CN101381457A - 水性超支化中间体、水溶性超支化丙烯酸树脂的制备方法 - Google Patents

水性超支化中间体、水溶性超支化丙烯酸树脂的制备方法 Download PDF

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CN101381457A CNA2008102135243A CN200810213524A CN101381457A CN 101381457 A CN101381457 A CN 101381457A CN A2008102135243 A CNA2008102135243 A CN A2008102135243A CN 200810213524 A CN200810213524 A CN 200810213524A CN 101381457 A CN101381457 A CN 101381457A
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刘白玲
陈华林
罗荣
徐前
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Abstract

本发明是一种水性超支化中间体、水溶性超支化丙烯酸树脂的制备方法,通过新型分子设计,采用“扩散法”合成了两种既可溶于水、又可溶于甲苯,内部带有双键、外部带有羧基反应性功能基团的聚酯型和聚(酯-酰胺)型超支化中间体。将合成的两类两亲型超支化中间体用于水性丙烯酸树脂以及丙烯酸乳液的合成,制备出了具有超支化结构、较低粘度的水溶性丙烯酸酯树脂和丙烯酸乳液。获得的丙烯酸树脂可用于皮革复鞣剂或复鞣加脂剂;丙烯酸乳液可用于皮革涂饰剂、纸张涂饰剂、建筑内外墙涂料、玻璃纤维胶粘剂、上浆剂、毛纺织物胶粘剂等。在第二阶段合成及其使用过程中,无有机溶剂进入最终产品,减少有机溶剂排放,大大降低环境负担,且性能优良。

Description

水性超支化中间体、水溶性超支化丙烯酸树脂的制备方法
技术领域
本发明涉及含乙烯基超支化中间体的制备、超支化中间体与丙烯酸酯类单体的共聚、及其共聚产物在皮革复鞣剂、复鞣加脂剂、皮革涂饰剂、纸张涂饰剂、建筑内外墙涂料、玻璃纤维粘合剂、上浆剂、污水处理剂、毛纺织物粘合剂或其他粘合剂中的应用。
背景技术
传统的丙烯酸树脂是采用乙烯基类单体经连锁聚合方法得到的线性聚合物,因而在较高浓度下分子间缠结严重,具有较大的运动阻力,表现为较高的流动粘度,从而给其直接的使用带来困难。同时,分子结构中的一些活性官能团由于被长链所包覆,因位阻原因而导致反应活性降低。另外,线型结构的丙烯酸树脂存在“热粘冷脆”的弊病。所以,用传统方法制得的丙烯酸树脂存在着粘度高、活性低、使用范围受限等缺点。
由此发展了超支化丙烯酸树脂的技术。但是,过去的超支化丙烯酸树脂由于其较高的分子量,以及受其极性影响,超支化丙烯酸树脂不溶于水,只能溶于如甲苯、二甲苯、四氢呋喃、环己烷、环己酮、乙酸乙酯、乙酸丁酯等溶剂。这些有机溶剂在干燥的过程中挥发到大气中。因而不但浪费了大量的不可再生的石油资源,而且对环境造成了严重的污染。我国每年直接死于有机物污染的人数为11万人,致病人数高达300多万,直接经济损失为百亿美元以上。因此急切需要寻找新的途径,以大幅度降低或彻底摒弃使用有机溶剂,保护人类的生存环境,并降低产品成本。
发明内容
