CN101270221A - 一种环氧树脂-聚氨酯复合乳液的制备方法 - Google Patents

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Abstract

本发明涉及一种环氧树脂-聚氨酯复合乳液的制备方法。本发明首先采用多异氰酸酯和低聚物二元醇制备线型氨酯预聚体,将交联改性(小分子扩链剂和大分子亲水扩链剂)、复合树脂(线型氨酯预聚体和环氧树脂)共混改性相结合,使用小分子扩链剂和大分子亲水扩链剂对线型氨酯预聚体扩链,使得线型氨酯预聚体具有亲水性官能团和支化结构,制备具有分子内交联结构的氨酯预聚体;然后加入液态环氧树脂,加入中和剂成盐,加去离子水乳化,制得环氧树脂-聚氨酯复合乳液。本发明的复合乳液稳定性好、粒径为140nm左右,固化剂用量少,能改善涂膜性能及耐腐蚀性,且绿色环保。其应用是将上述环氧树脂-聚氨酯复合乳液加入颜料浆中,可制备双组分水性防腐涂料。

Description

一种环氧树脂-聚氨酯复合乳液的制备方法
技术领域
本发明属于功能高分子技术领域,也属于涂料科学技术领域,具体涉及一种环氧树脂-聚氨酯复合乳液的制备方法。
背景技术
聚氨酯树脂(PUR)被广泛用作有机涂料的成膜物质,以水为分散介质的水性聚氨酯(WPU)成为近年来PUR研究开发的方向。线型结构的WPU以高分子链缠结或物理交联的形式成膜,涂膜的性能有待提高。目前,人们采用共混法(Prog.Org.Coat.,1998,33:108~116)、接枝法(Polym.Int.,2005,54,488~492)、“核壳”粒子设计(Prog.Org.Coat.,2000,(38):27~34)、细乳液聚合技术(Adv.Polym.Sci.,2005,175:129~255)、IPN技术(Macromolecular Symposia,2007,254(1):233~239)或交联改性(中国专利申请号:200610056951.6;J South China Univ.Technol.:Natural Sci.Ed.,2006,34(8):46-50)对WPU进行改性,以满足WPU作为涂料树脂的要求。
双酚A型环氧树脂的芳环结构和环氧基团使其具有优良粘接性能,固化后的交联密度大、机械强度和耐化学品性能好等优点,且价格低廉,对WPU进行改性,可以综合两者的优势,制备的环氧树脂-聚氨酯复合乳液可以应用于水性双组分涂料。然而,环氧树脂同聚氨酯树脂具有天然的不相容性,这势必影响到复合体系的性能。为解决这一难题,人们(中国专利申请号:200610096041.0;中国专利申请号:200610044553.2)将环氧树脂作为多羟基化合物参与水性聚氨酯的合成,但容易造成预聚物黏度大、相转乳化困难等问题;中国专利:ZL01115056.4将环氧树脂以简单的机械共混加入水性聚氨酯中,环氧树脂的用量过大会造成乳液破乳、聚结,稳定性大大下降。
发明内容
本发明目的在于提供一种稳定性好的环氧树脂-聚氨酯复合乳液的制备方法,该方法得到的环氧树脂-聚氨酯复合乳液的涂膜具有优异的抗张强度、抗冲击强度、耐水性和耐侯性。
为了实现上述目的,本发明的技术方案是:一种环氧树脂-聚氨酯复合乳液的制备方法,其特征在于包括以下步骤:
1)在氮气保护下,将多异氰酸酯和低聚物二元醇按质量比5∶7~11混合,加热升温至70~90℃,恒温反应60~90min,得线型氨酯预聚体;
