高耐候水性墙体涂料及其制备方法 技术领域
本发明涉及一种高耐候水性墙体涂料，特别是符合清洁生产要求的环境友好、高耐候水性乳胶涂料及其制备方法。
背景技术
墙体涂料作为主要的建筑涂料随着房地产产业的飞速发展，需求量不断增加。同时，随着现代高层建筑的兴起，对建筑涂料的耐候性要求越来越高，高耐候性涂料的研制成为当今世界尤其是发达国家涂料研究的活跃领域。高层建筑外墙的保洁和维护比一般低层建筑具有更大的难度，因此，新的要求是建筑的外观装饰与建筑本身要达到一体性，也就是说建筑的外装饰也需按百年大计来要求。这对建筑涂料提出了非常高的要求，高层建筑用涂料必须具备高抗粘污性和高耐候性(要求5～10年以上，至少与建筑物大修期相当)。
此外，人类赖以生存的环境越来越多地受到人们的关注。由于环境保护意识的提高，无公害(无污染)、省资源、省能源成了涂料工业发展的新要求。因此，涂料的品种结构应向着低有机挥发物(VOC)含量、环保化的绿色产品发展，以水性涂料代替油性涂料是涂料发展的必然趋势。水性涂料能在很大程度上降低VOC的产生，但是，一般水性涂料的性能与油性涂料相比存在涂层不够致密、涂层干燥温度高、与基底附着力不强、储存稳定性差等缺点。这是必须解决的问题。此外，传统的涂料，不管是油性涂料还是水性涂料，作为墙体涂料使用，特别是作为外墙涂料使用存在易受紫外线破坏的问题。原因是成膜树脂在没有特殊材料保护地情况下，其中的碳氢键容易在强紫外线照射下断裂降解，从而遭受破坏。提高水性涂料的质量和技术水平、开发新的品种，是巩固和发展水性涂料的重要环节。
发明内容
本发明的目的是提供一种高耐候水性乳胶涂料及其制备方法，该方法简单，节省能源，产品具有强抗紫外线、自洁、高耐磨擦力和强附着力的性能。
本发明的高耐候水性墙体涂料配方的重量百分比组成如下：
高分子乳液 10～70％；
固体填料 15～65％；
网状胶体 0.1～10％；
纳米材料 0.1～20％；
亲水/憎水双功能材料 0.1～5％；
助剂 1～10％；
水 余量。
本发明所指的高分子乳液是丙烯酸硅树脂、水性聚氨酯、聚丙烯酸酯、聚苯乙烯—丙烯酸酯、氟树脂，可由其中的一种或一种以上组成。其主要作用是涂料涂覆后形成所需要求的涂膜。
本发明所指的固体填料是钛白粉、锻烧高岭土、硅灰粉、滑石粉、碳酸钙、铁红粉、铬绿、各种水不溶性颜料、各种水不溶性且惰性粉体材料，由这些材料的一种或一种以上组成，其作用是在增强硬度、提高耐磨擦性、加强遮盖率等方面赋予涂料特殊的性能。
本发明所指的网状胶体是特指硅溶胶。硅溶胶是硅酸纳经树脂除钠后成纳米尺寸分散在水溶液中。这些材料在涂料成膜后形成网状结构，增强了涂层的强度和韧性，降低涂层粉化的危险。硅溶胶在涂料中成膜后其中的多个硅溶胶分子中的硅原子与氧原子头尾相连在三维方向上形成网状结构。因为这种结构中的原子价键饱和、结构稳定，从而大大提高了涂料的性能。
本发明所指的纳米材料一部分(A)是具有光催化，或杀菌功能的纳米尺寸材料，具体为二氧化钛、三氧化钨、氧化银和氧化锌，由这些材料的一种或一种以上组成。这些材料或是在光作用下，产生电子跃迁，与空气中的氧和水反应生成具很强氧化性的自由基。这些自由基能氧化与其接触的小有机分子、氮氧化物、硫化物，杀死细菌。或是直接与细菌作用达到消毒杀菌效果。由于这些材料能及时氧化来自汽车排放和工厂排放的碳氢化合物，体现了自洁的特点。基于纳米颗粒共有的小尺寸效应，这些材料同时具有紫外线屏蔽性能。
本发明所指的纳米材料的另一部分(B)是指对紫外线有优良屏蔽作用的纳米尺寸材料，包括氧化硅、氮化硅、碳化钨、氧化铝、活性碳和金属粉体的的一种或一种以上组成。添加少量这些纳米材料到涂料中后就能显著提高抗紫外线能力，而且这些材料的价格相对于上述纳米材料的价格低廉很多，使得涂料的性能价格比大幅度提高。
