一种水性纳米色浆及其制备方法
技术领域
本发明涉及涂料技术领域，尤其涉及一种水性纳米色浆及其制备方法。
背景技术
纳米技术是在20世纪80年代末逐步发展起来的前沿、交叉性新兴科学。它的出现标志着人类改造自然的能力已延伸到原子、分子水平，标志着人类科学技术进入了一个新的时代——纳米科技时代。虽然纳米技术发展时间不长，但纳米材料所具有的独特性质，已经在涂料工业中发挥着重要作用。无论是在高档的工业涂料(飞机、船舶与汽车涂料)，还是普通建筑涂料与装饰涂料中，纳米材料的合理使用大大提高了涂料的耐久性、抗紫外、防霉抗菌、耐水、耐磨及耐沾污性等。随着工业科技的发展和进步，人们对色浆各项性能的要求也会越来越高。颜料色浆的纳米化，可以满足涂层的耐久性、耐气候牢度、耐热性、耐化学性等要求。颜料色浆的纳米化，可以改进涂层的质感、降低涂料成本甚至赋予涂层更高的理化性能和新的功能，改善其表面特性以提高其在涂料体系的分散性等。
迄今为止世界多个国家已生产出用于制造纳米粉体材料，其颜料色粉均已达到纳米级别，但是世界性的关键难题依然广泛存在于纳米涂料的生产过程中。要想大规模生产纳米涂料必须首先解决好因超细材料组合产生的容易团聚、分散性差、不稳定、使用率低等问题。
发明内容
针对现有纳米颜料在生产过程中容易团聚、分散性差、不稳定、使用率低等问题，本发明提供一种水性纳米色浆。
进一步地，本发明还提供一种水性纳米色浆的制备方法。
为达到上述发明目的，本发明实施例采用了如下的技术方案：
一种水性纳米色浆，按重量份数计，由以下组份组成：去离子水：3-20份，pH调节剂：0.1-0.2份，颜料增效剂：2-4份，润湿剂：18-28份，分散剂：18-28份，紫外线吸收剂：4-8份，消泡剂：0.2-0.5份，防腐剂：0.2-0.4份，保湿剂：4-10份，颜料45-65份，增稠剂：0.5-1.5份。
进一步地，还提供一种水性纳米色浆的制备方法，其特征在于：至少包括以下步骤：
步骤1、按照如权利要求1~9任一项所述的原料配比称取各组分；
步骤2、将去离子水、pH调节剂的60wt%、颜料增效剂、润湿分散剂的70wt%、消泡剂、防腐剂、增稠剂的40wt%加入反应器中，以100-200rpm的速度搅拌，然后在800-1000rpm的转速下加入纳米颜料、紫外线吸收剂、保湿剂，搅拌25-30min，得到色浆前浆；
步骤3、根据不同产品要求，将所述色浆前浆研磨至合格细度，研磨后加入润湿分散剂，最后加入剩余的pH调节剂、剩余的增稠剂，至合格的pH值和粘度。
上述制备方法操作简单，且所述步骤2中先采取100-200rpm的速度搅拌，低速搅拌不容易将气泡搅入体系中，以800-1000rpm的速度搅拌有助于分散，使体系达到均一效果；步骤3中具体指标因产品不一，数值会略有差异。
附图说明
为了更清楚地说明本发明实施例中的技术方案，下面将对实施例中所需要使用的附图作简单地介绍，显而易见地，下面描述中的附图仅仅是本发明的一些实施例，对于本领域普通技术人员来讲，在不付出创造性劳动的前提下，还可以根据这些附图获得其他的附图。
图1是本发明提供的研磨速率与颜料平均粒径的关系示意图；
图2是本发明提供的研磨时间与颜料平均粒径的关系示意图。
具体实施方式
为了使本发明的目的、技术方案及优点更加清楚明白，以下结合附图及实施例，对本发明进行进一步详细说明。应当理解，此处所描述的具体实施例仅仅用以解释本发明，并不用于限定本发明。
本发明实施例提供一种水性纳米色浆，按重量份数计，由以下组份组成：去离子水：3-20份，pH调节剂：0.1-0.2份，颜料增效剂：2-4份，润湿剂：18-28份，分散剂：18-28份，紫外线吸收剂：4-8份，消泡剂：0.2-0.5份，防腐剂：0.2-0.4份，保湿剂：4-10份，颜料45-65份，增稠剂：0.5-1.5份。