2)步骤1)的线型氨酯预聚体中加入小分子扩链剂,于70~90℃继续反应30~60min,然后再加入大分子亲水扩链剂,于70~90℃继续反应45~60min,得氨酯预聚体;其中,多异氰酸酯与小分子扩链剂的质量比为5∶3.0~3.7,多异氰酸酯与大分子亲水扩链剂的质量比为5∶0.6~1.4;
3)步骤2)的氨酯预聚体中加入液态环氧树脂,多异氰酸酯与液态环氧树脂的质量比为5∶0.8~1.2,于60~80℃混合10~30min;再加入中和剂,多异氰酸酯与中和剂的质量比为5∶0.7~0.9;然后冷却至30℃加去离子水乳化,多异氰酸酯与去离子水的质量比为5∶5~20,制得环氧树脂-聚氨酯复合乳液。
所述的多异氰酸酯为甲苯二异氰酸酯、异佛尔酮二异氰酸酯或己二异氰酸酯。
所述的低聚物二元醇为聚酯多元醇、聚碳酸酯多元醇、聚醚多元醇、聚四氢呋喃多元醇、聚己内酯多元醇、聚酯-聚醚多元醇中的任意一种或任意二种以上(含任意二种)的混合物,任意二种以上混合时为任意配比;数均相对分子质量为300~3000,羟值为50~200mgKOH/g。
所述的小分子扩链剂为二羟甲基丙酸、三羟甲基丙烷中的任意一种或二种的混合物,二种混合时为任意配比。
所述大分子亲水扩链剂为环氧树脂-胺加成物。
所述环氧树脂-胺加成物由双酚A型环氧树脂E-44(环氧值为0.43)同二乙醇胺,在60℃~85℃下反应1.5~3h制得;其中双酚A型环氧树脂E-44与二乙醇胺物质的量之比为1∶0.6~1.0。
所述中和剂为三乙胺。
复合乳液的固化:以多元氮杂啶类化合物为固化剂,先将固化剂和去离子水按质量比1∶1.0~10.0稀释,得固化剂溶液;将环氧树脂-聚氨酯复合乳液的pH调至8.0~9.0,将固化剂溶液在使用前加入到环氧树脂-聚氨酯复合乳液中,快速搅拌,均匀混合,其中固化剂的质量百分比浓度为1~3%(w/w);将复合乳液流延在洁净的有矩形槽的聚四氟乙烯模板上,室温固化成膜。
所述多元氮杂啶类固化剂为三羟甲基丙烷三(3-丙烯亚胺)丙酸酯、三羟甲基丙烷三(3-乙烯亚胺)丙酸酯、季戊四醇三(3-乙烯亚胺)丙酸酯中的任意一种或任意二种以上(含任意二种)的混合物,任意二种以上混合时为任意配比。
本发明首先采用多异氰酸酯和低聚物二元醇制备线型氨酯预聚体,将交联改性(小分子扩链剂和大分子亲水扩链剂)、复合树脂(线型氨酯预聚体和环氧树脂)共混改性相结合,使用小分子扩链剂和大分子亲水扩链剂对线型氨酯预聚体扩链,使得线型氨酯预聚体具有亲水性官能团和支化结构(小分子扩链剂进行轻度扩链,使其具有支化结构;大分子亲水扩链剂进行交联反应,使其具有交联结构),同时设计分子内交联同分子间交联相竞争的反应体系,制备具有分子内交联结构(即微凝胶结构)的氨酯预聚体;然后加入液态环氧树脂,加入中和剂成盐,加去离子水乳化,制得泛蓝光半透明的环氧树脂-聚氨酯复合乳液。
与现有技术相比,本发明的有益效果是:
(1)设计分子内交联同分子间交联相竞争的反应体系,即利用大分子在稀溶液中是无规线团的特征,向具有支化结构的氨酯预聚体中加入环氧树脂-胺加成物,氨酯预聚体上的活性端基即异氰酸酯基可以同环氧树脂-胺加成物上的伯醇基反应,同时,也可以和环氧树脂-胺加成物上仲醇基反应,也可以和预聚体的氨基甲酸酯基反应,分子间反应即外交联过程,分子内反应即内交联过程,不增加分子量,而分子内反应同分子间的交联反应相竞争,使交联过程不能无限发展,从而制备可溶性的具有分子内交联结构(即微凝胶结构)的氨酯预聚体。