本发明的目的,在于提供一种水溶性超支化中间体,以及将其与乙烯基单体进行共聚得到含超支化结构的水性共聚物。本发明还提供了超支化中间体的制备方法和含超支化结构的聚合物的制备方法及用途。
本发明提供的超支化中间体具有三条以上的支链结构,并至少在一条支链上含有乙烯基,沿分子链有多个羧基分布。在自由基引发下,可与丙烯酸类单体进行聚合或接枝反应,所得聚合物可溶于水。
所述的超支化中间体可以是以下两种类型:一类是聚酯型超支化中间体;一类是聚酯—酰胺型超支化中间体。
本发明提供的超支化中间体的制备方法,是通过采用分批投料的方法,经多步反应得到,包括以下步骤:
a.将含有双键,官能团数目等于2—3的A单体与官能度等于2—4的B单体反应,得到分子量更大且含有双键的C预聚体;
b.C预聚体与B单体进一步进行缩聚反应,使分子的支化度得到增加,经多步缩聚,最后得到超支化中间体,所述超支化中间体含有可进一步与其它乙烯基单体共聚合的双键,末端保留有多个亲水的官能团,可以帮助聚合物溶于水。
所述A单体为:含有双键,官能团数目等于2—3的顺丁烯二酸、顺丁烯二酸酐中的一种或多种;
所述B单体为:官能团数目等于2—4的N,N-二甲基甲酰胺、二乙醇胺、丙三醇、季戊四醇、三羟甲基丙烷、邻苯二甲酸、邻苯二甲酸酐、顺丁烯二酸、顺丁烯二酸酐、偏苯三酸酐中的一种或多种。
本发明制备超支化中间体的方法通常在溶剂存在的条件下进行的缩合聚合,溶剂包括二甲苯、甲苯、乙苯、丁酮、环己酮、醋酸丁酯、四氢呋喃或二噁烷。反应结束后,抽真空除去溶剂,加入水,得到水溶性超支化中间体。
本发明提供的含超支化结构的聚合物是由上述超支化中间体与乙烯基单体:丙烯酸类、丙烯酸酯类单体、醋酸乙烯酯、苯乙烯、顺丁烯二酸或顺丁烯二酸酯、油酸等共聚得到。其中超支化中间体的乙烯基含量占总单体的乙烯基含量(物质的量比)的0.1%~30%。
本发明提供的含超支化结构的丙烯酸酯树脂的制备方法,包括以下步骤:
在水中,50~95℃反应温度下,聚酯-酰胺或聚酯型超支化中间体与丙烯酸(酯)类单体在水中溶液共聚或采用乳液聚合得到含超支化结构的聚丙烯酸酯水溶液或水乳液,其中聚酯酰胺或聚酯型超支化中间体所含的乙烯基的摩尔量占总单体的乙烯基摩尔量的0.1%~30%。
具体地说,可以经下列步骤得到所需的超支化丙烯酸酯聚合物:
1)选用的聚酯型或聚酯—酰胺型超支化中间体,采用溶液聚合方式,其溶剂全部为水;
2)根据对合成产物的性能要求,选用聚酯型或聚酯—酰胺型超支化中间体作为超支化丙烯酸酯聚合物的结构件;
3)根据对合成产物的性能要求,选用适当的丙烯酸(酯)类单体;
4)根据丙烯酸(酯)类单体性能,确定反应温度,一般在50~95℃;
5)根据对合成产物的性能要求,采用链转移剂控制产物的分子量;
6)根据对合成产物的性能要求,采用乳液聚合方式,其溶剂全部为水;
7)根据对合成产物的性能要求,选用适当的乳化剂,包括所有阴离子型乳化剂、阳离子型乳化剂和非离子型乳化剂以及双子表面活性剂;
8)根据反应温度和丙烯酸单体类型以及反应方式选择油溶性或水溶性引发剂,包括过硫酸盐、过氧化物、偶氮化合物等引发剂或它们与亚硫酸氢钠、焦亚硫酸钠等还原剂组成的氧化—还原引发体系。
本发明采用先合成具有共聚活性的超支化中间体,进一步将其与丙烯酸酯单体进行共聚,在线形丙烯酸聚合物链中引入超支化中间体的方法来达到改变分子形态,扩展应用范围,改善应用性能。另外在超支化中间体的分子表面分布有水溶性的官能团,这些官能团帮助聚合物能溶于水。通过红外、GPC、酸值及羟值测定等方法表征了超支化中间体,确定了超支化中间体的分子结构具有三条或三条以上的支链结构,并至少在一条支链上含有乙烯基,沿支链有一个到多个羧基分布。超支化中间体应用于丙烯酸树脂的合成,制备出了可完全溶于水的丙烯酸酯树脂和丙烯酸酯乳液。
