CN102015795B - 可溶于水和可溶于溶剂的阴离子添加剂 - Google Patents
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Abstract
Description
发明领域
本发明涉及作为水基和溶剂基颜料制剂的分散剂用的新型阴离子共聚物,以及生产这些共聚物的方法。
背景技术
对于在液体介质中分散颜料而言一般需要分散剂。通过适当的表面活性剂(又称润湿剂)辅助的分散剂,作为表面活性剂促进润湿待分散的颜料,并且在生产颜料分散体时使得团聚物和附聚物的破碎变得容易,这种破碎通常借助于碾磨操作而实现。分散剂可以是阴离子、阳离子、两性或中性结构的。它们可以是低分子量性质的,或者表示由无规的、交替的、嵌段的、梳状或星型排布结构的聚合的单体组成的高分子聚合物。例如对于在制造颜料浓缩物过程中颜料的分散而言,分散剂具有特别的商业意义,所述颜料浓缩物用于分散色料和清漆色料(Lackfarben)、刷涂剂、涂料和印刷油墨的着色,以及用于纸张、纸板和织物的着色。近来,在寻找这样的分散剂和添加剂,其在液体分散体的干燥工艺之后,确保干燥的粉末或颗粒在施用介质中快速溶解。梳形聚合物在此处可能是有用的。梳形聚合物通常由使用基于单(甲基)丙烯酸酯作为共聚单体的大分子单体来制备,并且它们不同于其它聚合物分散剂之处在于它们具有明显有序的结构,因为疏水性和亲水性或者极性可以分配在主链和侧链上。
EP 1293523描述了一种分散剂,其为具有约5000到100000的重均分子量且包含20重量%到80重量%的亲水骨架和80重量%到20重量%的大分子单体侧链的聚合物。基于骨架的重量计,该骨架有多达70重量%到98重量%由不含羧基的聚合的烯属不饱和单体,以及有2重量%到30重量%由带有羧基的聚合的烯属不饱和单体组成,其中将至少10%的羧基用胺或无机碱中和。骨架与侧链相比具有亲水性质。侧链由聚合的烯属不饱和单体的大分子单体组成。
EP 1081169描述了衍生自以下单体混合物的支化聚合物:
(A)50重量%到93重量%的至少一种烯属不饱和单体,
(B)2重量%到25重量%的至少一种分子量为1000到20000的烯属不饱和大分子单体,以及
(C)5重量%到25重量%的至少一种可聚合的咪唑衍生物。
EP 1562696描述了在水性乳液聚合中使用由聚亚烷基二醇-单(甲基)丙烯酸酯组成的大分子单体而合成制备的聚合物分散剂。该聚合物的主链必须包含具有至少一个氨基的烯属不饱和单体。
DE 102005019384描述了由烯属不饱和单体如(甲基)丙烯酸烷基酯和(甲基)丙烯酸芳基酯与纯的聚乙二醇-单(甲基)丙烯酸酯结合而合成的并用作分散剂的梳形聚合物。
EP 1323789描述了包含聚氧化亚烷基-单(甲基)丙烯酸酯单元,但是是非水溶性的梳形聚合物。其目标是提供水性油墨。EP 1491598类似地包含聚氧化亚烷基-单(甲基)丙烯酸酯单元和成盐单体;该聚合物用于水性油墨。
发明内容
现在已经惊人地发现,借助来自聚乙二醇/聚丙二醇-单(甲基)丙烯酸酯的大分子单体制备的特定阴离子梳形共聚物达到了上述目标,即通用的可分散性。
本发明的主题在于,提供可通过单体(A)、(B)、(C)和(D)的聚合得到具有反应性末端OH基团的非离子共聚物和随后使末端OH基转化为阴离子端基,例如硫酸单酯而可获得的阴离子改性共聚物,其中
(A)是式(I)的单体
其中
A表示C2-C4-亚烷基,和
B表示不同于A的C2-C4-亚烷基,
