CN102597085B - 含二氧戊环作为偶联剂的水性制剂 - Google Patents

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Abstract

本发明一般涉及用于涂覆的水性制剂，其包含聚合物基树脂、无机填料和作为偶联剂的二氧戊环。本发明尤其涉及含有作为偶联剂的二氧戊环的水性涂料制剂。

Description

含二氧戊环作为偶联剂的水性制剂
本发明一般涉及用于涂覆的水性制剂，该制剂包含聚合物基树脂、无机填料和作为偶联剂的二氧戊环。本发明尤其涉及含有二氧戊环作为偶联剂的水性涂料制剂。
现有技术
具有无机和疏水特征的填料是被广泛用于涂料制剂的化合物，目的是为了增强与机械特性、制剂成本和可燃性特性相关的性能特性。通常使用的填料包括滑石、碳酸钙、玻璃纤维、三水合氧化铝和氢氧化镁。这种制剂中通常使用的聚合物是天然有机物质，无机粒子例如这些填料添加到介质中对树脂的主要性能会产生不利影响。使用偶联剂是为了阻止或者减小这种副作用。
偶联剂通过与填料和树脂的相互作用减小填料添加至聚合物系统中的副作用。偶联剂展示了相同分子内两种不同的且相反的极性特征。这种非极性特征来源于化合物的碳链。碳链的增长增加了极性和非极性特征。极性特征来源于存在于结构中的极性基团如羟基等。这些基团通过氢键与填料表面相互作用。因此偶联剂能够与非极性的树脂和填料的极性表面相互作用，作为它们间的桥梁，并防止填料部分或聚合物部分性能特征的任何不希望的损失。一些类型的偶联剂是众所周知的。在有机化合物中，二醇是在结构上显示有效偶联剂的特征的物质。通常使用的二醇的例子包括丁基乙二醇、丁基乙二醇乙酸酯、乙基乙二醇乙酸酯和甲基乙二醇。
虽然这些是已知的被用于包括填料和有机树脂的复合物中的偶联剂，但是为了找到使用简单且更小毒性的有效替代物，仍然在进行不断的研究努力。
发明内容
本发明一般涉及式(I)所示化合物在用于涂覆的水性制剂中作为聚合物基树脂和无机填料之间的偶联剂的用途：
Figure BPA00001545690200021
其中R1和R2是相同的或不同的，并且选自氢原子和烷基、烯基和苯基，n是1到5之间的整数。
R1和R2彼此独立地优选表示甲基、乙基、正丙基或异丁基基团。而且，特别地，n是1或者2。2，2-二甲基-1，3-二氧戊环-4-甲醇，称作丙酮缩甘油(CAS号为100-79-8)是尤其优选的。例如，使用2，2-二异丁基-1，3二氧戊环-4-甲醇也是可能的，它也被称为1-异丁基异亚丙基丙三醇的缩写IIPG。
在下面的文本中，对丙酮缩甘油的描述仅将其作为适宜地代表本发明的一种二氧戊环，不以任何方式将本发明的范围限制于该化合物。
式(I)所示的化合物能起到偶联剂的作用。羟基参与和无机填料间的极性相互作用，尤其是氢键，连接羟基的α碳参与了和聚合物树脂的非极性反应，尤其是范德华键，如伦敦色散力。其它相互作用也可以参与到水性涂料制剂中对无机填料和聚合物树脂的偶联效应。
如下表1所示，大多数已知的有机偶联剂是短链到中链二醇，其中非极性部分可以通过氧原子与极性部分相隔离。虽然氧作为桥起到负责分子内隔离的作用，但是它也有助于氢键的形成，尽管在较小的程度上。相对于羟基，氧原子的弱相互作用来源于立体效应，换句话说来自于烷基链占据的体积大于氢原子占据的体积的事实。烷基链越长，氢氧键强度越弱。所用化合物的选择是重要的，对于蒸发和聚结时间，不同的烷基链产生不同的结果，这取决于树脂和填料的相互作用。
表1不同偶联剂与丙酮缩甘油的比较
(CMR＝致癌/致突变/生殖毒性)
表1也显示了丙酮缩甘油具有最高的闪点之一，因而对皮肤和眼睛刺激具有较小的危险，并且也具有低口服毒性特征。因此，关于人体健康和安全方面，丙酮缩甘油的毒性特征是所有最通常使用的偶联剂中最低的，因而使得这个化合物非常有用、可靠和容易处理。
当一种有机化合物蒸发，它会与空气中的化合物经历一些不同形式的反应。最重要的一种是由于挥发性有机化合物(VOCs)的存在导致臭氧的形成。然而，不应该认为不同的VOCs按同样的方法反应并产生同样量的臭氧。反应中产生的臭氧量取决于两个主要的因素：
-VOCs和NOx间不同的反应机理，由于不同种类的有机化合物；
-不同有机化合物特有的反应动力学。