含超支化结构的具有不同单体聚合而成的聚丙烯酸树脂,可用作皮革复鞣剂、复鞣加脂剂、皮革涂饰剂、纸张涂饰剂、建筑内外墙涂料、玻璃纤维粘合剂、上浆剂、污水处理剂、毛纺织物粘合剂或其他粘合剂等。
附图说明
图1:三臂中间体结构示意图
图2:四臂中间体结构示意图
图3:六臂之I型中间体结构示意图
图4:六臂之II型中间体结构示意图
图5:六臂之III型中间体结构示意图
图6:六臂之IV型中间体结构示意图
图7:聚酯—酰胺型超支化中间体结构示意图
图8:聚酯型三臂超支化中间体红外谱图
图9:聚酯型四臂超支化中间体红外谱图
图10:聚酯型六臂超支化中间体红外谱图
图11:聚酯—酰胺型超支化中间体红外谱图
图12:六臂之I型中间体制备过程中的酸值的变化
图13:六臂之II型中间体制备过程中的酸值的变化
图14:六臂之III型中间体制备过程中的酸值的变化
图15:六臂之IV型中间体制备过程中的酸值的变化
图16:聚酯型超支化中间体用量与丙烯酸树脂的粘度关系(以六臂超支化中间体为例)
图17:合成的聚酯型超支化丙烯酸树脂与常规丙烯酸树脂粘度比较
以下通过具体实施例的方式,对本发明做进一步详述,但不应理解为是对本发明的限制。本领域普通技术人员根据以下技术方案,还可以做出多种形式的修改、替换、变更。凡基于以下技术思想所作的修改、替换、变更均属于本发明。
具体实施方式
实施例1:聚酯型三臂超支化单体的合成
在装有温度计、取样口的四口烧瓶中,以二甲苯为溶剂,将92克甘油加入烧瓶,在40℃分批加入294克顺丁烯二酸酐,逐渐升温至140℃回流,保持10分钟后降温,抽真空脱出二甲苯,加入100克水,充分搅拌,出料得到聚酯型三臂超支化中间体水溶液。
其分子结构如图1—1,对产物的结构分析见红外谱图3-1。
本实例合成的超支化聚酯中间体以三官能度的甘油分子为核心,其合成为顺丁烯二酸酐与甘油的开环半酯化反应,得到含双键和端羧基的支化中间体。
实施例2:聚酯型四臂超支化单体的合成
在装有温度计、取样口的四口烧瓶中,以二甲苯为溶剂,将136克季戊四醇加入烧瓶,在40℃分批加入392克顺丁烯二酸酐,逐渐升温至140℃回流,保持10分钟后降温,抽真空脱出二甲苯,加入150克水,充分搅拌,出料得到聚酯型四臂超支化中间体水溶液。
其分子结构如图1—2,对产物的结构分析见红外谱图3-2。
本实例合成的超支化聚酯中间体以四官能度的季戊四醇分子为核心,其合成为顺丁烯二酸酐与季戊四醇的开环半酯化反应,得到含双键和端羧基的支化中间体。
实施例3:聚酯型六臂超支化中间体的合成
在装有温度计、取样口的四口烧瓶中,以二甲苯为溶剂,将92克甘油加入烧瓶,在40℃加入294克顺丁烯二酸酐,逐渐升温至140℃回流,保持10分钟后降温,加入276克甘油,逐渐升温至回流态,保持酯化至酸值5mgKOH/g以下。拆除分水装置,加入588克顺丁烯二酸酐,升至一定温度下反应,每隔一定时间测量酸值,直至酸值300mgKOH/g以下,降温。抽真空脱出二甲苯,加入600克水,充分搅拌,出料得到聚酯型六臂超支化中间体水溶液。
其分子结构分别如图1—3,图1—4,图1—5,图1—6,对产物的结构分析见红外谱图3-3,对合成过程的酸值控制分别见图5-1,图5-2,图5-3,图5-4。