R表示氢或甲基,
m为从1到500,优选1到50的数值;
n为从1到500,优选1到50的数值,
其中m+n的总和为从2到1000;
(B)是式(II)的单体
其中
D表示C3-亚烷基,和
R表示氢或甲基,
o是从2到500、优选2到100、特别是2到50、特别优选5到25的数值;
(C)是包含芳基的烯属不饱和单体;以及
(D)是包含烷基的烯属不饱和单体。
本发明的共聚物具有通过自由基聚合的引发或链转移反应或链终止反应形成的通常在末端的基团,例如质子、来自自由基引发剂的基团或来自链转移试剂的含硫基团。
阴离子端基可以是硫酸根、羧酸根或磷酸根。
单体的摩尔比例优选为对于单体(A)0.1到90%,对于单体(B)0.1到90%,对于单体(C)0.1到90%以及对于(D)0.1到90%,摩尔比例的总和为100%。
单体的摩尔比例特别优选的是对于单体(A)0.1到70%,对于单体(B)10到80%,对于单体(C)0.1到50%以及对于单体(D)0.1到50%。
单体(A)的氧化亚烷基单元(A-O)m和(B-O)n可以无规地排布或在优选实施方案情况中以嵌段方式排布存在。
在一个优选具体实施方案中,(A-O)m表示氧化亚丙基单元和(B-O)n表示氧化亚乙基单元,或者(A-O)m表示氧化亚乙基单元和(B-O)n表示氧化亚丙基单元,其中氧化亚乙基单元的摩尔比例基于氧化亚乙基单元和氧化亚丙基单元的总和(100%)计优选为50到98%,更优选60到95%以及特别优选70到95%。
氧化亚烷基单元的总和原则上可以为n+m=2到1000,优选2到500,特别优选2到100以及特别优选5到50。
优选的单体(C)可由式(IIIa)或(IIIb)来描述:
其中
Xa表示具有3到30个碳原子的芳香族或芳脂族基团,其任选包含一个或多个例如1、2或3个杂原子N、O和s,
Za表示H或(C1-C4)-烷基,
Zb表示H或(C1-C4)-烷基,以及
Zc表示H或(C1-C4)-烷基;
其中
R1表示氢或甲基,
Xb表示具有3到30个碳原子的芳香族或芳脂族基团,其任选包含一个或多个例如1、2或3个杂原子N、O和S,
Wa表示氧或NH基团。
单体(C)包括例如丙烯酸和甲基丙烯酸的以下酯和酰胺:苯基、苄基、甲苯基、2-苯氧基乙基、苯乙基。
其他的单体(C)是乙烯基芳族单体如苯乙烯及其衍生物如乙烯基甲苯、α-甲基苯乙烯。该芳香族单元还可以涉及杂芳族化合物,例如在1-乙烯基咪唑中的。
特别优选的单体(C)可以是:苯乙烯、1-乙烯基咪唑、甲基丙烯酸苯甲酯、甲基丙烯酸2-苯氧基乙酯和甲基丙烯酸苯乙酯。
优选的单体(D)可由式(IV)描述:
其中
R2表示氢或甲基,
Y表示具有1到30个碳原子,优选6到30,特别是9到20个碳原子的脂肪族烃基,其可以是线型或支化的或者环状的,以及其可包含杂原子O、N和/或S且还可以是不饱和的,
Wb表示氧或NH基团。
单体(D)包括例如丙烯酸和甲基丙烯酸的以下酯和酰胺:甲基-、乙基-、丙基-、异丙基-、正丁基-、异丁基-、叔丁基-、戊基-、己基-、2-乙基己基-、3,3-二甲基丁基-、庚基-、辛基-、异辛基-、壬基-、月桂基-、十六烷基-、十八烷基-、二十二烷基-、环己基-、三甲基环己基-、叔丁基环己基-、冰片基-、异冰片基-、金刚烷基-、(2,2-二甲基-1-甲基)丙基-、环戊基-、4-乙基-环己基-、2-乙氧基乙基-、四氢糠基-以及四氢吡喃基。