颜料分为无机颜料和有机颜料，根据本发明实施例色浆的需求筛选出颜色适宜、颗粒松弛、聚合度小、易于分散的颜料作为原料。良好的分散性能要求颜料颗粒小，且颜料粒子和粒径分布呈“正态分布”曲线。要获得良好的颜料应用特性，必须使颜料聚集体粉碎成颜料生产者所要求的晶体粒径，即力求减少过大或过小的粒子，即颜料粒径分布尽量集中在一个较窄的范围内。
作为一种优选情形，所述颜料为聚集体含量低于2wt%的纳米颜料。
纳米颜料，纳米颜料具有独特的量子尺寸效应、表面效应、宏观量子隧道效应、介电限域效应等特殊效应。纳米级的颜料粒子可显著改善色浆的着色强度、色光、抗紫外线能力（耐候性）、透明性（鲜艳度）、抗菌防霉及储存稳定性。
作为另一种优选情形，所述颜料为纳米颜料和有机颜料的混合物，且所述有机颜料与所述纳米颜料的质量比为4-5:1。
所用颜料为纳米颜料与有机颜料以适当比例复合，达到水性化和浆料化，使其成为纳米复合色浆。复合过程中，具有纳米粒子效应的颜料有效吸附在有机颜料粒子表面或周围，从而使有机颜料获得纳米粒子特性。纳米复合色浆可以有效改善有机颜料的抗紫外能力（耐候性），同时增强色浆的遮盖力与抗菌效果。有机颜料可选如：偶氮颜料、多环颜料、酞菁颜料中的一种。
上述优选情形中，进一步，所述纳米颜料的平均粒径优选为200-400nm。
具体优选地，所述纳米颜料为纳米氧化铁、纳米氧化钛、纳米氧化锌、纳米碳酸钙、纳米二氧化硅中的一种，且所述纳米颜料的平均粒径为200-400nm。
优选为用途最为广泛价格低廉性能优异的纳米氧化铁。纳米氧化铁消除了由磁性吸引力而引起的絮凝现象，因而更易分散，有优良的抗絮凝性。
优选地，所述有机颜料为偶氮颜料、多环颜料、酞菁颜料中的一种。
润湿过程是使原有的固/气两相被转换成固/液两相，添加纳米特效润湿剂可以降低界面张力，增加“铺展张力”，从而加速润湿过程；分散过程是如何使润湿好的颜料分散体稳定，控制絮凝，选择配伍性好的分散剂可以长时间吸附在颜料表面，以电荷相斥和/或空间位阻来维系分散体之间的合适空间结构，可以有效控制颜料分散体絮凝。优选地，所述润湿剂为分子量低于12000的的有机硅聚醚类，它可有效降低纳米颜料粒子和液体（例如水）之间的表面张力，增加其铺展力。具体优选的，所述有机硅聚醚类的分子结构为：
X的数值范围是14-30，R的碳原子数为1-5。
优选的润湿剂有如下特点：分子量低，多疏水基呈伞形对称结构，与传统活性剂相比较，润湿、渗透性表现极为优异、高效，是革命性的新一代表面活性剂。动、静态表面张力极低，含多醚基，化学性质为惰性，不参与体系的化学反应，耐酸碱性好，化学性质稳定。
由于纳米颜料粒子时憎水性的固体粉末，其表面不易被水润湿，不溶于水而下沉结块。当加入本非离子型润湿剂后，拒水部分基附着于纳米颜料粒子表面定向排列在固体纳米颜料粒子的表面上，亲水部分向外伸向水基中从而降低其表面能，使水能润湿这些颜料粒子，在其固体表面形成连续相，使固体粉末分散在水中成为稳定的悬浊液。
色浆是一个分散体系，一般颜料在液体中以悬浮形式保持长时间的稳定状态是很难的。这是因为颜料由于粒径细小(纳米级)，比表面积大，表面自由能会促使它们以聚集状态存在。在液体中颜料粒子多数络合成二次粒子聚积成块；当颜料粒子外包裹或吸附的分散剂受到其他物质的竞争或者其电荷性能受到破坏时，颜料粒子相互问受到外力的牵引时，都容易产生颜料粒子间的凝聚、沉降甚至于沉积分层等等不稳定情况的发生。因此其本身存在不稳定的倾向。把颜料制成色浆就是通过加入润湿剂等化学助剂，浸润到颜料粒子中去，再通过机械研磨使其在剪切力作用下，由聚集态解聚成稳定的个体粒子悬浮在分散液中。但被分散的颜料离子间还是有产生凝聚的倾向，需补加分散剂等使其被分散开的颜料粒子不致二次团聚絮凝。因此，如何将纳米颜料有效分散形成均一稳定的保持纳米效应的颜料分散体是制备透明色浆的关键所在。