(2)通过优化小分子扩链剂和大分子亲水扩链剂的配方组合,使聚氨酯分子链具有分子内交联结构,这种结构有利于增加聚氨酯与环氧树脂相容性,同时增加了涂膜的交联密度,大大改善了涂膜的机械强度和耐溶剂性能。该方法得到的环氧树脂-聚氨酯复合乳液的涂膜具有优异的抗张强度、抗冲击强度、耐水性和耐侯性。
(3)稳定性好、粒径小:液态环氧树脂被包埋在乳胶粒内部,分子内交联结构使乳胶粒内部的疏水区更加致密,使得复合乳液的粒径小(粒径为140nm左右)且分布均匀,从而解决了解决了粒径、黏度、贮存稳定性和胶膜性能间的矛盾,环氧树脂用量在6.0-20.0%范围内变化,乳液稳定性不受影响,高于文献报道值(Chinese Journal of AppliedChemistry,2006,23(4):441~443;Journal of Chemical Engineering of ChineseUniversities,2002,16(5):570~573)。
(4)环氧树脂-胺加成物使一部分环氧树脂与聚氨酯分子链以共价键相连,但两者并不相容,形成微观非均相的聚合物,以共混法加入的环氧树脂,在复合乳液添加多元氮杂啶化合物固化时,环氧树脂参与交联固化,同聚氨酯分子链形成互穿网络结构,在性能上不但保留了各自主要的性能,而且具有协同效应产生新的性质,从而提高了涂膜的综合性能。本发明制备的水性双组分涂料的涂膜性能指标如表1。
(5)提高了成膜性:选用多元氮杂啶化合物作外交联剂,能使聚氨酯-环氧树脂复合乳液室温固化成膜,提高了膜的力学性能、耐水性、耐溶剂性及耐化学品性能,为室外大型工程涂装提供了可能。固化剂用量少,且绿色环保。
(6)将环氧树脂-聚氨酯复合乳液加入颜料浆中,可制备水性防腐蚀涂料。
表1涂膜综合性能指标
Figure A20081004754200051
附图说明
图1是本发明实施例1的复合乳液TEM照片。
具体实施方式
为了更好地理解本发明,下面结合实施例进一步阐明本发明的内容,但本发明的内容不仅仅局限于下面的实施例。
实施例1:
一种环氧树脂-聚氨酯复合乳液的制备方法,包括以下步骤:
在干燥氮气保护下,将脱水过的3g聚酯二元醇(PBA,Mn=2000,羟值53~56mgKOH/g,工业级,烟台华大化工有限公司)、6g聚碳酸酯二元醇(PCD,Mn=2000,羟值56±3mgKOH/g,C.P.,上海和氏璧化工有限公司)和5g异佛尔酮二异氰酸酯(IPDI,C.P.,德国Hurls公司)加入到装有电动搅拌器、回流冷凝管、温度计的250ml四口烧瓶中,加热升温至90℃,恒温反应60min;加入3g二羟甲基丙酸,于90℃继续反应60min,加入三羟甲基丙烷0.3g,于90℃继续反应60min后,将另一四口烧瓶内于60℃反应120min的环氧树脂与二乙醇胺(物质的量之比为1∶1)混合物加入(环氧树脂和二乙醇胺的加入量均为0.5g),于80℃继续反应60min;加入1g液态环氧树脂(E-44,环氧值为0.43,工业级,岳阳石化),混合15min;加入0.8g三乙胺(TEA,A.R.,国药集团化学试剂有限公司),中和成盐;冷却至30℃加去离子水乳化,制得环氧树脂-聚氨酯复合乳液;固含量为35%。该复合乳液具有极好的储存稳定性,涂膜硬度高、耐水、耐溶剂性好,可应用于水性双组分涂料。