因此，一种控制臭氧形成的有效方法是通过降低更高反应活性化合物的散发，依据它们(VOC)在空气中的反应活性来控制VOC的散发。不被这种理论所限制，当目的是减少由于VOC散发所造成臭氧的形成时，认为这种比较是合适的，因为它考虑了不同化合物根据其反应活性产生不同量臭氧的事实。
最大增量反应性(MIR)是一个与许多有机化合物有关的测量，表示NOx的水平被调整为最大臭氧形成的条件下的臭氧形成。这个参数代表了一种具体的VOC形成臭氧的最大可能量，用gO3/gVOC(克臭氧每克VOC)表示。因此，MIR值越低，对环境造成影响就越低。通过和丙酮缩甘油比较，表2列出了一些重要的偶联化合物的MIR值。
表2有机化合物的MIR值
  物质   MIR(gO3/gVOC)
  丁基乙二醇   2.79
  丁基乙二醇醋酸酯   1.67
  乙基乙二醇醋酸酯   1.90
  甲基乙二醇   0.92
  丙酮缩甘油   2.01
丁基乙二醇和甲基乙二醇分别具有最高和最低的MIR值。在这两个值之间，四个其它化合物有相对接近的MIR值，包括丙酮缩甘油。因此，丙酮缩甘油适合于所有的应用，不会产生严重的或者不可预料的环境影响，因为它的MIR值和多数使用的偶联剂一样，不会产生实质性的环境危险。
制剂优先含有0.1％至5％重量的式(I)化合物，相对于组合物的总重量。
涂料制剂中的无机填料被理解为硬组分，可以显示不同的功能特性。
制剂中使用的填料尤其优选的是无机填料，能够通过极性相互作用与本发明中二氧戊环的羟基相互作用。如果填料显示尤其是下面的官能：-OH、-NH3、羧酸、丙烯酸和环氧，可产生与二氧戊环中的羟基官能团的相互作用。
在涂料制剂中通常使用的填料例如是碳酸盐填料如碳酸钙，硅酸盐填料如高岭土、滑石和云母，硅质填料如二氧化硅，或者硫酸钡，玻璃纤维，玻璃珠，三水合氧化铝和氢氧化镁。二氧化硅可以是膨胀的或胶体的。玻璃纤维可以被切割或研磨。
制剂优先包含5％至20％重量的填料，相对于该制剂的总重量。
本发明制剂中通常使用的聚合物是有机聚合物。它们更特别地包括乙烯基聚合物如聚乙酸乙烯酯、聚乙烯醇，丙烯酸树脂如丙烯酸苯乙烯聚合物、乙烯基-丙烯酸树脂，和环氧树脂，聚酰胺和聚酯，它们的均聚物、共聚物和三元共聚物。
制剂优先包含从20％至60％重量的聚合物，相对于该制剂的总重量
本发明的一个有益应用中，水性制剂尤其是水性涂料制剂。
本发明的制剂优先是一种丙烯酸基水性乳胶涂料。
制剂优先不包含二醇偶联剂，例如经常使用的二醇，包括丁基乙二醇，丁基乙二醇醋酸酯，乙基乙二醇醋酸酯和甲基乙二醇。
本发明的制剂可以进一步包括其它通常用于本领域中的化合物，特别例如颜料，生物杀灭剂，表面活性剂，防腐剂和干燥剂。
本发明的制剂采用本领域中传统的方法制备。不同的添加物通常被加入水中，水已经达到允许不同组分有效混合的温度。
本说明书中使用了具体的语言以便更容易理解本发明的原理。然而，应理解，这些具体语言的使用对本发明的范围是没有限制的。相关领域的技术人员特别可以根据他或她自己的普通知识想到一些修饰、改进和优化。
术语“和/或”包括和、或者的意思以及通过这个术语连接的元素的所有其他可能的组合方式。
本发明的其它细节和优点将更清楚地显示在下面仅以说明目的给出的实施例中。
实施例
下面给出的实施例仅作为本发明特定的应用，并不代表对以下相关权利要求的进一步限制。
制备了三种水性涂料制剂，如下表3所示。参考制剂不包含偶联剂；制剂A包含一种已知的偶联剂，丙二醇单甲醚；本发明的制剂B包含丙酮缩甘油作为偶联剂。
表3水性涂料制剂测试(苯乙烯丙烯酸树脂-乳胶)
Figure BPA00001545690200061
Figure BPA00001545690200071
性能质量的比较如下表4所示：
表4性能特征的比较
Figure BPA00001545690200072
表4的测试按照下面的指示进行：
-粘贴厚度：用于评价涂料的分散性。标准：ABNT NBR 7.135(巴西标准)
-pH：用pH计测量
-粘度(克雷布斯)：必须处在合适的水平以允许涂料适当展开。标准：ABNT12.105(巴西标准)和ASTM D 562.
-涂覆能力：通过湿层和干层的比较进行评价。
-磨蚀：使用Gardner仪器进行实验，测量周期。标准：ASTM D1.300
从本发明提供的信息和表4的结果可能得出结论：根据本发明含二氧戊环如丙酮缩甘油作为偶联剂的涂料的性能特征相对于二醇偶联剂配制的水性涂料是令人满意的。