优选地，所述分散剂为聚醚改性硅氧烷类。
具体优选的，所述聚醚改性硅氧烷类的分子结构为：
m、n的数值范围均为10-20，y的数值范围为14-30，R的碳原子数为1-5。
水性体系中适用的超分散剂由亲油亲水两部分组成，为达到良好的分散效果，亲水部分分子量一般控制在3000-5000，亲水链过长，超分散剂分子易从颜料表面脱落，且亲水链与亲水链间易发生缠绕而导致絮凝；疏水部分的分子量一般控制在5000-7000，疏水链过长，往往因无法完全吸附于粒子表面而形成环或与相邻粒子表面结合，导致粒子间的“架桥”絮凝。此外，高分子分散剂链段中亲水部分适宜比例为20%-40%，如果亲水端比例过高，则分散剂溶剂化过强，粒子与分散剂间的结合力相对削弱，分散剂容易脱落；反之若亲水端比例过低，分散剂无法在水中完全溶解，分散剂效果下降。
双甲基硅氧基具有拒水性，聚醚功能改性硅氧基具有亲水性。
本发明实施例所述润湿剂可以选择HCT公司生产的润湿剂HANSA ADD 1365，所述分散剂如HANSA ADD 1225。HANSA ADD 1225与HANSA ADD 1365协同发挥作用，共同维持色浆体系的稳定。
具体优选地，所述紫外线吸收剂为氧化铈纳米颗粒和氧化锌纳米颗粒的两种的混合物，所述氧化铈纳米颗粒与氧化锌纳米颗粒的质量比为（0.8-1.2）:（0.8-1.2）。其中，分散在所述色浆中的氧化铈纳米颗粒起到长期紫外线吸收剂的作用，因此可稳定水性涂料，防止变色和降解，由于氧化铈颗粒是纳米级，对体系的光泽和透明度无不良影响；氧化铈纳米颗粒分散体和氧化锌纳米颗粒两者搭配使用可以覆盖更广的紫外线光谱，达到更好的紫外线吸收效果。
优选地，所述pH调节剂为2-氨基-2-甲基-1-丙醇与丁基乙醇胺的一种或两种。
优选地，所述增稠剂为聚醚聚氨酯缔合型，如海明斯的RHEOLATE644。
所述消泡剂为憎水固体和破泡聚硅氧烷的混合物BYK-017，为憎水固体和破泡聚硅氧烷的混合物，可在分散和研磨阶段有效的消泡和抑泡，储存稳定性极好，从而改善最终色浆的研磨效果。所述pH调节剂如陶氏化学的AMP-95与爱旺德的丁基乙醇胺一种或按一定比例的两种混合物。
所述颜料增效剂如BYK-SYNERGIST 2105，该助剂能使润湿分散剂更好的吸附在有机颜料的表面，从而可以提高润湿分散剂的效率，赋予颜料以等电势，可避免因等电势而产生的颜料共絮凝。
所述的防腐剂为索尔的HF和EPW中的一种或按一定比例的两种混合物。
所述的保湿剂为改性脲的BYKETOL-PC，其特殊的分子结构，可有效控制水分的挥发，从而防止水性浓缩浆的干燥和结块。
本发明实施例提供一种水性纳米色浆的制备方法，至少包括以下步骤：
步骤1、按照上述的原料配比称取各组分；
步骤2、将去离子水、pH调节剂的60wt%、颜料增效剂、润湿分散剂的70wt%、消泡剂、防腐剂、增稠剂的40wt%加入反应器中，以100-200rpm的速度搅拌，然后在800-1000rpm的转速下加入纳米颜料、紫外线吸收剂、保湿剂，搅拌25-30min，得到色浆前浆；
步骤3、根据不同产品要求，将所述色浆前浆研磨至合格细度，研磨后加入润湿分散剂，最后加入剩余的pH调节剂、剩余的增稠剂，至合格的pH值和粘度。
