一种用于极端环境的低温型水性阻尼涂料及其制备方法
阅读说明：本技术 一种用于极端环境的低温型水性阻尼涂料及其制备方法 (Low-temperature water-based damping paint for extreme environment and preparation method thereof ) 是由 王娟 方越 由佳 王永光 李磊 于 2021-07-30 设计创作，主要内容包括：本发明的一种用于极端环境的低温型水性阻尼涂料及其制备方法,该包括以下质量分数的组分：改性水性丙烯酸酯乳液：10%～30%,改性水性聚氨酯乳液：20%～45%,颜填料：25%～55%,成膜助剂：2%～5%,消泡剂：0.3%～1%,润湿剂：0.4%～1.5%,其它助剂：1.3%～3%,水：5%～20%；改性水性丙烯酸酯乳液为采用丙烯酸丁酯和丙烯酸异辛酯为软单体、St为硬单体制成的核壳结构水性丙烯酸酯乳液；改性水性聚氨酯乳液为蓖麻油、丙烯酸丁酯、苯乙烯改性的高交联水性聚氨酯乳液。本发明的产品有效温域宽度达到160℃,低温达到-60℃；拉拔附着力(划格法)≤1级；制备过程简单,成本低,环保性好。(The invention relates to a low-temperature water-based damping coating for extreme environments and a preparation method thereof, wherein the low-temperature water-based damping coating comprises the following components in percentage by mass: modified water-based acrylate emulsion: 10-30%, modified aqueous polyurethane emulsion: 20-45%, pigment and filler: 25% -55%, film-forming additive: 2% -5%, defoaming agent: 0.3% -1%, wetting agent: 0.4-1.5%, and other auxiliary agents: 1.3% -3%, water: 5% -20%; the modified water-based acrylate emulsion is a core-shell structure water-based acrylate emulsion prepared by using butyl acrylate and isooctyl acrylate as soft monomers and St as a hard monomer; the modified waterborne polyurethane emulsion is castor oil, butyl acrylate and styrene modified high-crosslinking waterborne polyurethane emulsion. The effective temperature range width of the product reaches 160 ℃, and the low temperature reaches-60 ℃; the drawing adhesion (cross-cut method) is less than or equal to grade 1; simple preparation process, low cost and good environmental protection.)
技术领域
本发明属于船舶涂料领域，主要涉及一种用于极端环境的低温型水性阻尼涂料及其制备方法。
背景技术
防治噪声和振动一直是我国工业化进程的重要议题，振动和噪声能危害人的身心健康，干扰精密仪器设备的正常使用、降低武器装备的隐蔽性。自20世纪50年代德国汉高首先成功研制高聚物黏弹性阻尼涂料以来，阻尼技术在国外就被列为高新技术领域，国外很多研究单位都投入了大量人力、物力开展基础研究和应用研究。对于适用于低温环境下的阻尼材料更一直是发达国家研发的战略重点，其被誉为“液态黄金”，技术严禁向国外输出。而我国在阻尼涂料领域起步较晚，在低温阻尼方面更是空白。目前我们国家船用装备使用的主流阻尼材料多为橡胶类贴片和聚氨酯/环氧树脂类涂料。