本项目所指的亲水/憎水双功能材料主要为硅烷偶联剂和/或钛酸酯偶联剂。这些偶联剂一头含亲水的基团，另一头含憎水的基团，亲水基团能很好与基底结合，憎水基团可抓住成膜材料，从而使形成的涂层与基底的附着力大大提高。
本发明所指的助剂为分散剂、增稠剂、消泡剂、防冻剂、成膜助剂、防霉剂和杀菌剂中的一种或一种以上。这些材料的加入能有效地分散纳米粒子，保持涂料各成份的稳定存在和涂料的冻融稳定性，提高涂料成膜后在墙体上的附着力，防止涂料在长期存放过程中发霉变质。
本发明的高耐候水性墙体涂料以下述步骤制备。
1、在搅拌下将增稠剂溶解在水中，调节pH值至7～10；
2、在中速搅拌下加入分散剂、部分消泡剂，均匀后加入偶联剂、防冻剂，转速为600～900转/分；
3、入纳米材料，充分搅拌；
4、加入固体填料，高速搅拌，转速为1800～2100转/分；
5、加入剩下的消泡剂、成膜助剂和其余助剂并搅拌；
6、最后加入乳液和纳米胶体，搅拌均匀后，加增稠剂调节粘度；
7、经研磨、调色、过滤等配成产品包装。
涂料最终的pH值在7～10之间，pH值为8～9时较好，最佳为8.5～9。
本发明的关键是纳米材料必须预先进行处理，以保证在涂料中真正发挥其固有的特性。由于纳米尺寸材料的活泼性，一般市售的纳米粉体发生二次团聚，使用前往往已成亚微米的团聚物，因此需要重新分散。本发明配方中的纳米材料预先添加分散剂，在超声波仂助下进行分散处理，处理好的材料保存在液相待用。
本发明配方中使用的纳米材料是由多种不同功能的纳米材料经分散剂处理混合在一起，配成水性浆料备用。自配的纳米材料对紫外线有很好的屏蔽作用，根据紫外-可见光谱测定，配置成含纳米材料0.05％的水溶液，在紫外区透过率基本上为零。在本发明涂料配方中作用为抗紫外辐射和破坏的主要成分。
本发明的特点是在使用硅丙、纯丙等具有优越性能的乳液基础上，通过构建网状结构，并以具有耐紫外线、光催化、高遮盖力等特性的纳米材料填补缺陷和引入功能，进一步加入具有亲水/憎水双特性的助剂(偶联剂)，最终形成致密、高附着力的涂层，来整体增强涂料的高耐候性能。这种设计概念可应用于传统涂料的改性和提高产品质量。
以上述方法设计配置的涂料可达到的性能为：使用寿命10～15年，耐洗刷性1万次以上，具有自洁、防霉、防水渗透等特性。
具体实施方式
实施例1
配方(重量百分比，％)：
去离子水 12.8；
增稠剂(ER-30M) 0.84；
pH调节剂(AMP-25) 适量(pH＝8.5左右)；
分散剂(731A) 1.0；
消泡剂(BYK-034) 0.4；
偶联剂(JKH-550) 0.5；
丙二醇 1.5；
纳米材料A(固含量15％) 2.2；
纳米材料B(固含量30％) 2.2；
钛白粉 10.0；
高岭土 10.0；
十二醇脂 2.5；
硅丙乳液(HBS02) 50.0；
硅溶胶(GS30) 6.0。
配置工艺步骤为：在低速搅拌下将部分增稠剂溶于去离子水中，然后用pH调节剂调节溶液的酸碱度为8.5～9.0左右。逐步提高搅拌速度，依此加入分散剂、消泡剂、偶联剂和丙二醇，充分搅拌。加入纳米材料、固体填料，高速搅拌1小时，用搅拌机的高剪切速率使加入的填料在最大程度上分散成原级颗粒。降低转速，依此加入剩余的消泡剂、增稠剂、十二醇脂、乳液和硅溶胶，进一步调节pH值。调色后，经振动筛过滤，最后成品包装。搅拌速度定义为：慢速100～500转/分(RPM)；中速600～900转/分；高速1800～2100转/分。
实施例2
将实施例1制备的涂料用去离子水稀释一倍，再加5％的硅丙乳液，充分搅拌，形成内墙涂料。
实施例3
在实施例1制备的涂料中再加入A、B两种纳米材料各4.4％，充分搅拌均匀，涂层干燥后形成高憎水和不粘油污的表面，体现很强的自洁特性，用于外墙涂料有很高的耐候性。