优选的单体(D)是丙烯酸和甲基丙烯酸的以下烷基酯或烷基酰胺:甲基-、乙基-、丙基-、丁基-、异丁基-、2-乙氧基乙基-、肉豆蔻基-、十八基-和特别优选2-乙基己基-和月桂基-。
本发明的共聚物具有103g/mol到109g/mol的分子量,更优选103到107g/mol以及甚至更优选103到105g/mol。
本发明的共聚物能通过自由基聚合来制备。聚合反应可以连续、非连续或半连续的方式进行。
该聚合反应有利地作为沉淀聚合、乳液聚合、溶液聚合、本体聚合或凝胶聚合进行。溶液聚合对于本发明共聚物的性能曲线是特别有利的。
作为用于聚合反应的溶剂,可以使用所有对于自由基聚合反应是基本上惰性的有机或无机溶剂,例如乙酸乙酯、乙酸正丁酯或1-甲氧基-2-丙基乙酸酯,以及醇如乙醇、异-丙醇、正丁醇、2-乙基己醇或1-甲氧基-2-丙醇,同样还有二醇如乙二醇和丙二醇。使用酮如丙酮、丁酮、戊酮、己酮和甲乙酮,乙酸、丙酸和丁酸的烷基酯例如乙酸乙酯、乙酸丁酯和乙酸戊酯,醚如四氢呋喃、二乙醚和乙二醇-以及聚乙二醇-单烷基和二烷基醚同样是可行的。使用芳香族溶剂例如甲苯、二甲苯或更高沸点的烷基苯同样是可行的。同样可以使用溶剂混合物,在这样的情况下,溶剂(一种或多种)的选择取决于本发明的共聚物的使用目的。优选使用水;低级醇;优选甲醇、乙醇、丙醇、异-丁醇、仲-丁醇和叔-丁醇、2-乙基己醇、丁二醇和丁基二甘醇,尤其优选异丙醇、叔丁醇、2-乙基己醇、丁二醇和丁基二甘醇;具有5到30个碳原子的烃及前述化合物的混合物和乳液。
聚合反应优选在0和180℃之间、更优选10和100℃之间的温度范围内进行,不仅在常压下也可在提高的压力或减少的压力下进行。若适当,该聚合还可以在保护性气体气氛,优选在氮气中进行。
该聚合可采用高能的电磁辐射、机械能或常规的化学聚合引发剂如有机过氧化物例如过氧化苯甲酰、叔丁基氢过氧化物、甲乙酮过氧化物、枯酰基过氧化物、二月桂酰过氧化物(DLP)或偶氮引发剂例如偶氮二异丁腈(AIBN)、偶氮二酰氨基丙基氢氯化物(ABAH)和2,2′-偶氮二(2-甲基丁腈)(AMBN)来诱发。同样合适的是无机过氧化物,例如(NH4)2S2O8、K2S2O8或H2O2,并任选地与还原剂(例如亚硫酸氢钠、抗坏血酸、硫酸铁(II))或包含脂肪族的或芳香族的磺酸(例如苯磺酸、甲苯磺酸)作为还原性组分的氧化还原体系相组合。
作为分子量调节剂采用常规的一些化合物。合适的已知的调节剂是例如醇如甲醇、乙醇、丙醇、异丙醇、正丁醇、仲丁醇和戊醇,醛,酮,烷基硫醇例如十二烷基硫醇和叔十二烷基硫醇、巯基乙酸、巯基乙酸异辛酯和一些卤素化合物如四氯化碳、氯仿和二氯甲烷。
在聚合之后,将溶剂除去。
由此获得的非离子聚合物目前在聚氧亚烷基侧链上具有在其后的步骤中转化为阴离子官能团的反应性羟基官能团。阴离子官能团的实例是SO3M、CH2COOM、PO3M2或磺基丁二酸根。在这里M具有在下文定义的含义。
本发明的阴离子共聚物可例如由式(V)或(VI)来说明:
系数a、b、c和d表示各个单体(A)、(B)、(C)和(D)的摩尔分数,更确切来说:
a=0.001-0.9;b=0.001-0.9;c=0.001-0.9;d=0.001-0.9;
优选a=0.001-0.7;b=0.01-0.8;c=0.001-0.5;d=0.001-0.5;
其中a+b+c+d的总和等于1。
其余变量如式(I)、(II)、(IIIa)和(IIIb)中定义。
在式(V)和(VI)中,Q表示SO3、CH2COO、PO3M;
或QM是