图1说明实施例1制备的聚氨酯-环氧树脂复合乳液的平均粒径为140nm左右,分布比较均匀。
应用实施例1:适用实施例1中制备的环氧树脂-聚氨酯复合乳液,制备水性双组分涂料,以多元氮杂啶类化合物为固化剂,室温固化成膜。先将固化剂和去离子水按质量比1∶1稀释,将复合乳液pH调至8~9,将固化剂溶液在使用前加入到环氧树脂-聚氨酯复合乳液中,快速搅拌,均匀混合,其中固化剂的重量百分比浓度为1~3%(w/w)。制备水性双组分涂料配方见表2。
表2水性双组分涂料配方
  序号   组成   质量百分比/%
  1   实施例1中的复合乳液   65
  2   颜料浆   18
  3   润湿分散剂   0.2
  4   流平剂   0.1
  5   消泡剂   0.05
  6   去离子水   16.4
  7   固化剂   0.25
  共计   100.0
制备方法如下:先将2~6号原料加入到搅拌釜中,用高速分散机分散40~60min,然后将实施例1中制备的复合乳液缓慢加入到搅拌釜中,中速搅拌10~30min,用DMAE调节涂料的pH值,待pH值合格后过滤、出料、包装。使用前,将固化剂加入漆液中,搅拌均匀后涂装。制备水性双组分涂料性能:外观:乳白色,无机械杂质;pH8~9;固含量35~40%,黏度25s(涂-4杯)。漆膜性能:铅笔硬度:1H;附着力:1级;耐冲击强度:50Kg·cm;柔韧性:1级。
应用实施例2:适用实施例1中制备的环氧树脂-聚氨酯复合乳液,制备水性双组分涂料,以多元氮杂啶类化合物为固化剂,室温固化成膜。先将固化剂和去离子水按质量比1∶1稀释,将复合乳液pH调至8~9,按1-3%(w/w)的加入量将固化剂在使用前加入到复合乳液中,快速搅拌,均匀混合。制备水性双组分涂料配方见表3。
表3水性双组分涂料配方
  序号   组成   质量百分比/%
  1   实施例1中的复合乳液   63
  2   颜料浆   20
  3   润湿分散剂   0.1
  4   流平剂   0.1
  5   消泡剂   0.05
  6   去离子水   16.5
  7   固化剂   0.25
  共计   100.0
制备方法如下:先将2~6号原料加入到搅拌釜中,用高速分散机分散40~60min,然后将实施例1中制备的复合乳液缓慢加入到搅拌釜中,中速搅拌10~30min,用DMAE调节涂料的pH值,待pH值合格后过滤、出料、包装。使用前,将固化剂加入漆液中,搅拌均匀后涂装。制备水性双组分涂料性能:外观:乳白色,无机械杂质;pH8~9;固含量35~40%,黏度25s(涂-4杯)。漆膜性能:铅笔硬度:2H;附着力:1级;耐冲击强度:50Kg·cm;柔韧性:1级。
应用实施例3:适用实施例1中制备的环氧树脂-聚氨酯复合乳液,制备水性双组分涂料,以多元氮杂啶类化合物为固化剂,室温固化成膜。先将固化剂和去离子水按质量比1∶1稀释,将复合乳液pH调至8~9,按1-3%(w/w)的加入量将固化剂在使用前加入到复合乳液中,快速搅拌,均匀混合。制备水性双组分涂料配方见表4。
表4水性双组分涂料配方
  序号   组成   质量百分比/%
  1   实施例1中的复合乳液   50
  2   颜料浆   33
  3   润湿分散剂   0.2
  4   流平剂   0.1
  5   消泡剂   0.05
