一种石墨烯基水性涂料及其制备方法技术

本发明专利技术属于聚合物基复合涂料领域，特别涉及一种石墨烯基水性涂料及其制备方法。本发明专利技术所解决的技术问题是提供一种水性的、具有良好延展性、具有较高韧性、较好附着力和硬度的聚氨酯类涂料。本发明专利技术通过分子结构设计，通过异佛尔酮二异氰酸酯(IPDI)将GO表面的羟基官能团进行异氰酸化后，使GO的表面接上IPDI，再将接好IPDI的氧化石墨烯通过原位聚合法与PCDL上的羟基进行反应，从而实现GO与PCDL的化学键合，彻底解决GO在聚合物涂料中分散问题和界面问题。本发明专利技术所制备的石墨烯/聚碳酸酯二醇(GO/PCDL)复合涂料除了具备水性聚氨酯类的优异性能外，还具有抗静电性，可以广泛应用于电子电器、功能涂料等领域。

Graphene based waterborne coating and preparation method thereof

The invention belongs to the field of polymer-based composite coatings, in particular to a graphene-based waterborne coatings and a preparation method thereof. The technical problem solved by the invention is to provide a waterborne polyurethane coating with good ductility, high toughness, good adhesion and hardness. By means of molecular structure design, the hydroxyl functional groups on the GO surface are isocyanated by isophorone diisocyanate (IPDI), IPDI is attached to the GO surface, and the graphene oxide grafted with IPDI is reacted with the hydroxyl groups on the PCDL by in-situ polymerization, thereby realizing the chemical bonding of GO with PCDL and thoroughly solving the problem of GO. Dispersion and interface problems in polymer coatings. The graphene/polycarbonate diol (GO/PCDL) composite coating prepared by the invention not only has excellent properties of waterborne polyurethane, but also has antistatic property, and can be widely used in electronic and electrical appliances, functional coatings and other fields.