以及M表示H、金属阳离子,或者表示铵例如Na、K、Ca、NH4 +、烷基化铵离子,或者它们的组合(在马库什式中的星号*表示在这个位置存在连接到聚合物的键)。
就磺基丁二酸根的情况,例如将非离子共聚物首先用马来酸酐酯化。在此,可以在没有溶剂的情况下进行,该反应可以在升高的温度下在聚合物熔体中进行。接下来将获得的马来酸单酯磺化。为此,例如使它与亚硫酸钠或焦亚硫酸钠在水溶液中反应。得到的产物是磺基丁二酸钠盐的水溶液。
硫酸酯例如通过把非离子共聚物与氨基磺酸反应而制备。该反应在添加氨基磺酸的情况下在非离子共聚物的熔体中进行。在此过程中,共聚物的OH基团转化为硫酸酯,然后其作为铵盐存在。
可将末端羟基官能团通过羧甲基化作用,例如用氯乙酸钠,转化为相应的聚醚羧酸酯。
磷酸酯例如可通过将非离子共聚物的熔体与多磷酸或五氧化二磷反应而获得。该反应不仅能得到磷酸单酯,还有磷酸二酯和磷酸三酯。
由于非离子聚合物生成阴离子官能团的转化通常不是定量进行的,所以通常形成由转化的聚合物(QM=SO3M、CH2COOM、PO3M2、磺基丁二酸根)和未转化的聚合物(QM=H)的混合物。这些混合物几乎不可能分离,且可以原样地用于本发明的目的。
本发明进一步提供了本发明的阴离子共聚物作为分散剂,特别是用于颜料和填料的分散剂的用途,例如在制备用于分散色料和清漆色料、刷涂剂、涂料和印刷油墨的着色,以及用于纸张、纸板和织物的着色的水基或溶剂基的颜料浓缩物时。
合成方案1:
一般聚合方案:
向装有搅拌器、回流冷凝器、内温度计和氮气导入管的烧瓶中,在导入氮气的情况下按下表中指出的重量份预置入在溶剂中的单体A、单体B、单体C、单体D和分子量调节剂。然后在搅拌下将温度提高到80℃并在一小时期间计量加入引发剂的溶液。接着在此温度进一步搅拌2小时,以及然后将溶剂在减压下除去。
合成方案2:
将根据合成方案1获得的聚合物转化为在侧链上具有醚硫酸酯(盐)基团的阴离子共聚物的一般合成方案:
首先将共聚物与氨基磺酸和尿素一起在氮气氛下首先进料到烧瓶中。然后在搅拌下加热4小时到100℃。然后,将pH值用50重量%氢氧化钠溶液调节到6.5-7.5。经由NMR-光谱可以确认生成相应的硫酸酯-铵盐的转化率为>95%。
合成方案3:
将根据合成方案1获得的聚合物转化为在侧链上具有磺基丁二酸根基团的阴离子共聚物的一般合成方案:
在氮气氛下将共聚物首先引入烧瓶中。然后,加入马来酸酐和氢氧化钠,以及在搅拌下加热到75-85℃。在此温度下,搅拌三小时之久,然后计量加入亚硫酸钠水溶液(10重量%)混合。在60到70℃下,搅拌直至该反应完成,最后用50重量%的氢氧化钠溶液调节pH值到pH7。
下面的两个表包括两步的合成实施例,其中首先根据合成方案1制备聚合物,然后根据合成方案2或3制备聚合物的阴离子衍生物。
单体A的组成:
Polyglykol 1
聚亚烷基二醇单甲基丙烯酸酯(式(I),m=2、n=3-4;(A-O)对应于[CH2CH(CH3)O)]、(B-O)对应于(CH2CH2O)),摩尔质量约350g/mol
Polyglykol 2
聚亚烷基二醇单甲基丙烯酸酯(式(I),m=2、n=12-13;(A-O)对应于(CH2CH(CH3)O))、(B-O)对应于(CH2CH2O)),摩尔质量约750g/mol
Polyglykol 3
聚亚烷基二醇单甲基丙烯酸酯(式(I),m=2、n=17-19;(A-O)对应于(CH2CH(CH3)O))、(B-O)对应于(CH2CH2O)),摩尔质量约1000g/mol
Polyglykol 4
