一种汽车驾驶室用相变储能涂料及其制备工艺

技术领域

本发明涉及汽车技术领域，涉及一种涂料，具体涉及一种兼顾温度调节性能和高光反射性能的汽车驾驶室用相变储能涂料及其制备工艺。

背景技术

汽车驾驶室极易受环境影响，夏季酷热，汽车在烈日下停放后，驾驶室温度急剧上升，甚至达到80℃以上；冬季严寒，汽车驾驶室温度又非常低。对此，人们通常的做法是打开车窗或空调，来调节车内温度，然而上述做法增加了不必要的时间等待与资源浪费，改善车辆热管理方式对实现更高的效率至关重要，相变蓄热技术与热反射技术的出现有利于降低能源消耗、提高人民生活水平。

相变蓄热技术指材料在物理状态变化过程中吸收和释放热量的特性来进行蓄热和释热，相变过程中温度保持恒定，因此其在温度控制领域具有极大的作用。基于化学组分可将相变材料分为有机、无机两大类。

有机相变材料由于低腐蚀性、无过冷现象，相对于无机材料更具优势，其中有机固-液相变材料相变潜热大，被广泛利用，然而其在相变过程中容易出现渗漏，虽然封装技术解决了部分问题，但会出现相变焓值降低，无法实现有效温控。

热反射技术是利用材料对太阳光的反射来降低太阳光对汽车驾驶室的加热影响，纳米二氧化钛作为一种高光反射率材料被广泛作为功能性填料用于热反射涂料，然而涂料颜色高度发白，耐污性不佳，不适用于汽车驾驶室环境。

CN112280454A公开了一种聚氨酯热反射涂料，它由下述重量配比的原料制成：相变聚氨酯树脂55～85重量份、纳米二氧化钛7～15重量份、沉淀相二氧化硅11～17重量份和气相二氧化硅2～4重量份，可作为皮革涂料，以相变聚氨酯为基体虽然解决了相变易泄露的问题，但其相变焓值低(40～60J/g)，而且高白度物质的添加使得涂料耐污性能不佳。

CN109530184A公开了一种相变蓄热-反射隔热双层涂层，包括外涂层和内涂层，外涂层由纳米二氧化钛高岭土复合粒子表面引发聚丙烯酰胺的红外热反射涂料制成，内涂层以相变微胶囊为主要材料制成，相变微胶囊具有高相变焓值，然而二氧化钛的存在依然具有高白度问题。

因此，在保证涂料具有高光反射性能与高相变蓄热性能的同时，使涂料具有一定的耐污性能，从而使汽车驾驶室具有“冬暖夏凉”的特性是一个亟待解决的科学难题。

发明内容

针对目前技术的不足，本发明的目的在于提供一种汽车驾驶室用相变储能涂料，该涂料兼顾温度调节性能和高光反射性能，涂料呈灰色且不含有机溶剂，减少了VOC含量，符合绿色环保要求。

本发明另一个目的是提供该涂料的制备工艺。

为了实现上述目的，本发明采用以下技术方案：

本发明第一方面提供了一种汽车驾驶室用相变储能涂料，包括外涂层，中间层和内涂层；按重量份数计，所述外涂层的组分包括：水性多元醇分散体50～70份，成膜助剂1.4～1.7份，消泡剂0.3～0.7份，流平剂0.5～1.5份，增稠剂0.2～0.6份与固化剂10～30份；

按重量份数计，所述中间层的组分包括：水性多元醇分散体70～100份，改性高反射材料20～30份，成膜助剂2.5～3.5份，消泡剂0.5～1份，流平剂1～3份，增稠剂0.1～0.4份与固化剂25～35份；

按重量份数计，所述内涂层的组分包括：水性相变聚氨酯80～120份，成膜助剂5～8份，消泡剂1.5～4份，流平剂3～5份，增稠剂0.05～0.3份与固化剂20～40份；

所述改性高反射材料中高反射材料为铜掺杂磷酸锌钠NaZn(Cu)PO

所述水性相变聚氨酯由二异氰酸酯、聚乙二醇、小分子扩链剂、二羟甲基丙酸与三乙胺反应制得。

在本发明中，本发明采用水性相变聚氨酯，使内涂层的相变焓值大大提升，当车内温度过高时，内涂层能够吸收大量的热，当车内温度低于相变温度时，能够释放热量，有效控制汽车驾驶室温度；同时利用黑色改性高反射材料复合水性聚氨酯涂料，具有较高的近红外反射率和半球发射率，极大地减少了夏季汽车驾驶室过热问题，并且涂料呈灰色，增强涂料的耐污性能；

