用于增强亲水性的二氧化硅涂层制造技术

本发明专利技术提供了一种涂料组合物，其包含：ａ）平均粒径为４０纳米或更小的二氧化硅纳米粒子的水分散体，其ｐＨ小于７．５；ｂ）烷氧基硅烷低聚物；ｃ）硅烷偶联剂；和ｄ）任选的金属β－二酮络合剂。所述组合物可用于制备带涂层制品，其中所述涂层的厚度基本上均匀，可耐久地粘附至基底，并且可为所述基底提供亲水和／或抗反射表面特性。

【技术实现步骤摘要】
【国外来华专利技术】
本专利技术涉及二氧化硅纳米粒子涂料组合物，其可用于处理基底，特别是诸如热塑性塑料或热固性塑料、交联聚合物型油漆和涂料以及陶瓷或玻璃之类的基底。所述涂料组合物可用于使得基底是亲水的、水能铺展开的、自干性的、抗污的和易清洁的。
技术介绍
在许多应用中期望具有亲水或水可湿表面的制品。在许多环境中，粉尘、污垢、油和污染性物质为常见的污染物，这些污染物往往以干燥状态或雨水中的悬浮物沉积在诸如车辆、交通标志、建筑等之类的物体上。亲水性保护涂层可减轻或消除此污染并且提供无需使用清洁剂或肥皂便易于清洁的基底。另外，亲水性表面还可使降雨形式的水或来自喷雾的水有效地成片滑落，这又使得此类表面更易于清洁和干燥。这可通过阻止污染并且防止水渍的形成而得到更美观和更清洁的表面，所述水斑是由单个水滴干燥期间环境污垢、污染物或硬水矿物质的聚集所导致。此外，亲水性表面可降低大气水分凝结并成雾的趋势。常见的表面保护剂(像那些用于保护车辆油漆罩面的表面保护剂)通常会形成非常疏水的表面，即表现出低表面能、高水接触角以及常常观察到的称为“水结珠”的行为的表面。通过增加使水结珠成单独小滴的趋势而不是使水成片滑落和自干燥会导致不希望的水斑形成。
技术实现思路
本专利技术提供了一种涂料组合物，其包含平均粒径为40纳米或更小的二氧化硅纳米粒子的水分散体，该水分散体的PH小于7. 5 ；烷氧基硅烷低聚物；硅烷偶联剂；和任选的金属β - 二酮络合剂。优选地，通过添加PKa < 5，优选< 2. 5，最优选< 1的酸来使涂料组合物的PH小于5。本专利技术提供基底上的保护涂层，其相对耐用，比基底表面本身更耐污染且更易清洁。本专利技术在一个实施例中提供了用于制备包括基底(优选硬质基底)和厚度大于沉积在其上的单层(其厚度通常大于约15埃)的涂层的带涂层制品的方法和组合物。涂层材料的存在量通常不会对制品的外观及光学特性产生不利的影响。本专利技术还提供了包括基底，特别是聚合物基底或具有单层或多层聚合物涂层的金属或聚合物基底，且基底上具有含有二氧化硅纳米粒子的涂层的带涂层制品。该涂层包括粘结在交联硅酸盐基体中的二氧化硅纳米粒子的连续涂层，这些粒子的平均原生粒度40 纳米或更小。该涂层的厚度基本上均勻并且可持久地粘附至基底。尽管已知有多种亲水性表面处理物，但许多处理物在外部环境中的苛刻条件下 (例如在车辆和路标上)表现不佳。此外，为了安全涂布、干燥和固化，这类处理物有利地在环境温度下固化，而无需使用烘焙、辐射或其他有源固化活化作用。此类涂层根据其用途和涂布方法如所希望地为水性涂层，以符合环境法规(U. S. EPA 40 C. F. R. 51. 100 (s)及其他)，这些法规禁止产品的挥发性有机物含量(VOC)大于组合物的约20重量％。然而，已知的环境固化组合物，特别是基于硅氧烷化合物缩合化学特性的那些组合物在有水存在的情况下和在大多数PH值下是不稳定的，并且趋于形成凝胶或沉淀继而产生不良质量的涂层。通常，诸如车辆油漆罩面、道路指示牌和其他外部应用物之类的待处理基底具有疏水或低表面能的表面。具有低有机溶剂含量的水性组合物涂层难以在疏水性表面上实现，因为该涂层制剂不能铺展并润湿疏水性表面。使用表面活性剂或润湿剂来实现水性涂层制剂的充分润湿和铺展，会造成干涂膜雾化并降低对基底的粘附力，导致耐久性显著降低。亲水性涂层，尤其是基于二氧化硅的涂层的另一个问题是，胶态二氧化硅和胶态二氧化硅膜具有表面化学、反应化学和溶液化学的高度复杂性质。