂料及其制备方法，该发明采用超细砂、水泥、掺合料、硅酸钠等原料合成无机涂料，其中掺合料和硅酸钠都可通过提高无机涂料密实度来增强涂料的抗渗透性。但原料中的水泥生产需高温煅烧以及长时间研磨，会带来高能耗和高SO2,、CO2等有害的温室气体排放问题。其他的对比文件如CN110885602A、CN104446308A、CN111039651A提供的涂料，也都存在涂层的附着力降低，抗裂性能降低，涂层易开裂剥落等现象。发明内容
[0004]本发明的目的在于提高现有涂料的阻燃性的同时，满足耐水耐洗刷性，抗裂性等要求，提供一种工艺简单，成本低廉，节能环保的基于地质聚合物的水性无机涂料及其制备方法。
[0005]为了解决上述存在的技术问题，本发明采用以下技术方案：
一种基于地质聚合物的水性无机涂料，其特征在于主要由以下重量份数配比的原料组成：
偏高岭土为50-60份，粉末型水玻璃为40-50份，云母粉为1-5份，钛白粉为1-5份，改性剂为1-5份，硅丙乳液为10-20份，去离子水为50-60份。[0006]优选的，所述偏高岭土是由高岭土通过800℃煅烧2h活化而得；
优选的，所述粉末型水玻璃的模数为1；优选的，所述云母粉的平均粒径为1000目；优选的，所述改性剂选自氧化镁粉末、氧化钙粉末、海泡石、石英砂、氧化铝粉末中的一种或多种。
[0007]优选的，所述硅丙乳液含量为48%。
[0008]一种基于地质聚合物的水性无机涂料的制备方法，其特征在于包括以下步骤：
（1）按重量份计称取好所需原料，备用；
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说 明 书
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（2）向容器中依次加入称取好的偏高岭土、云母粉、钛白粉、改性剂，混合搅拌均匀，备用；
（3）向称取好的粉末水玻璃中加入去离子水，搅拌溶解，备用；（4）将步骤（3）得到的水玻璃溶液与步骤（2）中的粉末混合搅拌，加入硅丙乳液，置于搅拌机中，在转速为1500-3000r/min搅拌30min，得到基于地质聚合物技术的水性无机涂料。[0009]本发明技术方案中，偏高岭土、云母粉是合成地质聚合物的主要原料，因为地质聚合物是由硅铝酸盐矿物经过加入碱，进行激活反应后得到的，上面两个原料都是硅铝酸盐。[0010]地质聚合物是由碱性硅酸盐和硅铝酸盐反应形成的以Si-O-Al键结合的无机聚合物，简称GP（geopolymer）。GP具有高温稳定性，高的结合力和持久性，低渗透性，高的耐化学腐蚀和环境友好性等特点而受到广泛关注，用它代替水泥充当建筑材料，且煅烧温度（800℃）低于水泥（1500℃左右）。涂料合成可以在低温或常温下完成，具有节能环保的优点，GP用于涂层中可以在提高涂料阻燃性的同时，保持较高的耐洗刷性，抗裂性等。[0011]本发明技术方案中，偏高岭土50-60份，粉末型水玻璃40-50份，水玻璃与偏高岭土的质量比大约在0.8左右，地聚物基料的综合性能比较好。水玻璃与偏高岭土质量比太大，由于水玻璃模数较低，碱含量相对较高，遇到潮湿的天气，涂层易泛碱粉化，影响美观和使用性能，而对比的三篇专利文献中水玻璃与偏高岭土的质量比偏大，易产生泛碱现象。质量比太小，碱激发剂含量降低，偏高岭土地聚合反应不完全，涂层的附着力降低，抗裂性能降低，涂层易开裂剥落。
[0012]本发明技术方案中，云母粉1-5份，钛白粉1-5份，云母粉具有良好的弹性、韧性、绝缘性、耐高温、耐酸碱、耐腐蚀、附着力强等特性，是一种优良的添加剂。当云母粉含量达到一定值时，涂层抗裂性也达到最优值。根据实验结果，云母粉添加量为1-5份左右时，涂层抗裂效果较好。钛白粉作为颜料，主要成分为二氧化钛，具有很强的遮盖力，钛白粉含量为1-5份时，能够基本满足涂层颜色遮盖的需求。由于本发明涂层的附着力主要由铝硅酸盐地聚合物承担，因此当云母粉和钛白粉添加量过多（如提供的两篇专利：CN 111039651 A， CN104446308 A）时，可导致涂层和基材有效结合点减少，附着力下降，涂层易开裂脱落。[0013]本发明技术方案中，改性剂和硅丙乳液的作用原理及其效果；
改性剂：在反应过程中，由于地聚物基无机涂料是由Si-O-Al共价键构成，因此普遍存在脆性大，抗裂性能不佳的问题，易产生裂缝，为克服此缺点，可将改性剂添加到涂层中，改性剂可为金属氧化物，微观上为纤维状的聚合物或者矿物等，金属氧化物改性剂与水分以及大气中的CO2反应，生成不溶性材料，参与裂缝的修补，而加入纤维状的改性剂，在地聚合反应过程中能够起到桥接作用，可防止微裂纹的产生和扩大，来提高涂层抗裂性。且改性剂的添加有助于涂层形成致密的微观结构，从而提高涂层的耐洗刷性。[0014]硅丙乳液：是在含有不饱和键的有机硅单体与丙烯酸类单体中加入合适的助剂，通过核壳包覆聚合工艺聚合而成的乳液，硅丙乳液用在涂料中可以将有机硅耐高温性、耐候性、耐化学品性，疏水、表面能低不易污染性以及丙烯酸类树脂的高保色性、柔韧性、附着性等优异性能充分应用。通过协同作用有利于提高涂料耐候、耐水、抗污染性，提高涂料塑性。