由于聚酯型超支化中间体的分步合成主要是酯化反应,而可通过对体系酸值的检测来表征反应步骤。通常超支化聚合物的结构表征非常困难,本文通过对酸值的控制,达到合成设计结构的超支化聚合物的目的。由图5-1,图5-2,图5-3,图5-4的分析可知,反应步骤的酸值与理论酸值变化非常吻合,说明反应进行完全,副反应少,完全按照分子设计方向在进行。由此得到的聚合物结构规整,符合分子设计意图。
用红外光谱对合成的聚酯型超支化中间体进行表征,见图3-3。在3515.1cm-1处可见羟基特征峰,表明产物含有羟基官能团,在1724.8cm-1(波数)处可以看到较强的酯羰基共振特征吸收,在1268.5cm-1处可以观察到酯上与羰基相连的C-O振动,而在1070.4cm-1可以看到R-C-O中C-O的特征振动吸收峰,以上信息可以较准确判断出含有的酯化结构。另外可以看到1646.9cm-1处不饱和C=C振动及指纹区978.4cm-1反式双键特征峰,说明该化合物为含有反式双键结构
其中酸值的测量方法如下:
酸值的测定
准确称取W(g)样品,溶于二甲苯/乙醇(v/v=3:2)混合溶液中,溶解,用0.2mol/LKOH溶液滴定,计算聚合物酸值。
Av = M * ( V - V 0 ) * 56.1 W ( mgKOH / g )
式中M——标准KOH溶液物质的量浓度,mol/L;
    V——标准KOH溶液滴定试样消耗体积,mL;
    V0——标准KOH溶液滴定空白试样消耗体积,mL;
    W——称量的样品质量,g。
实施例4:聚酯—酰胺型超支化中间体的合成
在氮气保护下以N,N-二甲基甲酰胺和少量苯为溶剂、将116克顺丁烯二酸、210克二乙醇胺加入四颈烧瓶,在冷油浴中搅拌,待放热完全后缓慢升温,在135℃回流0.5小时后开始测酸值。当酸值降至5mgKOH/g后,降温至50℃以下,加入392克顺丁烯二酸酐,在100℃保持10分钟,酸值降到10mgKOH/g以下。降温至50℃以下,抽真空脱出二甲苯和N,N-二甲基甲酰胺,加入200克水,充分搅拌,出料得到聚酯—酰胺型四臂超支化中间体水溶液。
其分子结构如图2,红外谱图见图4。
图2为聚酯—酰胺型超支化中间体的设计示意图,其特点为采用多官能度原料,以含双键的二元羧酸(顺丁烯二酸)为核心,利用胺基与羧基生成酰胺、酐基与羟基生成酯的反应多步逐层扩展分子,形成超支化结构,并在分子末端带有多个羧基。超支化聚酯—酰胺中间体的合成经历了二乙醇胺与顺丁烯二酸的脱水酰胺化过程,与顺丁烯二酸酐的半酯化过程。因而,超支化聚(酯—酰胺)的合成过程,可通过分步反应过程中酯与酰胺特征峰的交替消长来判断。
图4是合成的超支化聚酯—酰胺中间体的红外分析图谱,从图中1629.6cm-1处可以看到羰基的吸收峰,其波数1629.6cm-1明显低于一般的酯羰基
Figure A200810213524D00091
在1735cm-1的特征吸收,这与羰基受到与之相连的氮原子的共轭有关。所以,可以判断为叔酰胺基
Figure A200810213524D00092
的吸收,由此可知生成了预期的酰胺产物。从指纹区960.4cm-1看到
Figure A200810213524D00093
的特征吸收,可以判断为有反式丁烯的结构,说明顺丁烯二酸在酰胺化的过程中发生了顺反异构的变化。在3359.4cm-1处有明显的—COOH特征峰可以判断产物含有羧基。故可判定反应基本按照设计路线完成,生成了含羧基的聚酯—酰胺型超支化分子。