上述制备方法操作简单，且所述步骤2中先采取100-200rpm的速度搅拌，低速搅拌不容易将气泡搅入体系中，以800-1000rpm的速度搅拌有助于分散，使体系达到均一效果；步骤3中具体指标因产品不一，数值会略有差异。
色浆能否有很好的稳定性是制备色浆最关键的技术之一。首先要保证颜料充分有效分散，还要促进高度分散的颜料稳定而不重聚，同时还要克服色浆中高聚物对颜料的裹带而使颜料的分散遭到破坏，这是体系的稳定保证。而分散研磨颜料是保证色浆稳定的第一步，也是制成的重要环节。
在确定了色浆的制成配方后还要正确的选择分散设备和工艺。在制备前须将色浆的预混料充分地预分散，使其均匀混合，不出现大的附聚物，利于色浆的研磨分散。
分别分析研磨速率和研磨时间对平均粒径的影响。研磨速率对平均粒径的影响如图1所示，由图1可以看出随着研磨速率的增加，被研磨的颜料粒径逐渐减小。速率的增加使得研磨珠子与颜料的碰撞机会增多，那么研磨珠子对颜料粒子的剪切机率相应增大，从而使颜料粒子由大变为更小，也就是平均粒径变小。
研磨时间对平均粒径的影响如图2所示，由图2可以看出随着研磨时间延长，颜料平均粒径逐渐减小。但研磨时间超过四小时以后，随着时间的延长，粒径的变化已不再明显。说明，不能一味使用加强研磨时间而使粒径变小的目的。因为，颜料粒径的变小还受到配方、研磨介质和速率等多方面的制约。
通过图1与图2，可以看出，在配方已经成熟的基础上，相同的其它条件下，单纯提高研磨速率和加大研磨时间的做法均是不可取的。另外，透过理论之外从生产成本上考虑，应选择合适的研磨速率和研磨时间。至于研磨介质珠子的大小以及用量，考虑到我们机器的良好性能和使用说明，在此不做研究与讨论。
为了更好的理解本发明一种水性纳米色浆及其制备方法的技术方案，下面进一步通过多个例子进行举例说明。
实施例1
本实施例提供一种水性纳米色浆，原料按重量份计的如下组分：去离子水：4份，pH调节剂：0.1份，颜料增效剂：2份，润湿剂：18份，分散剂：28份，紫外线吸收剂：8份，消泡剂：0.2份，防腐剂：0.2份，保湿剂：4份，纳米氧化铁颜料45份，增稠剂：0.5份。
上述水性纳米色浆的制备方法至少包括以下步骤：
步骤1、按照上述的原料配比称取各组分；
步骤2、将去离子水、pH调节剂的60wt%、颜料增效剂、润湿分散剂的70wt%、消泡剂、防腐剂、增稠剂的40wt%加入反应器中，以100-200rpm的速度搅拌，然后在800-1000rpm的转速下加入纳米颜料、紫外线吸收剂、保湿剂，搅拌25-30min，得到色浆前浆；
步骤3、将所述色浆前浆研磨2-4遍至合格细度，每次研磨完后逐步加入剩余下的pH调节剂至pH值合格、润湿分散剂、增稠剂至粘度合格。
具体指标：细度为≤400nm，粘度为80-100KU（23±2℃），pH值为7.5-9.5。
实施例2
本实施例提供一种水性纳米色浆，原料按重量份计的如下组分：去离子水：3份，pH调节剂：0.2份，颜料增效剂：4份，润湿剂：28份，分散剂：17份，紫外线吸收剂：4份，消泡剂：0.5份，防腐剂：0.3份，保湿剂：10份，纳米氧化铁颜料40份，增稠剂：1.5份。
上述水性纳米色浆的制备方法至少包括以下步骤：
步骤1、按照上述的原料配比称取各组分；
步骤2、将去离子水、pH调节剂的60wt%、颜料增效剂、润湿分散剂的70wt%、消泡剂、防腐剂、增稠剂的40wt%加入到反应器中，以100-200rpm的速度搅拌至均匀，然后在800-1000rpm的转速下加入纳米氧化铁颜料、紫外线吸收剂、保湿剂，搅拌25-30min，得到色浆前浆，备用；
步骤3、将所述色浆前浆研磨2-4遍至合格细度，每次研磨完后逐步加入剩余下的pH调节剂至pH值合格、润湿分散剂、增稠剂至粘度合格。