[0015]本发明的有益效果在于：
1)本发明采用偏高岭土作为涂层成膜物质，在碱激活剂水玻璃溶液的作用下，偏高岭
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说 明 书
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土发生溶解、缩聚反应，使得偏高岭土具有高温稳定性，还具有高的结合力和持久性、低渗透性、高的耐化学腐蚀和环境友好性，合成涂料过程绿色环保，合成的涂料具有优异的阻燃性，耐水耐候性等。
[0016]2)本发明中使用的改性剂和硅丙乳液在一定程度上可以进一步提高界面结合力，增加涂层的塑性，从而提高涂料的抗裂性，以及涂层的耐洗刷性。[0017]3)本发明制备工艺简单易行，原料价廉易得，能耗低。[0018]附图说明：
图1为本发明涂料的热重（TG）分析图（养护28天）；图2为采用英国 FTT 公司生产的 FTT i-Cone型锥形量热仪对涂层进行检测得到的样品失重率，模拟真实的火灾情况；
图3为涂层的扫描电子显微图（SEM）（养护28天，湿膜厚度500μm）；图4为英国 FTT 公司生产的 FTT i-Cone型锥形量热仪。具体实施方式
[0019]一种基于地质聚合物的水性无机涂料，主要由偏高岭土、粉末型水玻璃，云母粉、钛白粉、改性剂、硅丙乳液、去离子水组成，其中偏高岭土为50-60份，粉末型水玻璃为40-50份，云母粉为1-5份，钛白粉为1-5份，改性剂为1-5份，硅丙乳液为10-20份，去离子水为50-60份。
[0020]实施例1：
一种基于地质聚合物技术的水性无机涂料制备方法，包括以下步骤：（1）称取原料：偏高岭土55份，粉末水玻璃40份，云母2份，钛白粉2份，氧化镁粉末3份，硅丙乳液15份，去离子水50份。[0021]（2）向容器中依次加入称取好的偏高岭土、云母粉、钛白粉、改性剂，混合搅拌均匀。备用。[0022]（3）向称取好的粉末水玻璃中加入去离子水，搅拌溶解。备用。[0023]（4）将步骤（3）得到的水玻璃溶液与步骤（2）中的粉末混合搅拌，加入硅丙乳液，置于搅拌机中，在转速为2000r/min搅拌30min，得到水性无机涂料1。[0024]实施例2：
本实施例的制备方法同实施例1，不同的是将实施例1中的粉末水玻璃40份分别替换成粉末水玻璃45份，粉末水玻璃50份，得到水性无机涂料2，水性无机涂料3。[0025]实施例3：
本实施例的制备方法同实施例1，不同的是将实施例1中的去离子水50份分别替换成去离子水55份，去离子水60份，得到水性无机涂料4，水性无机涂料5。[0026]实施例4：
一种基于地质聚合物技术的水性无机涂料及其制备方法，包括以下步骤：（1）称取原料：偏高岭土55份，粉末水玻璃45份，云母2份，钛白粉4份，氧化镁粉末3份，硅丙乳液10份，去离子水50份。[0027]（2）向容器中依次加入称取好的偏高岭土、云母粉、钛白粉、改性剂，混合搅拌均匀。备用。
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（3）向称取好的粉末水玻璃中加入去离子水，搅拌溶解。备用。
[0029]（4）将步骤（3）得到的水玻璃溶液与步骤（2）中的粉末混合搅拌，加入硅丙乳液，置于搅拌机中，在转速为1500r/min搅拌30min，得到水性无机涂料6。[0030]实施例5：
本实施例的制备方法同实施例4，不同的是将实施例4中的硅丙乳液10份分别替换成硅丙乳液15份，硅丙乳液20份。得到水性无机涂料7，水性无机涂料8。[0031]实施例6：
本实施例的制备方法同实施例4，不同的是将实施例4中的“氧化镁粉末3份”分别替换成“氧化镁粉末1份”、“氧化镁粉末5份”。得到水性无机涂料9，水性无机涂料10。[0032]实施例7：
一种基于地质聚合物技术的水性无机涂料及其制备方法，包括以下步骤：（1）称取原料：偏高岭土60份，粉末水玻璃50份，云母3份，钛白粉3份，氧化镁粉末3份，硅丙乳液20份，去离子水50份。[0033]（2）向容器中依次加入称取好的偏高岭土、云母粉、钛白粉、改性剂，混合搅拌均匀。备用。[0034]（3）向称取好的粉末水玻璃中加入去离子水，搅拌溶解。备用。[0035]（4）将步骤（3）得到的水玻璃溶液与步骤（2）中的粉末混合搅拌，加入硅丙乳液，置于搅拌机中，在转速为2500r/min搅拌30min，得到水性无机涂料11。[0036]实施例8：