【技术实现步骤摘要】
一种石墨烯基水性涂料及其制备方法
本专利技术属于聚合物基复合涂料领域，特别涉及一种石墨烯基水性涂料及其制备方法。
技术介绍
聚碳酸酯二醇(PCDL)，长链分子两端都带有端羟基，主链上有重复单元碳酸酯基的大分子聚合物，PCDL在1986年最早由日本公司生产，PCDL具有较低的玻璃化转变温度(Tg)，较好的室温柔顺性，在制备成聚氨酯涂料好又具有较好的耐水解性，因而被广泛的应用于涂料领域中。石墨烯是一种具有单原子厚度的二维碳纳米材料，自从2004年被科学家发现以来，便迅速的成为了自富勒烯、碳纳米管之后，材料科学界的又一个研究前沿。石墨烯材料的宏观结构是由微米大小的、导电性能良好的石墨稀单片搭接而成的，这样的结构特征也决定了它具有很好的储能能力。石墨烯由于具有良好的导电性、较大的比表面积和较好的导热特性，因而在介电材料和电池材料的方面有着巨大的研究和应用前景。聚氨酯是一类重要的有机高分子材料，是由多元醇和多异氰酸酯通过加成聚合而成。其中，聚酯型的聚氨酯材料不耐水解，聚醚型的聚氨酯材料其耐热性能、力学性能及耐氧化性能较差。目前，常采用无机填料改善聚合物涂料的性能。但是，传统的聚合物基复合涂料多采用物理方式进行机械共混，由于无机填料在聚合物中界面不相容，且聚合物黏度大，填料无法均匀分散，因而无法得到较好的聚合物基复合涂料。申请号为201410575831.1的中国专利公开了一种石墨烯基导电阻燃型水性聚氨酯涂料和胶黏剂的制备方法。该方法采用将酰胺化石墨烯中间体加入到聚碳酸酯二醇(PCDL)中，升温后，再加入异佛尔酮二异氰酸酯(IPDI)和催化剂，当NCO基团含量达到6.4％时，加入亲水扩链剂继续反应，最后加入交联剂、三乙胺中和成盐，并加水分散，制得石墨烯基导电阻燃型水性聚氨酯涂料。申请号为201410036016.8的专利文件公开了一种原位法制备含石墨烯的水性聚氨酯复合导电涂料及其方法。该方法采用聚合物多元醇和多异氰酸酯反应制得-NCO封端的水性聚氨酯预聚体；再将水性聚氨酯预聚体与氨基化改性石墨烯高速搅拌，加入中和剂、冰水、扩链剂，得到含石墨烯的水性聚氨酯复合导电涂料。上述两个专利制得的涂料虽然均具有较好的导电性，但是涂料的硬度、拉伸强度和耐腐蚀性较差。因此，需要开发综合性能优异的水性聚氨酯涂料。
技术实现思路
本专利技术要解决的第一个技术问题是提供一种综合性能优良的石墨烯基水性涂料的制备方法。石墨烯基水性涂料的制备方法，按以下步骤进行：a、采用异氟尔酮二异氰酸酯通过原位聚合法与氧化石墨烯表面的羟基反应，得到GO/IPDI预聚物；b、将步骤a制得的GO/IPDI预聚物和异氟尔酮二异氰酸酯加入到丙酮中进行分散，再加入聚碳酸酯二醇，继续分散，分散均匀后，加热蒸出丙酮，再加入固化剂进行固化，最后加水乳化制得石墨烯基水性涂料。优选的，步骤a中，原位聚合法采用的分散助剂为N,N-二甲基甲酰胺。优选的，步骤a中，氧化石墨烯、异氟尔酮二异氰酸酯和N,N-二甲基甲酰胺的质量比为1:7～15:50～80；优选的，氧化石墨烯、异氟尔酮二异氰酸酯和N,N-二甲基甲酰胺的质量比为1:10～12:65～70；更优选的，氧化石墨烯、异氟尔酮二异氰酸酯和N,N-二甲基甲酰胺的质量比为1:12:70。其中，步骤a中，GO/IPDI预聚物的具体制备方法为：将氧化石墨烯、异氟尔酮二异氰酸酯与N,N-二甲基甲酰胺混匀，升温至40～70℃反应6～8h，然后将得到的反应产物进行过滤、干燥，制得GO/IPDI预聚物；优选的，升温至60℃反应6h。优选的，步骤b中，固化剂为三乙胺。优选的，步骤b中，聚碳酸酯二醇、异氟尔酮二异氰酸酯和固化剂的摩尔比为1:1.2～1.7:0.6～1.4；GO/IPDI预聚物的加入量为聚碳酸酯二醇质量的1～5％。优选的，步骤b中，聚碳酸酯二醇、异氟尔酮二异氰酸酯和固化剂的摩尔比为1:1.5～1.6:1～1.2；GO/IPDI预聚物的加入量为聚碳酸酯二醇质量的1～4％；优选的，聚碳酸酯二醇、异氟尔酮二异氰酸酯和固化剂的摩尔比为1:1.6:1.2；GO/IPDI预聚物的加入量为聚碳酸酯二醇质量的4％。优选的，步骤b中，GO/IPDI、异氟尔酮二异氰酸酯和丙酮分散30min，分散采用超声分散，再将PCDL加入到溶液中继续超声分散30min。优选的，步骤b中，加热至40～60℃蒸出丙酮，再将固化剂加入，在20～40℃固化反应2～5h。优选的，加水乳化时间可以为5～15min。本专利技术要解决的第二个技术问题是提供一种石墨烯基水性涂料，是由上述一种石墨烯基水性涂料的制备方法制备而成。本专利技术要解决的第三个技术问题是提供一种石墨烯基水性涂料在电子电器、功能涂料上的应用。本专利技术的有益效果：1、本专利技术制得的石墨烯基水性涂料是一种水性的、具有良好延展性、具有较高韧性、较好附着力和硬度的聚氨酯类涂料，其附着力均为0级，铅笔硬度在4H以上，柔韧性小于1mm，冲击力大于50cm，且耐腐蚀性能强。2、本专利技术制得的石墨烯基水性涂料具有优异的抗静电性能。3、本专利技术所制得的石墨烯基水性复合涂料的氧指数大于27.3，并且达到最大烟密度的时间较长，具有较好的阻燃性能，可以应用在阻燃涂料上。4、本专利技术制备方法简单。附图说明图1为本专利技术实施例1中制备的GO/IPDI与GO的红外对比图。图2为本专利技术石墨烯基水性涂料的示意图。具体实施方式本专利技术要解决的第一个技术问题是提供一种综合性能优良的石墨烯基水性涂料的制备方法。石墨烯基水性涂料的制备方法，按以下步骤进行：a、采用异氟尔酮二异氰酸酯通过原位聚合法与氧化石墨烯表面的羟基反应，得到GO/IPDI预聚物；b、将步骤a制得的GO/IPDI预聚物和异氟尔酮二异氰酸酯加入到丙酮中进行分散，再加入聚碳酸酯二醇，继续分散，分散均匀后，加热蒸出丙酮，再加入固化剂进行固化，最后加水乳化制得石墨烯基水性涂料。本专利技术步骤b中，先将GO/IPDI预聚物和异氟尔酮二异氰酸酯加入到丙酮中进行分散，再加入聚碳酸酯二醇，继续分散，采用分步骤分散的原因在于，解决GO/IPDI的分散问题，因GO/IPDI在丙酮中会具有团聚现象，如果事先加入PCDL反应就会导致分散不均匀。因此需要先将GO/IPDI均匀分散在丙酮中，再加入PCDL进行反应。本专利技术通过原位聚合法，使异佛尔酮二异氰酸酯(英文缩写为IPDI)将氧化石墨烯(英文缩写为GO)表面的羟基官能团进行异氰酸化后，使GO的表面接上IPDI；然后将接好IPDI的氧化石墨烯通过原位聚合法与PCDL上的羟基进行反应，从而实现GO与PCDL的化学键合，彻底解决GO在聚合物涂料中分散问题和界面问题。其中，步骤a中加入IPDI是让IPDI与GO上的羟基进行化学键合作用，步骤b中再加入IPDI的目的是由于由PCDL制作而成的水性聚氨酯涂料是双组份涂料，IPDI是固化剂，也是硬段组成部分，因此，在固化过程中，GO/IPDI只反应PCDL中羟基的一小部分，此外的PCDL还需和硬段IPDI继续固化形成完整的水性聚氨酯涂料。本专利技术通过加入适当填料，采用聚碳酸酯二醇所制成的聚合物基聚氨酯水性复合涂料：一方面，适当的填料会增强PCDL的力学性能，其次，由PCDL所制成的聚氨酯类水性涂料，具有良好的耐热性和耐氧化性。优选的，步骤a中，原位聚合法本文档来自技高网...