Claims (13)

1.式(I)所示化合物在用于涂覆的水性制剂中作为聚合物基树脂和无机填料间的偶联剂的用途； 
Figure FSB0000122956760000011
其中R1和R2是相同的或不同的，并且选自氢原子和烷基、烯基和苯基，n为1到5之间的整数； 
其中所述制剂含有0.1％至5％重量的式(I)化合物，基于组合物的总重量计；并且其中所述制剂不含有二醇偶联剂。 
2.如权利要求1所述的用途，其特征在于R1和R2彼此独立代表甲基、乙基、正丙基或者异丁基。 
3.如权利要求1或2所述的用途，其特征在于n是1或2。
4.如权利要求1或2所述的用途，其特征在于所述二氧戊环是2，2-二甲基-1，3-二氧戊环-4-甲醇。 
5.如权利要求1或2所述的用途，其特征在于所述无机填料具有下面的官能团：-OH、-NH3、羧酸或者环氧。 
6.如权利要求1或2所述的用途，其特征在于所述无机填料具有丙烯酸官能团。 
7.如权利要求1或2所述的用途，其特征在于所述无机填料选自碳酸盐填料、硅质填料、玻璃纤维、玻璃珠、三水氧化铝和氢氧化镁。 
8.如权利要求7所述的用途，其特征在于所述硅质填料为硅酸盐填料。 
9.如权利要求1或2所述的用途，其特征在于所述制剂包含5％到20％重量的填料，相对于制剂的总重量。 
10.如权利要求1或2所述的用途，其特征在于所述聚合物基树 脂选自乙烯聚合物、丙烯酸树脂、乙烯-丙烯酸树脂、环氧树脂、聚酰胺和聚酯，它们的均聚物、共聚物和三元共聚物。 
11.如权利要求1或2所述的用途，其特征在于所述制剂包含20％到60％重量的聚合物基树脂，相对于制剂的总重量。 
12.如权利要求1或2所述的用途，其特征在于所述制剂是水性涂料制剂。 
13.如权利要求1或2所述的用途，其特征在于制剂是丙烯酸基水性乳胶涂料。 
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