具体指标：细度为≤400nm，粘度为80-100KU（23±2℃），pH值为7.5-9.5。
实施例3
本实施例提供一种水性纳米色浆，原料按重量份计的如下组分：去离子水：8份，pH调节剂：0.1份，颜料增效剂：24份，润湿剂：19份，分散剂：19份，紫外线吸收剂：4份，消泡剂：0.2份，防腐剂：0.2份，保湿剂：5份，纳米氧化锌颜料8.5份，酞青蓝40份，增稠剂：0.5份。
上述水性纳米色浆的制备方法至少包括以下步骤：
步骤1、按照上述的原料配比称取各组分；
步骤2、将去离子水、pH调节剂的60wt%、颜料增效剂、润湿分散剂的70wt%、消泡剂、防腐剂、增稠剂的40wt%加入到反应器中，以100-200rpm的速度搅拌至均匀，然后在800-1000rpm的转速下加入纳米氧化铁颜料、紫外线吸收剂、保湿剂，搅拌25-30min，得到色浆前浆，备用；
步骤3、将所述色浆前浆研磨2-4遍至合格细度，每次研磨完后逐步加入剩余下的pH调节剂至pH值合格、润湿分散剂、增稠剂至粘度合格。
具体指标：细度为≤400nm，粘度为80-100KU（23±2℃），pH值为7.5-9.5。
以上所述仅为本发明的较佳实施例而已，并不用以限制本发明，凡在本发明的精神和原则之内所作的任何修改、等同替换或改进等，均应包含在本发明的保护范围之内。
1.一种水性纳米色浆，其特征在于：按重量份数计，由以下组份组成：去离子水：3-20份，pH调节剂：0.1-0.2份，颜料增效剂：2-4份，润湿剂：18-28份，分散剂：18-28份，紫外线吸收剂：4-8份，消泡剂：0.2-0.5份，防腐剂：0.2-0.4份，保湿剂：4-10份，颜料45-65份，增稠剂：0.5-1.5份。
2.如权利要求1所述的水性纳米色浆，其特征在于：所述颜料为聚集体含量低于2wt%的纳米颜料。
3.如权利要求1所述的水性纳米色浆，其特征在于：所述颜料为纳米颜料和有机颜料的混合物，且所述有机颜料与所述纳米颜料的质量比为4-5:1。
4.如权利要求1-3任一项所述的水性纳米色浆，其特征在于：所述纳米颜料为纳米氧化铁、纳米氧化钛、纳米氧化锌、纳米碳酸钙、纳米二氧化硅中的一种，且所述纳米颜料的平均粒径为200-400nm。
5.如权利要求3所述的水性纳米色浆，其特征在于：所述有机颜料为偶氮颜料、多环颜料、酞菁颜料中的一种。
6.如权利要求1所述的水性纳米色浆，其特征在于：所述润湿剂为分子量低于12000的有机硅聚醚类，所述分散剂为聚醚改性硅氧烷类。
7.如权利要求1所述的水性纳米色浆，其特征在于：所述紫外线吸收剂为氧化铈纳米颗粒和氧化锌纳米颗粒的混合物，且所述氧化铈纳米颗粒与氧化锌纳米颗粒的质量比为（0.8-1.2）:（0.8-1.2）。
8.如权利要求1所述的水性纳米色浆，其特征在于：所述pH调节剂为2-氨基-2-甲基-1-丙醇与丁基乙醇胺的一种或两种。
9.如权利要求1所述的水性纳米色浆，其特征在于：所述增稠剂为聚醚聚氨酯缔合型。
10.一种水性纳米色浆的制备方法，其特征在于：至少包括以下步骤：
步骤1、按照如权利要求1~9任一项所述水性纳米色浆的原料配比称取各组分；
步骤2、将去离子水、pH调节剂的60wt%、颜料增效剂、润湿分散剂的70wt%、消泡剂、防腐剂、增稠剂的40wt%加入反应器中，以100-200rpm的速度搅拌，然后在800-1000rpm的转速下加入纳米颜料、紫外线吸收剂、保湿剂，搅拌25-30min，得到色浆前浆；
步骤3、根据不同产品要求，将所述色浆前浆研磨至合格细度，研磨后加入润湿分散剂，最后加入剩余的pH调节剂、剩余的增稠剂，至合格的pH值和粘度。