实施例5:含聚酯型超支化结构的丙烯酸树脂的合成
将一定量的水投入四颈瓶中升温至80℃,在N2保护下,滴加按比例配好的引发剂(过硫酸铵或过硫酸钾,用量为单体量的0.3~5.0%),丙烯酸、甲基丙烯酸、丙烯酸丁酯、丙烯酸乙酯、苯乙烯、醋酸乙烯酯、丙烯酸羟乙酯、丙烯酸羟丙酯、甲基丙烯酸甲酯、丙烯酰胺、聚酯型超支化中间体(按树脂性能要求,每次用一种实施例1-3制备的超支化中间体,用量比为全部单体量的0.5~30%)、链转移剂(十二烷基硫醇或β-巯基乙醇,用量为1~2%)等,于3~5小时缓慢滴完,保持0.5小时后,补加引发剂,1小时滴加完毕,再保持反应1小时后降温出料。
实施例6:含聚酯型超支化结构的丙烯酸树脂的合成
将一定量的水和聚酯型超支化中间体(按树脂性能要求,每次用一种实施例1-3制备的超支化中间体,用量为全部单体量的0.5~30%)投入四颈瓶中升温至80℃,调节pH在6.0~6.5,在N2保护下,滴加按比例配好的引发剂(过硫酸铵或过硫酸钾,用量为单体量的0.3~5.0%),丙烯酸、甲基丙烯酸、丙烯酸丁酯、丙烯酸乙酯、苯乙烯、醋酸乙烯酯、丙烯酸羟乙酯、丙烯酸羟丙酯、甲基丙烯酸甲酯、丙烯酰胺、链转移剂(十二烷基硫醇或β-巯基乙醇,用量为1~2%)等,于3~5小时缓慢滴完,保持0.5小时后,补加引发剂,1小时滴加完毕,再保持反应1小时后降温出料。
实施例7:含聚酯型超支化结构的丙烯酸乳液的合成
将一定量的水,乳化剂和聚酯型超支化中间体(按树脂性能要求,每次用一种实施例1-3制备的超支化中间体,用量为全部单体量的0.5~30%)投入四颈瓶中升温至80℃,调节pH在6.0~6.5,在N2保护下,滴加按比例配好的引发剂(过硫酸铵或过硫酸钾,用量为单体量的0.3~5.0%),丙烯酸、甲基丙烯酸、丙烯酸丁酯、丙烯酸乙酯、苯乙烯、醋酸乙烯酯、丙烯酸羟乙酯、丙烯酸羟丙酯、甲基丙烯酸甲酯、丙烯酰胺、链转移剂(十二烷基硫醇或β-巯基乙醇,用量为1~2%)等,于3~5小时缓慢滴完,保持0.5小时后,补加引发剂,1小时滴加完毕,再保持反应1小时后降温出料。
实施例8:含聚酯—酰胺型超支化结构的丙烯酸树脂的合成
将一定量的水和聚酯—酰胺型超支化中间体(按树脂性能要求,每次用一种实施例1-3制备的超支化中间体,用量为全部单体量的0.5~30%)投入四颈瓶中升温至80℃,调节pH在6.0~6.5,在N2保护下,滴加按比例配好的引发剂(过硫酸铵或过硫酸钾,用量为单体量的0.3~5.0%),丙烯酸、甲基丙烯酸、丙烯酸丁酯、丙烯酸乙酯、苯乙烯、醋酸乙烯酯、丙烯酸羟乙酯、丙烯酸羟丙酯、甲基丙烯酸甲酯、丙烯酰胺、链转移剂(十二烷基硫醇或β-巯基乙醇,用量为1~2%)等,于3~5小时缓慢滴完,保持0.5小时后,补加引发剂,1小时滴加完毕,再保持反应1小时后降温出料。
实施例9:含聚酯—酰胺型超支化结构的丙烯酸酯乳液的合成
将一定量的水,乳化剂和聚酯—酰胺型超支化中间体(按树脂性能要求,每次用一种实施例1-3制备的超支化中间体,用量为全部单体量的0.5~30%)投入四颈瓶中升温至80℃,调节pH在6.0~6.5,在N2保护下,滴加按比例配好的引发剂(过硫酸铵或过硫酸钾,用量为单体量的0.3~5.0%),丙烯酸、甲基丙烯酸、丙烯酸丁酯、丙烯酸乙酯、苯乙烯、醋酸乙烯酯、丙烯酸羟乙酯、丙烯酸羟丙酯、甲基丙烯酸甲酯、丙烯酰胺、链转移剂(十二烷基硫醇或β-巯基乙醇,用量为1~2%)等,于3~5小时缓慢滴完,保持0.5小时后,补加引发剂,1小时滴加完毕,再保持反应1小时后降温出料。