内涂层的相变焓值大大提升，主要用于吸收热量与释放热量；中涂层中添加了改性高反射材料，进一步减少了夏季驾驶室过热的问题，并且增强了涂料的耐污性能；外涂层主要是提供较好硬度，附着力，耐磨性能，耐候性能，起到保护的功能，以防止内部的内涂层与中涂层受到损害，但外涂层又不能太过于厚从而影响到光线的透过以及热量的吸收与释放，因此，本发明的内涂层厚度为0.3mm，中间层厚度为0.2mm，外涂层厚度为0.1mm。

作为本发明的一种优选方案，所述水性多元醇分散体为水性丙烯酸酯多元醇分散体，如BayhydrolA2542。

作为本发明的一种优选方案，所述成膜助剂为DPM，所述消泡剂为BYK-024，所述流平剂为BYK-323，所述增稠剂为Rheolate-299。

作为本发明的一种优选方案，所述固化剂为水性多异氰酸酯固化剂。

作为本发明的一种优选方案，所述聚乙二醇的分子量为1000～6000Da。

作为本发明的一种优选方案，所述聚乙二醇的分子量为1000～2000Da。

作为本发明的一种优选方案，所述二异氰酸酯为六亚甲基二异氰酸酯、异氟尔酮二异氰酸酯、甲苯二异氰酸酯、二苯甲烷二异氰酸酯、4,4'-二环己基甲烷二异氰酸酯的一种或多种，所述小分子扩链剂为1，4-丁二醇或1，6-己二醇。

作为优选，所述二异氰酸酯为六亚甲基二异氰酸酯、异氟尔酮二异氰酸酯、4,4'-二环己基甲烷二异氰酸酯的一种或多种。

本发明第二方面提供了上述涂料的制备工艺，所述制备工艺包括以下步骤：

1)将水性多元醇分散体、成膜助剂、消泡剂、流平剂、增稠剂搅拌均匀，然后加入固化剂，继续搅拌均匀，得到外涂层浆料；

2)将水性多元醇分散体、改性高反射材料、成膜助剂、消泡剂、流平剂、增稠剂搅拌均匀，然后加入固化剂，继续搅拌均匀，得到中间层浆料；

3)将水性相变聚氨酯、成膜助剂、消泡剂、流平剂、增稠剂搅拌均匀，然后加入固化剂，继续搅拌均匀，得到内涂层浆料；

4)将步骤3)得到的内涂层浆料涂覆在基材上，固化，然后涂覆步骤2)得到的中间层浆料，固化，再涂覆步骤1)得到的外涂层浆料，固化，得到汽车驾驶室用相变储能涂料。

作为本发明的一种优选方案，所述步骤2)中，改性高反射材料的制备方法为：

NaZn(Cu)PO

作为本发明的一种优选方案，所述步骤3)中，水性相变聚氨酯的制备方法为：

在50～70℃下，将二异氰酸酯、聚乙二醇在有机溶剂中反应1～4h，加入二羟甲基丙酸，在催化剂作用下继续反应1～4h，加入小分子扩链剂继续反应0.5～1h，冷却至室温，加入三乙胺中和，在高速搅拌下，向装置中滴加去离子水进行乳化，减压蒸馏至乳液中无残留有机溶剂，得到水性相变聚氨酯。

与现有技术相比，本发明具有以下有益效果：

(1)本发明利用黑色改性高反射材料复合水性聚氨酯涂料，具有较高的近红外反射率和半球发射率，极大地减少了夏季汽车驾驶室过热问题，并且涂料呈灰色，增强涂料的耐污性能；

(2)本发明采用水性相变聚氨酯，使内涂层的相变焓值大大提升，当车内温度过高时，内涂层能够吸收大量的热，当车内温度低于相变温度时，能够释放热量，有效控制汽车驾驶室温度；

(3)本发明的汽车驾驶室用相变储能涂料不含有机溶剂，绿色环保对人体无害，可作为皮革、织物、塑料等车内材料的功能性涂料，且操作简单，适合大面积推广。

具体实施方式

下面将结合本发明实施例，对本发明实施例中的技术方案进行清楚、完整地描述，显然，所描述的实施例仅仅是本发明一部分实施例，而不是全部的实施例。基于本发明中的实施例，本领域普通技术人员在没有做出创造性劳动前提下所获得的所有其他实施例，都属于本发明保护的范围。

