CN101486798A

CN101486798A - 一种自乳化型水性硝化纤维乳液及其制备方法

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Publication number: CN101486798A
Application number: CNA2009100211228A
Authority: CN
Inventors: 郭焱; 张仁旭; 陶铁托; 赵利兵; 董晓飞; 马素德
Original assignee: Xian Jiaotong University
Current assignee: Xian Jiaotong University
Priority date: 2009-02-13
Filing date: 2009-02-13
Publication date: 2009-07-22
Anticipated expiration: 2029-02-13
Also published as: CN101486798B

Abstract

本发明涉及硝基涂料领域，更具体地为一种自乳化型水性硝化纤维乳液及其制备方法，其原料包括以下重量百分比组分：0.89％～8.60％硝化纤维或硝基漆片；1.80％～2.00％二羟甲基丙酸；2.90％～3.25％N－甲基吡咯烷酮； 4.15％～4.40％异佛尔酮二异氰酸酯；0.01％～0.03％二月桂酸二丁基锡；23.80％～26.90％丁酮；1.40％～1.60％三乙胺；57.00％～62.00％水。

Description

一种自乳化型水性硝化纤维乳液及其制备方法

技术领域

本发明涉及硝基涂料领域，更具体地为一种自乳化型水性硝化纤维乳液及其制备方法。

背景技术

随着环保要求的提高，溶剂型硝基涂料的高挥发性有机化合物(VOC)含量严重制约了它的应用和发展；但是，如果不添加其他树脂硝化纤维，成膜后附着力较差，很容易剥落或者撕落，难以单独作为涂料的基料使用。因此，如何降低其VOC含量和提高成膜附着力具有重要意义，最有效的解决方式就是在硝化纤维中引入其他树脂或功能基团并使之分散在水中形成乳液。

目前硝化纤维乳液的制备方法有外乳化法、转相乳化法和种子乳液聚合法。曾朝霞^[1]采用醇酸树脂转相乳化法和丙烯酸酯类单体互穿聚合物网络聚合法制备改性硝化纤维素乳液。该方法需要外加乳化剂，且没有对硝化纤维分子链进行化学改变，制得的乳液颗粒较大，稳定性不好。李小瑞^[2]用自制的自乳化型聚氨酯对硝化棉光亮剂进行乳化及改性，制备了聚氨酯改性硝化棉光亮剂乳液，该方法实际上采用自乳化型聚氨酯和硝化纤维进行物理共混而制得硝化纤维乳液，并非真正意义上的自乳化法。孙静等^[3]采用的微乳化法本质上也是一种外乳化法，需要外加乳化剂。史红月，戚玉良^[4]在外加乳化剂的条件下高速搅拌分散制得硝化纤维乳液。徐敏^[6，7]采用有机硅—丙烯酸酯接枝改性硝化棉制成DX—8502硅丙硝化棉乳液型光亮剂，该乳液颗粒较大，稳定性不太好，且需要外加乳化剂和高剪切乳化机进行强制乳化。包汇川等^[8]采用醇酸树脂改性硝化纤维素，制得改性硝化纤维素乳液，仍然需要外加乳化剂，并没有在硝化纤维分子上引入亲水基团，无法解决乳液稳定性的问题。华南理工大学韩锐锋^[9]和袁进松^[10]采用转相乳化法制得硝化纤维乳液，需要外加乳化剂。中国专利^[11]CN99114220.9公开了一种无表面活性剂的硝化纤维素一聚氨酯水可稀释或水乳液的合成方法，但其主要成分为聚氨酯，硝化纤维用量较少，硝化纤维不是主要原料。中国专利^[12]CN200410056821.3公开了一种硝化棉—聚丙烯酸(酯)杂化乳液的合成方法，仍然需要外加乳化剂。上述引用文献如下：

[1]曾朝霞，包汇川，傅和青.改性水性硝化纤维素乳液研究[J].涂料工业，2007，37(2)：33-35.