传统主流阻尼材料随着温度变化性能变化较大，由于极地环境中极地破冰船、科考船等船只的工作环境均在-30℃以下，传统阻尼橡胶板或聚氨酯类阻尼涂料容易失去了阻尼效果，无法减少船用装备的结构振动，影响着船用装备的疲劳寿命，无法保障精密仪器的可靠性。不仅如此，由于传统主流阻尼涂料原料的不环保，使用后会散发有害气体，危害密闭空间内操作人员的身体健康，影响工作。再者，此类阻尼材料在低温下会失去阻尼性能，无法减轻船用装备的振动所带来的噪声，使得操作人员暴露在90dB～100dB的工作环境，严重影响舒适性。
随着环保意识的增强，世界各国都相继制订了挥发性有机物(VOC)排放的限量标准和法规。水性阻尼涂料挥发性有机化合物含量很低，绿色环保，解决了油性阻尼涂料易燃易爆，使用不安全的问题。在当前空气污染问题极其严重的情况下，用水取代有机溶剂作为分散剂是阻尼涂料发展必然趋势。另一方面，随着各国对极地考察的越来越重视，普通的阻尼涂料已经无法满足日渐发展的船用装备要求，低温型水性阻尼涂料是各国对阻尼材料研发的重点项目，因此研究低温域水性阻尼涂料有极大的经济和战略价值。
发明内容
本发明的目的是提供一种用于极端环境的低温型水性阻尼涂料及其制备方法，采用低温阻尼性能较好的改性丙烯酸酯乳液和有效温域宽的改性聚氨酯乳液，二者进行物理共混，与颜填料、水、助剂等制备出有效阻尼温域宽度达到160℃，低温阻尼性能好的水性阻尼涂料，以克服现有阻尼涂料在极地低温条件下不能使用的问题。
为了实现上述目的，本发明的技术方案是：
本发明的一种用于极端环境的低温型水性阻尼涂料，其特征在于，包括以下质量分数的组分：
所述改性水性丙烯酸酯乳液为采用丙烯酸丁酯(BA)和丙烯酸异辛酯(2-EHA)作为软单体，St为硬单体，乳胶粒子的形态采用核壳结构，通过乳液聚合制成的具有互穿网络结构的核壳结构水性丙烯酸酯乳液；
所述改性水性聚氨酯乳液为采用聚四氢呋喃醚二醇(PTMG)、异佛尔酮二异氰酸酯(IPDI)、二羟甲基丙酸(DMPA)、1,4-丁二醇(BDO)为主要原料，以蓖麻油(CO)、丙烯酸丁酯(Ba)和苯乙烯(St)作为改性单体制备的高交联水性聚氨酯乳液。
所述颜填料为云母粉、轻质碳酸钙、滑石粉、硅藻土、钛白粉、炭黑、空心玻璃微珠、聚磷酸铵、三聚氰胺、季戊四醇中的一种或几种的混合物；
所述成膜助剂为丙二醇甲醚醋酸酯(PMA)、丙二醇甲醚(PM)、二丙二醇丁醚(DPNB)、二丙二醇甲醚(DPM)、2-氨基-2-甲基-1-丙醇(AMP-95)中的一种或多种的混合物；
所述消泡剂为破泡聚合物、憎水颗粒的一种或多种的混合物；
所述润湿剂为炔二醇类润湿剂、氟改性类润湿剂、有机硅类润湿剂中的一种或多种的混合物；
所述其它助剂包括流平剂、分散剂、流变助剂、防沉剂、防霉剂、防腐剂、pH调节剂中的一种或几种的混合物；所述流平剂为聚醚改性聚二甲基硅氧烷，所述流变助剂为改性脲溶液和/或脲改性的聚氨酯溶液，所述防沉剂为有机膨润土和/或聚氨酯缔合增稠剂。
本发明所述的一种用于极端环境的低温型水性阻尼涂料的制备方法，其特征在于，包括以下步骤：
(1)将所述改性水性丙烯酸酯乳液与改性水性聚氨酯乳液以一定比例共混，得到共混乳液；
(2)将所述水、分散剂、部分消泡剂和部分润湿剂置于分散容器中，在转速500～1000rpm下搅拌均匀后，转速升至1100～1400rpm，加入所述颜填料；然后转速升至1500～2000rpm继续搅拌20～40min，得到均匀的浆料；
(3)缓慢降低转速至300～500rpm后继续搅拌保持3～10min；用pH调节剂调节pH值至8，防止浆料与共混乳液因酸碱度不同而出现破乳现象；再将所述共混乳液加入到所述浆料中，并依次加入剩余的润湿剂、所述成膜助剂、剩余的消泡剂和所述其它助剂，搅拌至均匀分散；
(4)加入增稠剂调整至合格粘度，即可得到所述用于极端环境的低温型水性阻尼涂料。
本发明的有益效果在于：
本发明的用于极端环境的低温型水性阻尼涂料，采用宽温域改性水性聚氨酯乳液与低温阻尼性能较好的丙烯酸异辛酯/苯乙烯改性丙烯酸酯乳液进行共混而得的共混乳液作为主成膜物，使共混乳液的有效阻尼温域宽度得到了进一步拓宽，有效温域宽度达到160℃，低温达到-60℃；拉拔附着力(划格法)≤1级；耐低温、耐酸碱性和防腐性都有明显提高，适用于极低环境下装备的减振降噪。本发明的方法制备过程简单，成本低，环保性能好，生产过程不产生废气、废水、废渣等。
具体实施方式
本技术领域的一般技术人员应当认识到本实施例仅是用来说明本发明，而并非用作对本发明的限定，只要在本发明的实施范围内对实施例进行变换、变型都可在本发明权利要求的范围内。
本实施例中所用的原材料乳液均为自制：