本发明提供了汽车驾驶室用相变储能涂料，包括外涂层，中间层和内涂层；按重量份数计，所述外涂层的组分包括：水性多元醇分散体50～70份，成膜助剂1.4～1.7份，消泡剂0.3～0.7份，流平剂0.5～1.5份，增稠剂0.2～0.6份与固化剂10～30份；

按重量份数计，所述中间层的组分包括：水性多元醇分散体70～100份，改性高反射材料20～30份，成膜助剂2.5～3.5份，消泡剂0.5～1份，流平剂1～3份，增稠剂0.1～0.4份与固化剂25～35份；

按重量份数计，所述内涂层的组分包括：水性相变聚氨酯80～120份，成膜助剂5～8份，消泡剂1.5～4份，流平剂3～5份，增稠剂0.05～0.3份与固化剂20～40份；

所述改性高反射材料中高反射材料为铜掺杂磷酸锌钠NaZn(Cu)PO

所述水性相变聚氨酯由二异氰酸酯、聚乙二醇、小分子扩链剂、二羟甲基丙酸与三乙胺反应制得。

在本发明中，水性多元醇分散体为水性丙烯酸酯多元醇分散体，如BayhydrolA2542。

在本发明中，成膜助剂为DPM，消泡剂为BYK-024，流平剂为BYK-323，增稠剂为Rheolate-299。

在本发明中，固化剂为水性多异氰酸酯固化剂，如XP-2547。

在本发明中，聚乙二醇的分子量为1000～6000Da，优选为1000～2000Da。

在本发明中，二异氰酸酯为六亚甲基二异氰酸酯、异氟尔酮二异氰酸酯、甲苯二异氰酸酯、二苯甲烷二异氰酸酯、4,4'-二环己基甲烷二异氰酸酯的一种或多种，优选为六亚甲基二异氰酸酯、异氟尔酮二异氰酸酯、4,4'-二环己基甲烷二异氰酸酯的一种或多种。

在本发明中，小分子扩链剂为1，4-丁二醇或1，6-己二醇。

上述的汽车驾驶室用相变储能涂料的制备工艺，包括以下步骤：

1)将水性多元醇分散体、成膜助剂、消泡剂、流平剂、增稠剂搅拌均匀，然后加入固化剂，继续搅拌均匀，得到外涂层浆料；

2)将水性多元醇分散体、改性高反射材料、成膜助剂、消泡剂、流平剂、增稠剂搅拌均匀，然后加入固化剂，继续搅拌均匀，得到中间层浆料；

3)将水性相变聚氨酯、成膜助剂、消泡剂、流平剂、增稠剂搅拌均匀，然后加入固化剂，继续搅拌均匀，得到内涂层浆料；

4)将步骤3)得到的内涂层浆料涂覆在基材上，固化，然后涂覆步骤2)得到的中间层浆料，固化，再涂覆步骤1)得到的外涂层浆料，固化，得到汽车驾驶室用相变储能涂料。

所述改性高反射材料按如下方法制备：

NaZn(Cu)PO

所述水性相变聚氨酯按如下方法制备：

在50～70℃下，将二异氰酸酯、聚乙二醇在有机溶剂中反应1～4h，加入二羟甲基丙酸，在催化剂作用下继续反应1～4h，加入小分子扩链剂继续反应0.5～1h，冷却至室温，加入三乙胺中和，在高速搅拌下，向装置中滴加去离子水进行乳化，减压蒸馏至乳液中无残留有机溶剂，得到水性相变聚氨酯。

以下结合具体实施例对本发明作进一步的说明。

实验所用原料及试剂来源及规格参数如表1所示。

表1实验所用原料及试剂

本发明实施例中涉及的水性多元醇分散体为BayhydrolA2542，成膜助剂为二丙二醇甲醚，消泡剂为BYK-024，流平剂为BYK-323，增稠剂为Rheolate-299，固化剂为BayhydrolXP2547。