例如，离子与二氧化硅表面的相互作用仍未得到完全理解，尽管存在广泛的研究(参见Iler的“The Chemistry of Silica"(《二氧化硅化学》)John Wiley，1979年，第665页)。尽管有这些困难，但根据本专利技术下文所述提供了具有增强的耐久性的基于二氧化硅的水扩散膜。本文所述的涂料组合物可易于润湿和铺展在疏水性基底，特别是聚合物基底上。 干涂层很好地粘附至多种基底，特别是聚合物基底，并且可为此类基底提供耐久的亲水性表面，即带涂层表面显示具有小于约50°的水接触角，甚至对于在未涂布条件下水接触角超过50°的基底也是如此。由这些组合物所形成的涂层还可为基底(例如玻璃、聚合物和涂漆基底)提供具有耐水性和机械耐久性的亲水性表面。此外，这些涂层可提供保护层并显示可经冲洗去除有机和无机污染物(包括道路灰尘、粉尘、油类和其他污垢)，并且可减小或消除对某些污染物如花粉的吸引。这些涂层的亲水性趋于使水成片流出，从而使覆盖在上面的污垢和其他污染物离开原位并阻止污染物的粘附。该涂层还可为经受静电堆积的聚合物膜和片材提供防雾特性和抗静电特性，并且可为诸如膜和片材之类的聚合物材料提供耐磨性和滑动性，从而改善其操作性。另外，此类涂层可减小或消除水在此类处理过的表面上干燥时发现的水斑。本专利技术的方法可包括少量的溶剂并且不需要在基底上涂布表面活性剂，因此其危害更小并且在挥发性有机化合物(VOC)的使用规定范围内。其他优点包括涂层更均勻、对基底的粘附性更好、涂层的耐久性更好、抗反射性更高和透射率增加，以及提供了可冲洗掉污染物的亲水性、易清洁表面。具体实施例方式本专利技术提供了一种涂料组合物，其包含平均粒径为40纳米或更小的二氧化硅纳米粒子的水分散体，该水分散体的PH小于7. 5 (优选小于5，更优选小于4)；烷氧基硅烷低聚物；硅烷偶联剂；和任选的金属二羰基络合剂。优选地，将组合物用PKa小于5，优选小于2. 5，最优选小于1的酸进行酸化。在一些实施例中，该涂料组合物包含烷氧基硅烷低聚物与硅烷偶联剂的反应产物。本专利技术还提供了一种为基底提供涂层的方法，其包括用涂料组合物涂布基底和使涂层干燥。来源于本涂料组合物的涂层特别适用于提供亲水性涂层。此类涂层使得水或水分可浸湿并铺展在处理过的基底表面上。结果，涂层可提供易清洁或自清洁表面，通过轻微擦洗或无需擦洗便可使污染物在流动水的作用下从该表面去除。此类涂层对于汽车、船舶和居家应用而言是理想的，可以使诸如玻璃、涂漆和涂清漆的表面以及刚性或聚合物片材之类的基底具备亲水性。这种应用可包括汽车车身面板、挡风玻璃、船体和甲板表面、柔性及刚性聚合物的汽车和船舶窗、瓷器和陶器表面以及台面。尽管本专利技术的涂料组合物可易于制备并且可在低于约7. 5的任何pH值下进行涂布，但已经发现的是，PH较低，特别是pH低于约5，优选pH低于约4，并且更优选pH低于约 3.5的涂料组合物可浸湿并铺展在疏水性基底表面上。基本上为水性的涂层制剂在贮存期间显示出改善的稳定性，即对粒子凝聚和雾化的抗性。不受理论束缚，据信包含未改性的二氧化硅纳米粒子以及反应性烷氧基硅烷低聚物、硅烷偶联剂和任选的金属β-二酮络合剂的涂料组合物能够形成基本线性的部分网络状结构，同时仍处于液体悬浮状态。此结构可改善此类涂层浸湿和铺展在疏水性表面上而同时不导致胶凝的能力。然而，此原位网络的形成可潜在地导致涂层溶液中的凝聚、胶凝和沉淀粒子的形成，这会降低润湿度并形成不希望的粒子填充涂层。意外的是，使用低PH的制剂往往会阻止凝聚体、凝胶或沉淀粒子的形成，同时保持亲水性。所得涂层在许多实施例中显示出改善的耐久性和外观；具体地讲，此类涂层的许多实施例不存在称为晕彩效应或彩虹效应的光学缺陷，本文档来自技高网...

【技术保护点】
１．一种涂料组合物，其包含：ａ）平均粒径为４０纳米或更小的二氧化硅纳米粒子的水分散体，其ｐＨ小于７．５；ｂ）烷氧基硅烷低聚物；ｃ）硅烷偶联剂；和ｄ）任选的金属β－二酮络合剂。

【技术特征摘要】
【国外来华专利技术】...

【专利技术属性】
技术研发人员：帕特里克·J·黑格，
申请(专利权)人：三M创新有限公司，
类型：发明
国别省市：US