基于多孔硅酸盐复合气凝胶的涂料组合物及制备方法和应用与流程

本发明属于功能涂料，具体涉及一种基于多孔硅酸盐复合气凝胶的涂料组合物及制备方法和应用。

背景技术：

1、现有抗菌自清洁涂层主要分为光催化型、有机抗菌型与无机掺杂型三类。光催化型抗菌涂层主要是以tio2基材料为主要组分，依赖紫外光激发，因此，光催化型抗菌自清洁涂层存在可见光响应差，荫蔽环境下失效，晶相较难调控，且易发生电子空穴复合导致效率衰减的问题。有机抗菌型涂层多采用季铵盐、银离子负载聚合物，存在抗菌持久性不足，高温与酸碱环境易降解，有机溶出污染等风险。无机掺杂型抗菌涂层多以金属氧化物与沸石复合，孔隙率低、比表面积小，但是，无机掺杂型抗菌涂层存在抗菌位点暴露不足，自清洁依赖疏水效果，污渍分解能力弱的问题。此外，现有涂层普遍存在附着力差、耐刮擦性能不足、制备工艺能耗高、气凝胶易开裂坍塌等问题，难以同时满足广谱抗菌、高效自清洁、长期耐用与环境友好的综合需求。

技术实现思路

1、为了克服上述现有技术的缺点，本发明的目的在于提供一种基于多孔硅酸盐复合气凝胶的涂料组合物及制备方法和应用，上述涂料组合物克服了传统光催化型抗菌涂层可见光响应弱、荫蔽环境无法工作的缺陷，解决了无机掺杂型抗菌涂层成膜易开裂、附着力差且机械强度低的问题，同时还避免了有机抗菌型涂层的有机抗菌剂溶出与金属离子过量释放的缺陷，实现了广谱长效抗菌的效果，无二次污染，提升了涂层比表面积与活性位点密度，强化了污渍光热分解与疏水自清洁之间的协同效果。