NaZn(Cu)PO

实施例1

本实施例提供了汽车驾驶室用相变储能涂料的制备工艺，包括：

将1000Da聚乙二醇、二羟甲基丙酸在110℃真空烘箱中除水4h，六亚甲基二异氰酸用分子筛除水4h，将67.3g六亚甲基二异氰酸、200g聚乙二醇、适量丙酮溶剂加入反应釜中，400r/min高速搅拌，在50℃反应4h，加入13.5g二羟甲基丙酸，在催化剂二月桂酸二丁基锡作用下继续反应2h，加入18g 1，4-丁二醇继续反应1h，冷却至室温，加入10.1g三乙胺中和，在800r/min高速搅拌下，向装置中滴加去离子水进行乳化，减压蒸馏至乳液中无残留丙酮，得到水性相变聚氨酯。

将80g水性相变聚氨酯、5g成膜助剂、1.5g消泡剂、3g流平剂、0.3g增稠剂在分散机中搅拌10min，速度为1200r/min，混合均匀后加入20g固化剂，继续搅拌均匀，得到内涂层浆料。

NaZn(Cu)PO

将70g水性多元醇分散体、20g改性高反射材料、2.5g成膜助剂、0.5g消泡剂、1g流平剂、0.1g增稠剂在分散机中搅拌10min，速度为1200r/min，混合均匀后加入25g固化剂，继续搅拌均匀，得到中间层浆料。

将50g水性多元醇分散体、1.4g成膜助剂、0.3g消泡剂、0.5g流平剂、0.2g增稠剂在分散机中搅拌10min，速度为1200r/min，混合均匀后加入10g固化剂，继续搅拌均匀，得到外涂层浆料。

将内涂层浆料涂覆在基材上，固化，然后涂覆中间层浆料，固化，再涂覆外涂层浆料，固化，得到汽车驾驶室相变储能涂料，其中内涂层厚度为0.3mm，中间层厚度为0.2mm，外涂层厚度为0.1mm。

实施例2

本实施例提供了汽车驾驶室用相变储能涂料的制备工艺，包括：

将1000Da聚乙二醇、二羟甲基丙酸在110℃真空烘箱中除水4h，异氟尔酮二异氰酸酯用分子筛除水4h，将89g异氟尔酮二异氰酸酯、200g聚乙二醇、适量丙酮溶剂加入反应釜中，500r/min高速搅拌，在50℃反应2h，加入13.5g二羟甲基丙酸，在催化剂二月桂酸二丁基锡作用下继续反应2h，加入23.7g 1，6-己二醇继续反应1h，冷却至室温，加入10.1g三乙胺中和，在800r/min高速搅拌下，向装置中滴加去离子水进行乳化，减压蒸馏至乳液中无残留丙酮，得到水性相变聚氨酯。

将100g水性相变聚氨酯、6.5g成膜助剂、3g消泡剂、3.7g流平剂、0.1g增稠剂在分散机中搅拌10min，速度为1200r/min，混合均匀后加入28g固化剂，继续搅拌均匀，得到内涂层浆料。

NaZn(Cu)PO

将90g水性多元醇分散体、20g改性高反射材料、3g成膜助剂、0.8g消泡剂、2g流平剂、0.2g增稠剂搅拌在分散机中搅拌10min，速度为1200r/min，混合均匀后加入30g固化剂，继续搅拌均匀，得到中间层浆料。

将60g水性多元醇分散体、1.5g成膜助剂、0.6g消泡剂、1g流平剂、0.4g增稠剂在分散机中搅拌10min，速度为1200r/min，混合均匀后加入20g固化剂，继续搅拌均匀，得到外涂层浆料。

将内涂层浆料涂覆在基材上，固化，然后涂覆中间层浆料，固化，再涂覆外涂层浆料，固化，得到汽车驾驶室相变储能涂料，其中内涂层厚度为0.3mm，中间层厚度为0.2mm，外涂层厚度为0.1mm。

实施例3

本实施例提供了汽车驾驶室用相变储能涂料的制备工艺，包括：

将2000Da聚乙二醇、二羟甲基丙酸在110℃真空烘箱中除水4h，4,4'-二环己基甲烷二异氰酸酯用分子筛除水4h，将52.5g 4,4'-二环己基甲烷二异氰酸酯、200g聚乙二醇、适量丙酮溶剂加入反应釜中，400r/min高速搅拌，在70℃反应1h，加入6.7g二羟甲基丙酸，在催化剂二月桂酸二丁基锡作用下继续反应1h，加入9g 1，4-丁二醇继续反应0.5h，冷却至室温，加入5.1g三乙胺中和，在800r/min高速搅拌下，向装置中滴加去离子水进行乳化，减压蒸馏至乳液中无残留丙酮，得到水性相变聚氨酯。