聚亚烷基二醇单甲基丙烯酸酯(式(I),m=2、n=40-42;(A-O)对应于[CH2CH(CH3)O)]、(B-O)对应于(CH2CH2O)),摩尔质量约2000g/mol
单体B的组成:
Polyglykol 5
聚丙二醇单甲基丙烯酸酯(式(II),o=4-5;(D-O)对应于[CH2CH(CH3)O)],摩尔质量约350g/mol
Polyglykol 6
聚丙二醇单甲基丙烯酸酯(式(II),o=15-16;(D-O)对应于[CH2CH(CH3)O)],摩尔量约1000g/mol
AMBN=2,2′-偶氮(2-甲基丁腈)
用途实施例
颜料制剂的制备
将以粉末、颗粒或者压饼形式的颜料在去离子水中与分散剂和其它助剂一起糊化(angeteigt),然后采用溶解器(例如来自VMA-GetzmannGmbH公司的,AE3-M1型)或其他适当的设备来均化和预分散。随后采用珠磨机(例如采用来自VMA-Getzmann的AE3-M1)或其它的适当的分散装置进行精细分散,其中研磨用大小为d=1mm的硅石英(Siliquarzit-)珠或锆混合氧化物珠粒在冷却下进行,直到获得所期望的色强度和色彩。之后,将研磨体分离掉,将颜料制剂分离以及用去离子水调整到约20%的浓度并通过来自Büchi公司的喷雾干燥器(Büchi 190)来干燥。获得干燥的粉末。
颜料制剂的评价
色强度和色调按照DIN 55986来测定。在用于室内刷涂的传统水基分散色料和传统的含溶剂漆料中测试水性颜料分散体和干粉(色强度和与要着色的介质的相容性)。为进行“擦去测试”(“Rub-Out-Test”),在与颜料分散体混合之后将色漆(Farbe)涂覆到涂漆卡片(Lackkarte)上。接着,用手指在涂漆卡片的下半部进行后擦拭。如果经后擦拭的区域比没有后处理过的相邻区域的着色更强,则存在不相容性(“擦去测试”描述在DE 2638946中)。
使用来自Haake公司的锥板粘度计(Roto Visco 1)在20℃下测定粘度(钛圆锥体:Ф60mm,1°),所研究的粘度对剪切梯度的应变关系在0和200s-1之间的范围。粘度在60s-1的剪切梯度下测量。
为了评价分散体的储存稳定性,在制得制剂后直接地以及在于50℃下存放四周后,测量粘度。
接下来的实施例中描述的颜料制剂通过如上所述的方法来制备,以下组分以所述的用量使用以形成100份的颜料制剂。在接下来的实施例中,份数是重量份:
35份C.I.Pigment Schwarz 7
14份来自合成实施例19的聚合物(表)
1份润湿剂
50份水
干燥之后,颜料制剂具有以下组成,在此忽略约1%的残余水含量:
70份C.I.Pigment Schwarz 7
28份来自合成实施例19的聚合物(表)
2份润湿剂
该颜料制剂在白色分散体和在漆料中具有很高的色强度并且是稳定的。擦去测试表明与经后擦拭的区域相比没有色强度差别。该分散体经证明是能流动的且是稳定的,因为它在50℃下存储28天之后仍然是能流动的。干燥的粉末能自动拌和入水基白色分散体和含溶剂的漆料中。手工搅拌3分钟。两个颜色体系中都实现了高色强度及无斑点不絮凝的涂覆。擦去试验未显示出与经后擦拭的区域相比有色强度差别。
Claims (8)
1.阴离子改性共聚物,其可通过单体(A)、(B)、(C)和(D)的聚合得到具有反应性末端OH基团的非离子共聚物和随后使末端OH基团转化为阴离子端基而获得,其中该共聚物具有103g/mol到109g/mol的分子量,并且