[2]李小瑞.聚氨酯改性硝化棉光亮剂乳液的制备[J].中国皮革，2000，29(17)：19-21.

[3]孙静，刘宗惠，魏德卿.微乳化技术制备硝化棉微小乳状液[J].中国皮革，1998，27(2)：14-15.

[4]史红月，戚玉良.水性硝化棉光亮剂的研制[J].中国皮革，2006，35(23)：25-27.

[5]丹东轻化工研究院.硝化棉皮革光亮剂生产技术[J].皮革化工，2000，17(02)：19.

[6]徐敏.DX-8502硅丙硝化棉光亮剂的研究[J].中国皮革，1998，27(08)：8-9.

[7]徐敏，丁慧君.有机硅丙烯酸酯改性硝纤光油的研究[J].中国皮革(特辑)，1998：15(13)193-196.

[8]包汇川，曾朝霞，傅和青等.水性硝化纤维素乳液的研究[C].第五届环保型水性树脂涂料技术研讨会论文集，2007：132-135.

[9]韩锐锋.转相法制备水性硝基木器清漆的研究[D].广州：华南理工大学，2006.

[10]袁进松.相反转乳化法制备水性硝基漆的研究[D].广州：华南理工大学，2006.

[11]王武生，曾俊，阮德礼等.硝化纤维素-聚氨酯水乳液及水可稀释溶液的合成方法：中国，CN99114220.9[P].1999.12.15.

[12]王俊卿，曾汉民，蔡国衡等.一种硝化棉-聚丙烯酸(酯)乳液的制备方法：中国，CN200410056821.3[P].2005.04.13.

从上述文献可以看出，硝化纤维的水性化目前有多种方法，由于处理难度大且许多制备机理不成熟导致现阶段仍处在研究阶段，少量的产品应用也基本限于皮革涂饰剂等，木器涂饰、装修涂饰等方面尚未见到相关报道。在诸多的水性化方法中，外乳化法最简单，但是产品稳定性最差。转相乳化法的研究重点是乳化剂(我国乳化剂品种非常有限)和配套增塑剂的选择。而种子乳液聚合法面临两个问题，即乳液稳定性差和如何发挥被聚丙烯酸酯包裹的硝化棉性能。因此，在保持优良成膜性能的同时解决乳液稳定性差的问题成为硝化纤维乳液研究与开发的关键技术。

发明内容

本发明的目的在于提供一种自乳化型水性硝化纤维乳液的制备方法，它能够解决纯硝化纤维成膜后附着力差的问题；解决现有制备方法需要外加乳化剂，且乳液稳定性差的问题；解决现有制备方法中因硝化纤维用量较少而不能充分体现其优良成膜性能的问题。

为了达到上述目的，本发明采用以下技术方案予以实现。

1、一种自乳化型水性硝化纤维乳液，其特征在于，其原料包括以下重量百分比组分：

0.89％～8.60％硝化纤维或硝基漆片；

1.80％～2.00％二羟甲基丙酸；

2.90％～3.25％N-甲基吡咯烷酮；

4.15％～4.40％异佛尔酮二异氰酸酯；

0.01％～0.03％二月桂酸二丁基锡；

23.80％～26.90％丁酮；

1.40％～1.60％三乙胺；

57.00％～62.00％水。

上述技术方案的进一步技术特点在于：

所述原料中的水最好选用去离子水。

所述原料中的硝化纤维，其粘度为1/2s。

所述原料中的硝基漆片，其粘度为1/4s。

所述原料中二羟甲基丙酸为阴离子型。

2、上述自乳化型水性硝化纤维乳液的制备方法，其特征在于，包括以下步骤：

(1)按照上述重量百分比组分，称取原料；

(2)在N₂气保护下，将二羟甲基丙酸溶于N-甲基吡咯烷酮中，待形成均相透明溶液后加入反应器中，并加入异佛二酮二异氰酸酯和二月桂酸二丁基锡，搅拌，在35℃～45℃温度下反应0.8～1.2个小时；