将120g水性相变聚氨酯、8g成膜助剂、4g消泡剂、5g流平剂、0.05g增稠剂在分散机中搅拌10min，速度为1200r/min，混合均匀后加入40g固化剂，继续搅拌均匀，得到内涂层浆料。

NaZn(Cu)PO

将100g水性多元醇分散体、30g改性高反射材料、3.5g成膜助剂、1g消泡剂、3g流平剂、0.1g增稠剂在分散机中搅拌10min，速度为1200r/min，混合均匀后加35g固化剂，继续搅拌均匀，得到中间层浆料。

将70g水性多元醇分散体、1.7g成膜助剂、0.7g消泡剂、1.5g流平剂、0.6g增稠剂在分散机中搅拌10min，速度为1200r/min，混合均匀后加入30g固化剂，继续搅拌均匀，得到外涂层浆料。

将内涂层浆料涂覆在基材上，固化，然后涂覆中间层浆料，固化，再涂覆外涂层浆料，固化，得到汽车驾驶室相变储能涂料，其中内涂层厚度为0.3mm，中间层厚度为0.2mm，外涂层厚度为0.1mm。

对比例1，本对比例与实例3的区别在于将内涂层的配方改为120g水性多元醇分散体、8g成膜助剂、4g消泡剂、5g流平剂、0.05g增稠剂，40g固化剂，其余操作方式与实例3一致。

对比例2，本对比例与实例3的区别在于将中间层的配方改为100g水性多元醇分散体、3.5g成膜助剂、1g消泡剂、3g流平剂、0.1g增稠剂、35g固化剂，其余操作方式与实例3一致。

对比例3，本对比例与实例3的区别在于将将内涂层的配方改为120g水性多元醇分散体、8g成膜助剂、4g消泡剂、5g流平剂、0.05g增稠剂，40g固化剂，以及将中间层的配方改为100g水性多元醇分散体、3.5g成膜助剂、1g消泡剂、3g流平剂、0.1g增稠剂、35g固化剂，其余操作方式与实例3一致。

对实施例1～3和对比例1～3进行性能测试，铅笔硬度参考标准GB/T6739-2006测定，附着力参考标准GB/T1720-2020测定，耐水性参考标准GB/T1733-1993中甲法的规定测定，耐玷污性参考标准GB/T9780-2013中涂刷法A法测定，耐候性参考标准GB/16422.2进行测定，明度参考标准GB/T3181-2008测定，施工性、近红外反射率、半球发射率参考标准GB/T25261-2018测定，运用差示扫描量热仪(DSC)测试样品的相变焓，测试条件为：在N

表2实施例1～3和对比例1～3性能测试结果

通过上表可以明显的看出，实施例1～3及对比例1的近红外反射率及半球发射率均符合标准GB/T25261-2018的要求，虽然对比例2具有最高的近红外反射率，但不符合标准GB/T25261-2018对该明度范围内反射材料的要求，这主要是由于内涂层聚乙二醇软段结晶使得涂料呈灰白色，从而反射了部分可见光，未添加铜掺杂磷酸锌钠NaZn(Cu)PO

由此可见，本发明的汽车驾驶室用相变储能涂料，具有较高的近红外反射率和半球发射率，极大地减少了夏季汽车驾驶室过热问题，并且涂料呈灰色，增强涂料的耐污性能；本发明的汽车驾驶室用相变储能涂料，使内涂层的相变焓值大大提升，当车内温度过高时，内涂层能够吸收大量的热，当车内温度低于相变温度时，能够释放热量，有效控制汽车驾驶室温度。

以上所述，仅为本发明的较佳实施例，并非对本发明任何形式上和实质上的限制，应当指出，对于本技术领域的普通技术人员，在不脱离本发明方法的前提下，还将可以做出若干改进和补充，这些改进和补充也应视为本发明的保护范围。凡熟悉本专业的技术人员，在不脱离本发明的精神和范围的情况下，当可利用以上所揭示的技术内容而做出的些许更动、修饰与演变的等同变化，均为本发明的等效实施例；同时，凡依据本发明的实质技术对上述实施例所作的任何等同变化的更动、修饰与演变，均仍属于本发明的技术方案的范围内。