改性水性丙烯酸酯乳液：采用丙烯酸丁酯(BA)和丙烯酸异辛酯(2-EHA)共同作为软单体，St为硬单体，乳胶粒子的形态采用核壳结构，通过乳液聚合制成的具有互穿网络结构的核壳结构水性丙烯酸酯乳液，其中2-EHA：St＝94：6，Ba：St＝78：22，此时单层乳胶粒子成膜后的低温阻尼性能为-61.0至5.8℃，三层乳胶粒子成膜后的有效阻尼温域为117.7℃；制备方法为文献【赵赫.高性能水性阻尼涂料基础乳液的制备与性能研究.长春工业大学硕士学位论文，1996.6】第3章所述的方法。
改性水性聚氨酯乳液：采用聚四氢呋喃醚二醇(PTMG)、异佛尔酮二异氰酸酯(IPDI)、二羟甲基丙酸(DMPA)、1,4-丁二醇(BDO)为主要原料，以蓖麻油(CO)、丙烯酸丁酯(Ba)和苯乙烯(St)共同作为改性单体制备的高交联水性聚氨酯乳液，有效阻尼温域宽度达到161.1℃；制备方法为文献【赵赫.高性能水性阻尼涂料基础乳液的制备与性能研究.长春工业大学硕士学位论文，1996.6】第5章所述的方法。
本实施例中所用的其他原材料均为市售，生产厂家为：
有机膨润土：河北京航矿产品有限公司生产的1250有机膨润土；
聚氨酯缔合增稠剂：南京凯时通公司生产的
水性有机硅改性聚醚酯化物消泡剂：德国公司生产的德国明灵158、766牌号的消泡剂；
聚硅氧烷消泡剂：美国道康宁公司生产的DC65牌号的消泡剂；
炔二醇类润湿剂：天津赫普菲乐新材料有限公司生产的涂易乐DS-960牌号的分散型润湿剂；
有机硅类润湿剂：斯洛柯集团公司生产的Silok8141F牌号的水性涂料润湿剂；
成膜助剂：陶氏化学生产的丙二醇甲醚醋酸酯(PMA)、丙二醇甲醚(PM)、二丙二醇丁醚(DPNB)、二丙二醇甲醚(DPM)、2-氨基-2-甲基-1-丙醇(AMP-95)；
颜填料：上海颜钛化工有限公司、上海都邦化工有限公司生产的云母粉、轻质碳酸钙、滑石粉、硅藻土、钛白粉、炭黑、空心玻璃微珠等。
实施例1～4
实施例1～4的一种用于极端环境的低温型水性阻尼涂料，其组分和质量分数见表1；按照表1中所列的比例，制备方法为：
(1)将改性水性丙烯酸酯乳液与改性水性聚氨酯乳液以比例3：7进行共混，得到共混乳液；
(2)将所述水、分散剂、部分消泡剂和部分润湿剂置于分散容器中，在转速500～1000rpm下搅拌均匀后，转速升至1100～1400rpm，加入所述颜填料；然后转速升至1500～2000rpm继续搅拌20～40min，得到均匀的浆料；
(3)缓慢降低转速至300～500rpm后继续搅拌保持3～10min；用pH调节剂调节pH值至8，防止浆料与共混乳液因酸碱度不同而出现破乳现象；再将共混乳液加入到浆料中，并依次加入剩余的润湿剂、所述成膜助剂、剩余的消泡剂和所述其它助剂，不同助剂添加时保持1min以上时间间隔，搅拌至均匀分散；
(4)最后加入1％增稠剂，调整至合格粘度，即可得到所述用于极端环境的低温型水性阻尼涂料。
表1实施例1～4的原料质量分数
对比例1～2
以市售的3109舰船用阻尼涂料作为对比例1，以市售的3101G水性阻尼涂料作为对比例2。
测试例
将实施例1～4和对比例1～2中得到的低温型水性阻尼涂料，将其涂布与钢材表面，对涂膜进行拉拔附着力、耐高低温交变老化、复合损耗因子、阻燃性、耐盐雾等测试。拉拔附着力按照GB/T 9286-1998标准进行检测；耐高低温交变老化按照GB/T 2423.22-2012进行测试，耐高低温交变老化60周期条件下，无起泡、无开裂、无脱落、X-切割≤1级，刀片撬动附着力无明显降低；复合损耗因子按照GB/T 18258-2000标准测试，-60℃～40℃范围内复合损耗因子≥0.05；阻燃性按照GB 12441-2018标准测试，阻燃性≥难燃级；耐盐雾性能按照GB/T 1771标准测试，经600h试验后，涂层不开裂、不起泡、无锈蚀，涂层无溶胀、无严重软化，划开处涂膜破坏区域或锈蚀扩展不超过2mm(单向)。
实施例1～4和对比例1～2的测试结果列于表2。
表2实施例1～4和对比例1～2的测试结果
由表2可以看出，实施例1～4的低温型水性阻尼涂料，拉拔附着力(划格法)均≤1级，高于行业标准；耐高低温交变老化60周期条件下，无起泡、无开裂、无脱落、X-切割≤1级，刀片撬动附着力无明显降低；耐盐雾性能600h条件下板面不起泡、不开裂、无锈蚀，涂层无溶胀、无严重软化，划开处涂膜破坏区域或锈蚀扩展不超过2mm(单向)；复合损耗因子(-60℃～40℃)、耐冻融性、耐盐雾性能都比对比例高很多，体现了本发明的优越性。
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