(A)是式(I)的单体
其中
A表示C2-至C4-亚烷基,和
B表示不同于A的C2-至C4-亚烷基,
R表示氢或甲基,
m为从1到500的数值;
n为从1到500的数值,
其中m+n的总和为2到1000;
(B)是式(II)的单体
其中
D表示C3-亚烷基,和
R表示氢或甲基,
o是从2到500的数值;
(C)是包含芳基的烯属不饱和单体;以及
(D)是包含烷基的烯属不饱和单体;
单体(A)的摩尔比例为0.1到70%,单体(B)为10到80%,单体(C)为0.1到50%以及单体(D)为0.1到50%,其中所述摩尔比例的总和为100%;
其中所述单体(C)是式(IIIa)或(IIIb)的化合物:
其中
Xa表示具有3到30个碳原子的芳香族或芳脂族基团,其任选包含选自N、O和S的杂原子,
Za表示H或(C1-C4)-烷基,
Zb表示H或(C1-C4)-烷基,以及
Zc表示H或(C1-C4)-烷基;
其中
R1表示氢或甲基,
Xb表示具有3到30个碳原子的芳香族或芳脂族基团,其任选包含选自O、N和S的杂原子,
Wa表示氧或NH基团;
其中所述单体(D)是式(IV)的化合物:
其中
R2表示氢或甲基,
Y表示具有1到30个碳原子的脂肪族烃基,其可以是线型或支化的或者环状的,以及其可包含选自O、N和S的杂原子且还可以是不饱和的,
Wb表示氧或NH基团。
2.权利要求1所述的共聚物,其特征在于,A表示亚乙基以及B表示亚丙基,或A表示亚丙基以及B表示亚乙基。
3.权利要求1或2所述的共聚物,其特征在于,氧化亚烷基单元(A-O)m和(B-O)n呈嵌段状排布。
4.权利要求1或2所述的共聚物,其特征在于,所述阴离子端基表示SO3M、CH2COOM、PO3M2或磺基丁二酸根之一,其中M表示H、金属阳离子、NH4 +、烷基化的铵离子或它们的组合。
5.权利要求1或2所述的共聚物,其特征在于式(V)或(VI)
其中
A表示C2-至C4-亚烷基,
B表示不同于A的C2-至C4-亚烷基,
D表示C3-亚烷基,
m为从1到500的数值;
n为从1到500的数值,
其中m+n的总和为2到1000;
o为从2到500的数值;
Xa表示具有3到30个碳原子的芳香族或芳脂族基团,其任选包含选自N、O和S的杂原子,
Za表示H或(C1-C4)-烷基,
Zb表示H或(C1-C4)-烷基,
Zc表示H或(C1-C4)-烷基;
R表示氢或甲基,
R1表示氢或甲基,
R2表示氢或甲基,
Y表示具有1到30个碳原子的脂肪族烃基,其可以是线型或支化的或者环状的,以及其可包含选自O、N和S的杂原子且还可以是不饱和的,
Wb表示氧或NH基团,
Xb表示具有3到30个碳原子的芳香族或芳脂族基团,其任选包含选自O、N和S的杂原子,
Wa表示氧或NH基团,
Q表示SO3、CH2COO、PO3M或磺基丁二酸根,以及
M表示H、金属阳离子、铵、烷基化铵离子或它们的组合;
a=0.001-0.7
b=0.01-0.8
c=0.001-0.5
d=0.001-0.5
其中a+b+c+d的总和等于1。
6.制备如权利要求1到5的任一项所述的共聚物的方法,其中将单体(A)、(B)、(C)和(D)自由基聚合以及将该过程中所形成的末端OH基团转化为阴离子端基。
7.权利要求1到5的任一项所述的共聚物作为分散剂的用途。
8.权利要求7所述的用途,其中所述的分散剂是用于颜料和填料的分散剂。
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