  6   去离子水   16.4
  7   固化剂   0.25
  共计   100.0
制备方法如下:先将2~6号原料加入到搅拌釜中,用高速分散机分散30~50min,然后将实施例1中制备的复合乳液缓慢加入到搅拌釜中,中速搅拌10~30min,用DMAE调节涂料的pH值,待pH值合格后过滤、出料、包装。使用前,将固化剂加入漆液中,搅拌均匀后涂装。制备水性双组分涂料性能:外观:乳白色,无机械杂质;pH8~9;固含量75±5%,黏度74~78s(涂-4杯)。漆膜性能:铅笔硬度:3H;附着力:0级;耐冲击性:50kg·cm;柔韧性:1级。
实施例2:
一种环氧树脂-聚氨酯复合乳液的制备方法,包括以下步骤:
1)在氮气保护下,将多异氰酸酯和低聚物二元醇按质量比5∶7混合,加热升温至70℃,恒温反应60min,得线型氨酯预聚体;多异氰酸酯为甲苯二异氰酸酯,低聚物二元醇为聚酯多元醇;
2)步骤1)的线型氨酯预聚体中加入小分子扩链剂,于70℃继续反应30min,然后再加入大分子亲水扩链剂,于70℃继续反应45min,得氨酯预聚体;其中,多异氰酸酯与小分子扩链剂的质量比为5∶3.0,多异氰酸酯与大分子亲水扩链剂的质量比为5∶0.6;小分子扩链剂为二羟甲基丙酸,大分子亲水扩链剂为环氧树脂-胺加成物,环氧树脂-胺加成物由双酚A型环氧树脂E-44(环氧值为0.43)同二乙醇胺,在60℃℃下反应1.5h制得;其中双酚A型环氧树脂E-44与二乙醇胺物质的量之比为1∶0.6;
3)步骤2)的氨酯预聚体中加入液态环氧树脂,多异氰酸酯与液态环氧树脂的质量比为5∶0.8,于60℃混合10min;再加入中和剂,中和剂为三乙胺,多异氰酸酯与中和剂的质量比为5∶0.7;然后冷却至30℃加去离子水乳化,多异氰酸酯与去离子水的质量比为5∶5,制得环氧树脂-聚氨酯复合乳液。
复合乳液的固化:以多元氮杂啶类化合物为固化剂,先将固化剂和去离子水按质量比1∶1.0稀释,得固化剂溶液;将环氧树脂-聚氨酯复合乳液的pH调至8.0,将固化剂溶液在使用前加入到环氧树脂-聚氨酯复合乳液中,快速搅拌,均匀混合,其中固化剂的质量百分比浓度为1%(w/w);将复合乳液流延在洁净的有矩形槽的聚四氟乙烯模板上,室温固化成膜。所述多元氮杂啶类固化剂为三羟甲基丙烷三(3-丙烯亚胺)丙酸酯。
实施例3:
一种环氧树脂-聚氨酯复合乳液的制备方法,包括以下步骤:
1)在氮气保护下,将多异氰酸酯和低聚物二元醇按质量比5∶11混合,加热升温至90℃,恒温反应90min,得线型氨酯预聚体;多异氰酸酯为异佛尔酮二异氰酸酯;低聚物二元醇为聚碳酸酯多元醇和聚醚多元醇,聚碳酸酯多元醇和聚醚多元醇各占低聚物二元醇质量的1/2;所有的聚碳酸酯多元醇、聚醚多元醇都能实现本发明;
2)步骤1)的线型氨酯预聚体中加入小分子扩链剂,于90℃继续反应60min,然后再加入大分子亲水扩链剂,于90℃继续反应60min,得氨酯预聚体;其中,多异氰酸酯与小分子扩链剂的质量比为5∶3.7,多异氰酸酯与大分子亲水扩链剂的质量比为5∶1.4;小分子扩链剂为二羟甲基丙酸和三羟甲基丙烷,二羟甲基丙酸和三羟甲基丙烷各占小分子扩链剂质量的1/2;大分子亲水扩链剂为环氧树脂-胺加成物,环氧树脂-胺加成物由双酚A型环氧树脂E-44(环氧值为0.43)同二乙醇胺,在85℃下反应3h制得;其中双酚A型环氧树脂E-44与二乙醇胺物质的量之比为1∶1.0;
