[发明专利]常温固化高硬度有机-无机杂化涂料及其制备和使用方法

说明书

技术领域

本发明属于杂化涂料技术领域，特别涉及一种可常温固化、高硬度、二氧化硅基有机-无机杂化涂料及其制备和使用方法。

背景技术

有机-无机杂化材料是一种性能优异的复合材料，它是通过一定的物理和化学方法将有机相结合到无机网络中，并形成相互贯穿的有机无机网络；其中的有机相和无机相通过化学键(共价键和配位键)、氢键或者是范德华力在纳米水平上结合，且相分离尺寸不大于纳米级。有机-无机材料作为一种分散均匀的多相材料，有机相和无机相之间的界面面积非常大、界面相互作用强，这些结构特点使得有机-无机杂化材料比传统的复合材料有着明显的优势。它综合了有机聚合物和无机材料的优良特性，具有良好的力学性能、耐高温性能以及良好的柔韧性；此外，有机-无机杂化材料能够在分子水平控制物质的结构，使材料的性能产生丰富的变化，在机械、光学、电子、分离、催化、化学和生物等许多领域有着广泛的应用前景。

二氧化硅基有机-无机杂化材料是最近发展起来的一类高性能有机-无机杂化材料，它以二氧化硅为无机组分，通过强的化学键与有机相结合，从而提高材料整体的耐热性、抗氧化性、硬度等性能，由该杂化材料所制备的涂层致密度好，抗老化能力强，提高了材料的抗腐蚀能力，往往被用作为金属表面涂装，提高金属的耐腐蚀性能。目前，二氧化硅基有机-无机杂化材料主要通过溶胶-凝胶法(Sol-Gel)来制备，一般用金属烷氧化物Si(OR)_Z(OR是烷基，Z是金属的氧化数)作为先驱体，先驱体分子水解后产生活性的羟基，经过缩水或缩醇反应形成溶胶，它可以直接注入模具中成型，也可以采用浸涂法或旋涂法成膜。随着水解缩聚反应的进行，溶胶的粘度进一步增加，最后成为凝胶。凝胶经过陈化、干燥成为干凝胶。在溶胶-凝胶过程中，金属烷氧化物的活性、水解比例R(H₂O:Si)、溶剂、催化剂、反应温度等都将影响产物的结构和性能。

随着现代科学技术的发展，工业领域对各种材料的表面性能要求不断提高，特别对材料表面涂层的耐磨耐刮、耐腐特性的要求也越来越高。研究发现，杂化涂层的硬度和附着力直接影响到其耐磨耐刮特性；同时，材料涂层的硬度和附着力受到水解程度以及固化交联度等多方面的影响。目前，国内外对提高二氧化硅基有机-无机杂化材料涂层硬度和附着力的研究很多，但往往都是通过提高溶胶体系的水解度，并且采用中温或高温加热烘烤或紫外光固化等方式来获得较高硬度和附着力的杂化涂层，难以对大件进行表面处理，同时增加能耗，导致涂料施工不方便，限制其应用范围；并且所制备的杂化涂料流平性差，成膜不稳定，且产品容易凝胶,贮存期较短。

发明内容

为了克服上述现有技术的缺点与不足，本发明的首要目的在于提供一种可常温固化、高硬度、二氧化硅基有机-无机杂化涂料。所述涂料能够实现常温固化，且涂层薄，在微米级厚度即可获得高硬度、高附着力、耐磨耐刮、抗腐蚀等多种特性功能，同时克服了杂化涂料容易凝胶，贮存期较短等缺点。

本发明另一目的在于提供一种上述可常温固化、高硬度、二氧化硅基有机-无机杂化涂料的制备方法。该制备方法是在硅烷氧基水解缩合反应的基础上，利用环氧基团和氨基基团进行反应制成了反应型双组分二氧化硅基有机-无机杂化涂料，即结合了无机部分的水解缩合和有机部分的化学反应完成涂料体系常温固化过程。

本发明的目的通过下述方案实现：

本发明提供的一种可常温固化、高硬度、二氧化硅基有机-无机杂化涂料，包括质量比为0.1:1～10:1的A组分和B组分，其中，A组分为氨基改性有机-无机杂化溶胶，B组分为环氧改性有机-无机杂化溶胶。

A组分由以下方法制备得到：

把氨基硅烷、杂化前驱体、有机溶剂和水在室温搅拌均匀，再加入酸性催化剂，加热回流反应，室温陈化，得到氨基改性有机-无机杂化溶胶。

以质量百分比计，反应体系中氨基硅烷含量为10～70％、杂化前驱体含量为0～50％、有机溶剂含量为30～80％、水含量为0.1～20％和酸性催化剂含量为0～2％。

为了更好地实现本发明，所述加热回流反应优选在40～60℃下冷凝回流1～3h。

为了更好地实现本发明，所述陈化的时间优选为8～48h。

为了更好地实现本发明，加入酸性催化剂前可调整反应体系温度为10～50℃。

B组分由以下方法制备得到：

把环氧硅烷、杂化前驱体、有机溶剂和水在室温搅拌均匀，再加入酸性催化剂，加热回流反应，室温陈化，得到环氧改性有机-无机杂化溶胶。