2、为了达到上述目的，本发明采用以下技术方案予以实现：

3、本发明的第一方面提供了一种抗菌自清洁涂料组合物，包括：树脂基液、硅酸盐-气凝胶复合凝胶载体、抗菌纳米颗粒、脂环族环氧改性有机硅固化剂和助剂；

4、其中，所述抗菌纳米颗粒原位地负载在所述硅酸盐-气凝胶复合凝胶载体的孔隙内壁上， 所述抗菌纳米颗粒包含铜锌掺杂的磷酸锆和铈掺杂的羟基磷灰石，并且

5、其中，所述树脂基液包含支链型聚硅氧烷接枝氟碳树脂和纳米气相二氧化硅。

6、在一些实施方案中，按重量份计，所述抗菌纳米颗粒包含：

7、4.1-6.9份所述铜锌掺杂的磷酸锆，以及

8、2.2-4.8份所述铈掺杂的羟基磷灰石。

9、在一些实施方案中，所述铜锌掺杂的磷酸锆中，掺杂的铜和锌的摩尔比为1:（1-2），并且在所述铈掺杂的羟基磷灰石中，所述铈的掺杂量为2-5 wt%。

10、在一些实施方案中，按重量份计，所述硅酸盐-气凝胶复合凝胶载体包含：

11、35.2-47.8份硅藻土改性纳米多孔硅酸钠，

12、12.3-18.7份凹凸棒石黏土，

13、22.1-28.9份硅基介孔气凝胶粉体，

14、8.2-13.8份硼酸盐改性二氧化硅气凝胶，以及

15、0.72-1.38份γ-氨丙基三乙氧基硅烷偶联剂。

16、在一些实施方案中，所述硅基介孔气凝胶粉体的比表面积大于或等于850m²/g。

17、在一些实施方案中，按重量份计，所述树脂基液包含：

18、15.3-20.7份所述支链型聚硅氧烷接枝氟碳树脂，以及

19、3.1-5.8份所述纳米气相二氧化硅。

20、在一些实施方案中，所述纳米气相二氧化硅的疏水角大于或等于155°。

21、在一些实施方案中，所述助剂选自无水乙醇、流平剂、消泡剂和去离子水中的至少一者。

22、在一些实施方案中，所述助剂选自无水乙醇、流平剂、消泡剂和去离子水中的至少两者。

23、在一些实施方案中，按重量份计，所述助剂包含：

24、40.5-54.8份无水乙醇，

25、0.3-0.7份聚醚改性三硅氧烷流平剂，

26、0.2-0.5份聚二甲基硅氧烷消泡剂，以及

27、10.1-17.9份去离子水。

28、在一些实施方案中，所述抗菌自清洁涂料组合物的体系黏度为2,800-3,600mpa·s，ph值为6.5-7.5。

29、本发明的第二方面提供了制备上述抗菌自清洁涂料组合物的方法，包括：

30、s1、制备硅酸盐-气凝胶复合凝胶载体；

31、s2、在所述硅酸盐-气凝胶复合凝胶载体上原位地负载抗菌纳米颗粒，得到抗菌型硅酸盐-气凝胶复合载体；

32、s3、对所述抗菌型硅酸盐-气凝胶复合载体和树脂基液进行混合和超声分散处理，得到抗菌型硅酸盐-气凝胶复合载体分散液；

33、s4、对助剂和所述抗菌型硅酸盐-气凝胶复合载体分散液进行混合和搅拌脱泡处理，得到所述抗菌自清洁涂料组合物半成品；以及

34、s5、混合所述抗菌自清洁涂料组合物半成品和脂环族环氧改性有机硅固化剂，得到所述抗菌自清洁涂料组合物。

35、在一些实施方案中，步骤s1包括：

36、s11、对硅藻土改性纳米多孔硅酸钠和凹凸棒石黏土进行煅烧活化处理，得到活化的多孔硅酸盐复合粉体；

37、s12、在无水乙醇中混合硅基介孔气凝胶粉体和硼酸盐改性二氧化硅气凝胶，得到气凝胶乙醇溶胶；

38、s13、在搅拌条件下混合所述气凝胶乙醇溶胶和所述活化的多孔硅酸盐复合粉体，得到硅酸盐-气凝胶复合凝胶前驱体；以及

39、s14、对所述硅酸盐-气凝胶复合凝胶前驱体和γ-氨丙基三乙氧基硅烷偶联剂进行混合和超声分散处理，得到所述硅酸盐-气凝胶复合凝胶载体。

40、在一些实施方案中，步骤s2包括：

41、s21、将铜锌掺杂的磷酸锆和铈掺杂的羟基磷灰石添加至无水乙醇溶剂中并进行超声分散，得到抗菌组分乙醇悬浮液；

42、s22、向所述硅酸盐-气凝胶复合凝胶载体中依次滴加所述抗菌组分乙醇悬浮液和γ-氨丙基三乙氧基硅烷偶联剂并进行原位负载反应，得到负载后的硅酸盐-气凝胶复合凝胶；以及

43、s23、对所述负载后的硅酸盐-气凝胶复合凝胶进行老化和梯度溶剂置换处理，得到所述抗菌型硅酸盐-气凝胶复合载体。

44、在一些实施方案中，所述原位负载反应的温度为50-60℃。

45、在一些实施方案中，所述原位负载反应的搅拌转速为150-170 r/min。

46、在一些实施方案中，所述原位负载反应的时间为130-140 min。

47、在一些实施方案中，所述老化处理的温度为60-70℃。

48、在一些实施方案中，所述老化处理的时间为10-12 h。

49、在一些实施方案中，所述老化处理的溶剂是体积比为(7-7.5)：(2.5-3)的乙醇-水混合溶剂。

50、在一些实施方案中，所述置换处理包括：使用无水乙醇的一次置换处理以及使用正己烷的二次置换处理，其中，所述一次置换处理的液料体积比为3:1，浸泡时间为70-80min，搅拌转速为50-60 r/min，并且所述二次置换处理的液料体积比为3:1，浸泡时间为75-85 min，搅拌转速为50-60 r/min。

51、本发明的第三方面还提供了一种抗菌自清洁涂层，所述抗菌自清洁涂层通过在基材上涂覆抗菌自清洁涂料组合物并进行固化而得到，所述抗菌自清洁涂层的厚度为25-35μm，其中，所述抗菌自清洁涂料组合物是根据第一方面所述的抗菌自清洁涂料组合物或根据第二方面所述的方法制备得到的抗菌自清洁涂料组合物。

52、与现有技术相比，本发明具有以下有益效果：

53、本发明通过使掺杂了抗菌金属成分的抗菌颗粒均匀地负载于多孔硅酸盐-介孔气凝胶三维互联网络型载体的孔隙内壁，使得掺杂的金属成分在储存期间不会释放游离离子，仅有在接触的情况下才能释放抗菌成分，实现了广谱长效接触式抗菌的效果且无二次污染。

54、此外，本发明的多孔硅酸盐-介孔气凝胶载体相较于现有的无机载体具有更高的比表面积（比表面积≥620 m2/g），抗菌颗粒能够在纳米级尺度上均匀地负载于多孔硅酸盐-介孔气凝胶载体的孔隙中，提升了抗菌活性位点的密度。

55、进一步地，包含支链型聚硅氧烷接枝氟碳树脂和纳米气相二氧化硅的树脂基体形成的超疏水表面，实现了污渍滚落自清洁的效果，强化了污渍光热分解与疏水自清洁之间的协同效果。

56、进一步地，氨基硅烷偶联剂与环氧固化剂的添加增加了涂层与基材之间的界面化学键合，大幅提升了涂层与基材的附着力、机械强度与耐候性，从根本上解决了传统气凝胶涂层附着力差、耐刮擦性能不足、气凝胶易开裂坍塌等问题。