3)步骤2)的氨酯预聚体中加入液态环氧树脂,多异氰酸酯与液态环氧树脂的质量比为5∶1.2,于80℃混合30min;再加入中和剂,中和剂为三乙胺,多异氰酸酯与中和剂的质量比为5∶0.9;然后冷却至30℃加去离子水乳化,多异氰酸酯与去离子水的质量比为5∶20,制得环氧树脂-聚氨酯复合乳液。
复合乳液的固化:以多元氮杂啶类化合物为固化剂,先将固化剂和去离子水按质量比1∶10.0稀释,得固化剂溶液;将环氧树脂-聚氨酯复合乳液的pH调至9.0,将固化剂溶液在使用前加入到环氧树脂聚氨酯复合乳液中,快速搅拌,均匀混合,其中固化剂的质量百分比浓度为3%(w/w);将复合乳液流延在洁净的有矩形槽的聚四氟乙烯模板上,室温固化成膜。所述多元氮杂啶类固化剂为三羟甲基丙烷三(3-乙烯亚胺)丙酸酯。
多异氰酸酯、低聚物二元醇、小分子扩链剂、大分子亲水扩链剂等各自具体的原料都能实现本发明,在此不一一列举实施例。

Claims (7)

1.一种环氧树脂-聚氨酯复合乳液的制备方法,其特征在于包括以下步骤:
1)在氮气保护下,将多异氰酸酯和低聚物二元醇按质量比5∶7~11混合,加热升温至70~90℃,恒温反应60~90min,得线型氨酯预聚体;
2)步骤1)的线型氨酯预聚体中加入小分子扩链剂,于70~90℃继续反应30~60min,然后再加入大分子亲水扩链剂,于70~90℃继续反应45~60min,得氨酯预聚体;其中,多异氰酸酯与小分子扩链剂的质量比为5∶3.0~3.7,多异氰酸酯与大分子亲水扩链剂的质量比为5∶0.6~1.4;
3)步骤2)的氨酯预聚体中加入液态环氧树脂,多异氰酸酯与液态环氧树脂的质量比为5∶0.8~1.2,于60~80℃混合10~30min;再加入中和剂,多异氰酸酯与中和剂的质量比为5∶0.7~0.9;然后冷却至30℃加去离子水乳化,多异氰酸酯与去离子水的质量比为5∶5~20,制得环氧树脂-聚氨酯复合乳液。
2.根据权利要求1所述的一种环氧树脂-聚氨酯复合乳液的制备方法,其特征在于:所述的多异氰酸酯为甲苯二异氰酸酯、异佛尔酮二异氰酸酯或己二异氰酸酯。
3.根据权利要求1所述的一种环氧树脂-聚氨酯复合乳液的制备方法,其特征在于:所述的低聚物二元醇为聚酯多元醇、聚碳酸酯多元醇、聚醚多元醇、聚四氢呋喃多元醇、聚己内酯多元醇、聚酯-聚醚多元醇中的任意一种或任意二种以上的混合物,任意二种以上混合时为任意配比;数均相对分子质量为300~3000,羟值为50~200mgKOH/g。
4.根据权利要求1所述的一种环氧树脂-聚氨酯复合乳液的制备方法,其特征在于:所述的小分子扩链剂为二羟甲基丙酸、三羟甲基丙烷中的任意一种或二种的混合物,二种混合时为任意配比。
5.根据权利要求1所述的一种环氧树脂-聚氨酯复合乳液的制备方法,其特征在于:所述大分子亲水扩链剂为环氧树脂-胺加成物。
6.根据权利要求5所述的一种环氧树脂-聚氨酯复合乳液的制备方法,其特征在于:所述环氧树脂-胺加成物由双酚A型环氧树脂E-44)同二乙醇胺,在60℃~85℃下反应1.5~3h制得;其中双酚A型环氧树脂E-44与二乙醇胺物质的量之比为1∶0.6~1.0。
7.根据权利要求1所述的一种环氧树脂-聚氨酯复合乳液的制备方法,其特征在于:所述中和剂为三乙胺。
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