实施例1—4中为合成超支化中间体的方案,实施例5—9为合成含聚酯型或聚酯—酰胺型丙烯酸树脂或乳液的方案。所得丙烯酸树脂或乳液可根据需要调节所用到的丙烯酸单体,同时调节其性能。该类丙烯酸树脂或乳液可用于皮革复鞣剂、复鞣加脂剂、皮革涂饰剂、纸张涂饰剂、建筑内外墙涂料、玻璃纤维粘合剂、上浆剂、污水处理剂、毛纺织物粘合剂或其他粘合剂。

Claims (9)

1.一种超支化中间体,其特征在于:它具有三条或三条以上的支链结构,并至少在一条支链上含有乙烯基,沿支链有多个羧基分布。
2.根据权利要求1所述的超支化中间体,其特征在于:所述的超支化中间体为聚酯型或聚酰胺型,可溶于水、甲苯或二甲苯溶剂。
3.一种权利要求1或2所述的超支化中间体的制备方法,其特征在于:它是采用分批投料的方式,经多步反应得到,包括以下步骤:
a.将含有双键,官能团数目大于等于2的A单体与官能度大于等于2的B单体反应,得到分子量更大且含有双键的C预聚体;
b.C预聚体与B单体进一步进行缩聚反应,分子的支化度得到增加,经多步缩聚,最后得到超支化中间体,抽真空脱出溶剂,加入适量水,充分搅拌,得到超支化中间体水溶液。
4.根据权利要求3所述的制备超支化中间体的方法,其特征在于:a步骤所述A单体为:含有双键,官能团数目大于等于2的顺丁烯二酸或顺丁烯二酸酐;所述B单体为:官能团数目大于等于2的N,N-二甲基甲酰胺、二乙醇胺、丙三醇、季戊四醇、三羟甲基丙烷、邻苯二甲酸、邻苯二甲酸酐、顺丁烯二酸、顺丁烯二酸酐或偏苯三酸酐。
5.根据权利要求3所述的制备超支化中间体的方法,其特征在于:b步骤所述缩合聚合是在二甲苯、甲苯、乙苯、丁酮、环己酮、醋酸丁酯、四氢呋喃或二噁烷中进行,最终全部抽真空脱出溶剂回收利用,最终产品中不含有机溶剂。
6.一种含超支化结构的聚丙烯酸酯树脂,其特征在于:它是由权利要求1—5任一项所述超支化中间体与乙烯基单体共聚得到,其中超支化中间体所含的乙烯基的摩尔量占总单体的乙烯基摩尔量的0.1%~30%。
7.根据权利要求6所述的含超支化结构的聚丙烯酸酯树脂,其特征在于:所述乙烯基单体为丙烯酸类、丙烯酸酯类单体、苯乙烯、顺丁烯二酸、顺丁烯二酸酯、醋酸乙烯酯、油酸或油酸酯。
8.权利要求6所述的含超支化结构的聚丙烯酸酯的制备方法,其特征在于包括以下步骤:
1)选用的聚酯酰胺或聚酯型超支化中间体,采用溶液聚合方式,其溶剂全部为水;
2)根据对合成产物的性能要求,选用聚酯酰胺或聚酯型超支化中间体作为超支化丙烯酸酯聚合物的结构件;
3)根据对合成产物的性能要求,选用适当的丙烯酸或丙烯酸酯类单体;
4)根据单体性能,确定反应温度;
5)根据对合成产物的性能要求,采用链转移剂控制产物的分子量;
6)根据对合成产物的性能要求,采用乳液聚合方式,其溶剂全部为水;
7)根据对合成产物的性能要求,选用适当的乳化剂,包括所有阴离子型乳化剂、阳离子型乳化剂和非离子型乳化剂;
8)根据反应温度和丙烯酸单体类型以及反应方式,选择油溶性或水溶性引发剂,包括过硫酸盐、过氧化物、偶氮化合物引发剂。
9、根据权利要求6所述的含超支化结构的聚丙烯酸树脂,其特征在于:可用作皮革复鞣剂、复鞣加脂剂、皮革涂饰剂、纸张涂饰剂、建筑内外墙涂料、玻璃纤维粘合剂、上浆剂、污水处理剂或毛纺织物粘合剂。
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