本实施例的制备方法同实施例4，不同的是将实施例7中的“氧化镁粉末3份”分别替换成“氧化镁粉末1.5份，石英砂1.5份”、“氧化镁粉末1.5份,氧化钙粉末1.5份”。得到水性无机涂料12，水性无机涂料13。[0037]实施例9：
一种基于地质聚合物技术的水性无机涂料及其制备方法，包括以下步骤：（1）称取原料：偏高岭土55份，粉末水玻璃45份，云母3份，钛白粉5份，氧化镁粉末3份，硅丙乳液15份，去离子水50份。[0038]（2）向容器中依次加入称取好的偏高岭土、云母粉、钛白粉、改性剂，混合搅拌均匀。备用。[0039]（3）向称取好的粉末水玻璃中加入去离子水，搅拌溶解。备用。[0040]（4）将步骤（3）得到的水玻璃溶液与步骤（2）中的粉末混合搅拌，加入硅丙乳液，置于搅拌机中，在转速为3000r/min搅拌30min，得到水性无机涂料14。[0041]参考国家无机涂料的相关标准，对实验所制备的地聚物基涂料的各项性能进行测定。耐水性：耐水性测定方法有常温浸水法、沸水浸泡法、40℃恒温流动水浸泡法等，普遍采用的是常温浸水法，国家标准是GB/T 1733-1993；涂层的燃烧性能及其阻燃等级测定分别按照国家标准GB/T14402-2007、GB/T8624-2012执行；耐洗刷性：按国家标准GB/T9266-2009进行测定；抗裂性：综合反映涂层柔韧性和对底材的附着力，可按国家标准GB/T 1732-1993规定进行测定。
[0042]水性无机涂料性能测试结果：
水性无机涂料耐水性阻燃等级耐洗刷性抗裂性
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说 明 书
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涂料1良好A＞18000次无裂纹涂料2良好A＞18000次无裂纹涂料3良好A＞18000次无裂纹涂料4良好A＞18000次无裂纹涂料5良好A＞18000次无裂纹涂料6良好A＞18000次无裂纹涂料7良好A＞18000次无裂纹涂料8良好B1＞18000次无裂纹涂料9良好A＞12000次无裂纹涂料10良好A＞18000次无裂纹涂料11良好B1＞18000次无裂纹涂料12良好B1＞18000次无裂纹涂料13良好B1＞12000次无裂纹涂料14良好A＞12000次无裂纹上表可见，本发明制备的水性无机涂料耐水性良好，参考国家标准阻燃性能均在B1(难燃)及以上，耐洗刷，抗裂性等方面都表现出显著的优异性。[0043]参见图1为涂料的热重（TG）分析图（养护28天），质量损失大概在18%左右，从图中可以看出有三个主要失重的温度段：涂层表面附着水干燥: 约占2.5%（100℃以下，吸热峰位于95℃）； 固定水以及少量有机乳液干燥：约占12.5% （100℃-400℃之间，吸热峰位于372℃），水化硅铝酸盐的脱水反应约占3%（400℃-500℃之间，吸热峰位于442℃），热重分析中质量损失主要是脱水和脱羟基造成的，没有地聚合物材料骨架的分解（参考文献1：M. Irfan Khan, Khairun Azizlin , Suriati Sufian, Zakaria Man, Sodium silicate-free geopolymers as coating materials: Effects of Na/Al and water/solid ratios on adhesion strength. Ceramics International 41 (2015) 2794–2805. 2：瞿霜. 掺偏高岭土和氧化镁的碱矿渣隧道防火涂料制备及其机理研究[D]. 福州大学, 2018.），涂层热稳定性高，阻燃性能较佳。[0044]参见图2为采用英国 FTT 公司生产的 FTT i-Cone型锥形量热仪（如图4所示）对涂层进行检测得到的样品失重率，模拟真实的火灾情况，涂层失重约为27.1%，远小于50%，满足不燃材料质量损失率的标准（国家标准GB8624-2012）。[0045]参见图3为涂层的扫描电子显微图（SEM）（养护28天，湿膜厚度500μm），可见涂层表面光滑无裂纹，耐洗刷时摩擦力小。地聚合物无机材料耐磨性高，添加改性剂，可提高涂层致密性，硅丙乳液本身耐水性好，易成膜，有助于涂层免受外界的侵蚀，三者作用相结合，可协同提高涂层的耐洗刷性。[0046]以上所述，仅为本发明的部分实施例，并不用以限制本发明，本发明的专利保护范围应以其权利要求的内容为准，凡是根据本发明的发明内容加以同等替换或改变，都应涵盖在本发明的保护范围之内。
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