(3)再将硝化纤维或硝基漆片去除水分后溶于丁酮，滴加到反应器中，同时升高反应器温度至68℃～75℃，反应时间1.8～2.3小时；然后，将反应器温度降低到38℃～46℃，停止通入N₂气，加入三乙胺反应26～34分钟；在10℃～20℃温度下，加入水乳化25～35分钟，得乳化产物；

(4)将上述乳化产物加热蒸发，使其固含量为30％～34％，即得自乳化型水性硝化纤维乳液。

上述技术方案的进一步技术特点在于：所述步骤(4)中，将上述乳化产物加热蒸发，最好使其固含量为32％。

本发明中，选用二异氰酸酯与亲水单体二羟甲基丙酸(DMPA)，在催化剂二月桂酸二丁基锡(DBTL)参与下，反应生成一个异氰酸酯基(NCO)被封端的聚氨酯预聚体；聚氨酯预聚体中的未反应的NCO基团与硝化纤维或者硝基漆片中的羟基反应，将具有亲水基团的预聚体和硝化纤维分子接枝到一起；加入成盐剂三乙胺(TEA)，发生中和反应，生成亲水性的硝化纤维树脂产物；加水乳化并快速分散，使之分散在水中；减压蒸馏，蒸出低沸点的溶剂丁酮和部分水，以提高乳液的固含量并减少VOC含量，回收溶剂。

本发明通过聚合物上氨基甲酸酯基将亲水基团引入到分子链中，得到带有亲水基的消化纤维乳液分子，也从根本上解决了其他乳化方法制得乳液稳定性差的问题；而且用天然改性产品硝化纤维分子取代了聚氨酯合成常用的单体多元醇、多元醚等，降低了环境污染的可能性。

本发明制得硝化纤维乳液不仅具有硝基乳液的成膜性能好，成膜速度快等的有点，同时又具有聚氨酯乳液的性能，解决了消化纤维乳液成膜后附着力性能差的问题。

具体实施方式

下面结合具体实施例对本发明做进一步详细说明。

首先，对下述实施例的原料选择说明如下：

1)通过含氮量、粘度、润湿剂种类的不同进行硝化纤维的选择，通过不同增塑剂的种类进行硝基漆片的选择。选取粘度为1/2a S(1/2秒)的消化纤维或H 1/4s(1/4秒)硝基漆片，并以丁酮作为硝化纤维或硝基漆片的溶剂。

2)选择两个NCO基团活性差异大的异佛尔酮二异氰酸酯IPDI。

3)亲水扩链剂二羟甲基丙酸DMPA，亲水扩链剂按所带离子团电荷的不同可将其分为阳离子型和阴离子型两种。选取阴离子型二羟甲基丙酸DMPA作为亲水扩链剂。

4)中和剂即成盐剂，选择能使乳液获得粒径小、分散均匀的三乙胺TEA。

5)溶剂选取N-甲基吡咯烷酮NMP作为二羟甲基的溶剂，选择丁酮作为硝化纤维的溶剂。

6)催化剂选择二月桂酸二丁基锡DBTDL。

然后，对具体实施例说明如下：

实施例1

(1)称取原料：

144g(6.96％)1/2a S硝化纤维

40g(1.93％) 二羟甲基丙酸(DMPA)

66g(3.19％) N-甲基吡咯烷酮(NMP)

89g(4.30％) 异佛二酮二异氰酸酯(IPDI)

0.4g(0.02％) 二月桂酸二丁基锡(DBTDL)

500g(24.16％) 丁酮

30g(1.45％) 三乙胺

1200g(57.99％) 水

(2)在N₂气保护下，将二羟甲基丙酸(DMPA)溶于N-甲基吡咯烷酮(NMP)中，待形成均相透明溶液后加入反应器中，搅拌；再加入异佛二酮二异氰酸酯(IPDI)和二月桂酸二丁基锡(DBTDL)，在42℃水浴加热条件下反应0.9个小时；