【技术保护点】
1.石墨烯基水性涂料的制备方法，其特征在于，按以下步骤进行：a、采用异氟尔酮二异氰酸酯通过原位聚合法与氧化石墨烯表面的羟基反应，得到GO/IPDI预聚物；b、将步骤a制得的GO/IPDI预聚物和异氟尔酮二异氰酸酯加入到丙酮中进行分散，再加入聚碳酸酯二醇，继续分散，分散均匀后，加热蒸出丙酮，再加入固化剂进行固化，最后加水乳化制得石墨烯基水性涂料。

【技术特征摘要】
2018.03.30 CN 20181027870431.石墨烯基水性涂料的制备方法，其特征在于，按以下步骤进行：a、采用异氟尔酮二异氰酸酯通过原位聚合法与氧化石墨烯表面的羟基反应，得到GO/IPDI预聚物；b、将步骤a制得的GO/IPDI预聚物和异氟尔酮二异氰酸酯加入到丙酮中进行分散，再加入聚碳酸酯二醇，继续分散，分散均匀后，加热蒸出丙酮，再加入固化剂进行固化，最后加水乳化制得石墨烯基水性涂料。2.根据权利要求1所述的石墨烯基水性涂料的制备方法，其特征在于，步骤a中，原位聚合法采用的分散助剂为N,N-二甲基甲酰胺。3.根据权利要求2所述的石墨烯基水性涂料的制备方法，其特征在于，步骤a中，氧化石墨烯、异氟尔酮二异氰酸酯和N,N-二甲基甲酰胺的质量比为1:7～15:50～80；优选的，氧化石墨烯、异氟尔酮二异氰酸酯和N,N-二甲基甲酰胺的质量比为1:10～12:65～70；更优选的，氧化石墨烯、异氟尔酮二异氰酸酯和N,N-二甲基甲酰胺的质量比为1:12:70。4.根据权利要求1～3任一项所述的石墨烯基水性涂料的制备方法，其特征在于，步骤a中，GO/IPDI预聚物的具体制备方法为：将氧化石墨烯、异氟尔酮二异氰酸酯与N,N-二甲基甲酰胺混匀，升温至4...

【专利技术属性】
技术研发人员：钟家春，钟慧，田雨涵，胡林清，郑晓翼，蒲泽军，
申请(专利权)人：四川理工学院，
类型：发明
国别省市：四川,51