(3)将硝化纤维除去水分后溶于丁酮，滴加到反应器中，同时升高反应器温度至68℃，滴加时间20分钟，反应时间2小时；将反应器温度降低到42℃，停止通N₂气，加入三乙胺，反应29分钟；换冷水浴，水浴温度10℃，加入水乳化25分钟；

(4)然后将上述产物倒入旋转蒸发仪，加入消泡剂，在45℃下蒸发35分钟，即得自乳化型水性硝化纤维乳液，为蓝色荧光的黄白色稳定乳液，固含量为32％。

实施例2

(1)称取原料：

144g(6.95％)1/2a S硝化纤维

38g(1.84％)二羟甲基丙酸(DMPA)

66g(3.20％)N-甲基吡咯烷酮(NMP)

89g(4.30％)异佛二酮二异氰酸酯(IPDI)

0.2g(0.01％)二月桂酸二丁基锡(DBTDL)

500g(24.00％)丁酮

30.49g(1.60％)三乙胺

1200g(58.10％)水

(2)在N₂气保护下，将二羟甲基丙酸(DMPA)溶于N-甲基吡咯烷酮(NMP)中，待形成均相透明溶液后加入反应器中，搅拌；再加入异佛二酮二异氰酸酯(IPDI)和二月桂酸二丁基锡(DBTDL)，在35℃水浴加热条件下反应1.2个小时；

(3)将硝化纤维除去水分后溶于丁酮，滴加到反应器中，同时升高反应器温度至75℃，滴加时间20分钟，反应时间1.8小时；将反应器温度降低到42℃，停止通N₂气，加入三乙胺，反应30分钟；换冷水浴，水浴温度15℃，加入水乳化30分钟；

(4)然后将上述产物倒入旋转蒸发仪，加入消泡剂，在50℃下蒸发30分钟，即得自乳化型水性硝化纤维乳液，为蓝色荧光的黄白色稳定乳液，固含量为32％。

实施例3

(1)称取原料：

144g(6.95％)1/2a S硝化纤维

41g(1.98％)二羟甲基丙酸(DMPA)

66g(3.18％)N-甲基吡咯烷酮(NMP)

88.8g(4.28％)异佛二酮二异氰酸酯(IPDI)

0.4g(0.02％)二月桂酸二丁基锡(DBTDL)

500g(24.12％)丁酮

33g(1.59％)三乙胺

1200g(57.88％)水

(2)在N₂气保护下，将二羟甲基丙酸(DMPA)溶于N-甲基吡咯烷酮(NMP)中，待形成均相透明溶液后加入反应器中，搅拌；再加入异佛二酮二异氰酸酯(IPDI)和二月桂酸二丁基锡(DBTDL)，在40℃水浴加热条件下反应1个小时；

(3)将硝化纤维除去水分后溶于丁酮，滴加到反应器中，同时升高反应器温度至72℃，滴加时间20分钟，反应时间2小时；将反应器温度降低到45℃，停止通N₂气，加入三乙胺，反应32分钟；换冷水浴，水浴温度15℃，加入去离子水乳化30分钟；

(4)然后将上述产物倒入旋转蒸发仪，加入消泡剂，在55℃下蒸发25分钟，即得自乳化型水性硝化纤维乳液，为蓝色荧光的黄白色稳定乳液，固含量为32％。

实施例4

(1)称取原料：

300g(7.05％) H 1/4s DBP为增塑剂的硝基漆片

81g(1.90％)二羟甲基丙酸(DMPA)

132g(3.10％)N-甲基吡咯烷酮(NMP)

178g(4.18％)异佛二酮二异氰酸酯(IPDI)

1.20g(0.03％)二月桂酸二丁基锡(DBTDL)

900g(21.15％)丁酮

63.57g(1.49％)三乙胺

2600g(61.10％)水

(2)在N₂气保护下，将二羟甲基丙酸(DMPA)溶于N-甲基吡咯烷酮(NMP)中，待形成均相透明溶液后加入反应器中，搅拌；再加入异佛二酮二异氰酸酯(IPDI)和二月桂酸二丁基锡(DBTDL)，在45℃水浴加热条件下反应0.9个小时；

(3)将硝基漆片除去水分后溶于丁酮，滴加到反应器中，同时升高反应器温度至68℃，滴加时间30分钟，反应时间2.3小时；将反应器温度降低到38℃，停止通N₂气，加入三乙胺，反应34分钟；换冷水浴，水浴温度20℃，加入水乳化35分钟；

实施例5

(1)称取原料：

180g(8.57％)H 1/4s ESO为增塑剂的硝基漆片

40g(1.90％)二羟甲基丙酸(DMPA)

61g(2.90％)N-甲基吡咯烷酮(NMP)

89g(4.25％)异佛二酮二异氰酸酯(IPDI)

0.4g(0.02％)二月桂酸二丁基锡(DBTDL)

500g(23.80％)丁酮

30g(1.43％)三乙胺

1200g(57.13％)水

(2)在N₂气保护下，将二羟甲基丙酸(DMPA)溶于N-甲基吡咯烷酮(NMP)中，待形成均相透明溶液后加入反应器中，搅拌；再加入异佛二酮二异氰酸酯(IPDI)和二月桂酸二丁基锡(DBTDL)，在38℃水浴加热条件下反应1.2个小时；

(3)将硝基漆片除去水分后溶于丁酮，滴加到反应器中，同时升高反应器温度至73℃，滴加时间25分钟，反应时间2.1小时；将反应器温度降低到45℃，停止通N2气，加入三乙胺，反应34分钟；换冷水浴，水浴温度20℃，加入去离子水乳化30分钟；

实施例6

(1)称取原料：

36g(0.89％) H1/4s ESO为增塑剂的硝基漆片

81g(1.98％)二羟甲基丙酸(DMPA)

132g(3.23％)N-甲基吡咯烷酮(NMP)

178g(4.35％)异佛二酮二异氰酸酯(IPDI)

0.8g(0.02％)二月桂酸二丁基锡(DBTDL)

1100g(26.89％)丁酮

63g(1.54％)三乙胺

2500g(61.10％)水

(3)将硝基漆片除去水分后溶于丁酮，滴加到反应器中，同时升高反应器温度至72℃，滴加时间30分钟，反应时间2小时；将反应器温度降低到45℃，停止通N₂气，加入三乙胺，反应30分钟；换冷水浴，水浴温度15℃，加入水乳化30分钟；

Claims

0.89％～8.60％硝化纤维或硝基漆片；

1.80％～2.00％二羟甲基丙酸；

2.90％～3.25％N-甲基吡咯烷酮；

4.15％～4.40％异佛尔酮二异氰酸酯；

0.01％～0.03％二月桂酸二丁基锡；

23.80％～26.90％丁酮；

1.40％～1.60％三乙胺；

57.00％～62.00％水。

2、根据权利要求1所述的一种自乳化型水性硝化纤维乳液，其特征在于，所述原料中的水选用去离子水。

3、根据权利要求1所述的一种自乳化型水性硝化纤维乳液，其特征在于，所述原料中的硝化纤维，其粘度为1/2s。

4、根据权利要求1所述的一种自乳化型水性硝化纤维乳液，其特征在于，所述原料中的硝基漆片，其粘度为1/4s。

5、根据权利要求1所述的一种自乳化型水性硝化纤维乳液，其特征在于，所述原料中二羟甲基丙酸为阴离子型。

6、一种自乳化型水性硝化纤维乳液的制备方法，其特征在于，包括以下步骤：

(1)按照权利要求1所述的重量百分比组分，称取原料；

7、根据权利要求6所述的一种自乳化型水性硝化纤维乳液的制备方法，其特征在于，所述步骤(4)中，将上述乳化产物加热蒸发，使其固含量为32％。