具体实施方式
为了进一步理解本发明,下面结合实施例对本发明优选实施方案进行描述,但是应当理解,这些描述只是为进一步说明本发明的特征和优点,而不是对本发明权利要求的限制。
本发明提供了一种紫外光固化涂料组合物,包含:
消泡剂;
粘附性能促进剂;
流平剂;
光引发剂;
溶剂;
具有式(I)结构的聚芳醚酮:
其中,R为H或甲基;1≤m ≤4;n为聚合度;
所述具有式(I)结构的聚芳醚酮的特性粘度为0.2dL/g~1.4dL/g。
在本发明中,所述紫外光固化涂料组合物主要由具有式(I)结构的聚芳醚酮、溶剂、光引发剂、流平剂、粘附性能促进剂和消泡剂组成,其具有优异的机械性能和耐热性能等,是一种综合性能较好的紫外光固化涂料。
在本发明中,所述具有式(I)结构的聚芳醚酮的大分子链上存在丙烯基酯基,具有较多的交联点,能够作为所述紫外光固化涂料组合物的基体树脂,和溶剂、光引发剂等其他原料结合在一起,在底材上形成均匀、致密的涂膜,经紫外光照射而固化,从而形成机械性能优异的涂层,所述涂层的硬度为5H,附着力最优为0级,冲击强度≥100kg·cm,柔韧度为1mm~3mm。
在本发明式(I)中,R为H或甲基;1≤m≤4,m优选为2或3;n为聚合度,优选1≤n≤500,更优选2≤n≤200,最优选3≤n≤100。
在本发明中,所述具有式(I)结构的聚芳醚酮的特性粘度为0.2dL/g~1.4dL/g,优选为0.5dL/g~1.2dL/g,更优选为0.8dL/g~1.0dL/g。
所述具有式(I)结构的聚芳醚酮的玻璃化转变温度为140℃~265℃,起始失重的温度为300℃~385℃,失重5%的温度为400℃~490℃。所述具有式(I)结构的聚芳醚酮具有较好的耐热性能,使所述紫外光固化涂料组合物的耐热性能较好,可用作耐高温涂料,应用范围较广。
所述具有式(I)结构的聚芳醚酮优选按照下述制备方法制备:
在脱水剂和催化剂的存在下,将具有式(II)结构的聚芳醚酮和具有式(III)结构的丙烯酸酯在有机溶剂中进行酯化反应,得到具有式(I)结构的聚芳醚酮;
其中,R为H或甲基;1≤m≤4;n为聚合度。
上述制备方法优选在惰性气体如氮气保护下,将具有式(II)结构的聚芳醚酮、具有式(III)结构的丙烯酸酯、脱水剂、催化剂和有机溶剂加入反应器中,酯化反应后得到具有式(I)结构的聚芳醚酮。
上述制备方法对所述具有式(II)结构的聚芳醚酮的聚合度(n)没有特殊限制,优选1≤n≤500,更优选2≤n≤200,最优选3≤n≤100;
上述制备方法对所述具有式(II)结构的聚芳醚酮的来源没有特殊限制,优选按照下述制备方法制备得到:
在碱性化合物和带水剂的存在下,将酚酞啉和4,4′-二卤二苯酮在有机溶剂中进行反应,得到具有式(II)结构的聚芳醚酮。
所述具有式(II)结构的聚芳醚酮的制备方法优选在惰性气体如氮气保护下,将酚酞啉、4,4′-二卤二苯酮、碱性化合物、带水剂和有机溶剂加入反应器中,反应后得到具有式(II)结构的聚芳醚酮。
在所述具有式(II)结构的聚芳醚酮的制备方法中,所述酚酞啉简称为PPL;所述4,4′-二卤二苯酮优选为4,4′-二氟二苯酮或4,4′-二氯二苯酮,更优选为4,4′-二氟二苯酮;所述酚酞啉与所述4,4′-二卤二苯酮的摩尔比优选为(1~3)∶1,更优选为(1~2.5)∶1,最优选为1∶1;
所述碱性化合物能够对反应起催化作用,所述碱性化合物优选为无水碳酸钾(K2CO3)或无水碳酸钠(Na2CO3),更优选为无水碳酸钾;所述碱性化合物与所述酚酞啉的摩尔比优选为(1~3)∶1,更优选为(1.1~2.5)∶1,最优选为(1.15~2)∶1;
所述有机溶剂为反应的介质,所述有机溶剂优选为二甲基亚砜或四氢呋喃,更优选为二甲基亚砜;所述有机溶剂的用量采用使上述原料完全溶解的用量即可;
所述带水剂能够把反应产生的水从反应体系中分离开来,从而提高反应效率,所述带水剂优选为二甲苯或甲苯,更优选为甲苯;所述有机溶剂与所述带水剂的体积比优选为1∶(1~3),更优选为1∶(1.5~2.5),最优选为1∶(1.8~2)。
所述具有式(II)结构的聚芳醚酮的制备方法的反应式优选如式(1)所示:
所述具有式(II)结构的聚芳醚酮的制备方法优选具体为:
在碱性化合物和带水剂的存在下,将酚酞啉和4,4′-二卤二苯酮在有机溶剂中进行第一步反应,得到中间产物;
将所述中间产物进行第二步反应,得到具有式(II)结构的聚芳醚酮。
其中,所述第一步反应以亲核取代反应为主,所述第一步反应的温度优选为130℃~150℃,更优选为135℃~145℃;所述第一步反应的时间优选为1h~3h,更优选为1.5h~2.5h;
所述带水剂带出反应产生的水,优选蒸出全部所述带水剂后,得到中间产物,所述中间产物包括亲核取代反应的产物和少量低聚物等;
所述第二步反应以缩聚反应为主,所述第二步反应的温度优选为170℃~180℃;所述第二步反应的时间优选为3h~5h,更优选为3.5h~4.5h。
反应得到黄色粘稠状聚合物产物时,用二甲基甲酰胺(DMF)稀释并静止分层,然后将静止分层得到的清液层缓慢倒入由乙醇和盐酸配成的混合沉降剂中,析出大量白色物质,将其反复煮洗后置于真空烘箱中干燥,得到白色的、具有式(II)结构的聚芳醚酮。
所得白色的、具有式(II)结构的聚芳醚酮的特性粘度为0.29dL/g,玻璃化转变温度为191℃,起始失重的温度为391℃,失重5%的温度为403℃。
在上述具有式(II)结构的聚芳醚酮的制备方法中,酚酞啉为原料之一,所述酚酞啉可以从市场上购得,也可以按照下述的制备方法制备得到:
以锌粉为催化剂,将酚酞(ph)、氢氧化钠、去离子水和乙醇混合后进行反应,优选11h~13h、更优选11.5h~12.5h后倒入盐酸中酸化并过滤,将过滤得到的粗产物用去离子水反复煮洗后再过滤、干燥,得到酚酞啉,产率在95%以上,反应式如式(2)所示:
在上述具有式(I)结构的聚芳醚酮的制备方法中,另一原料为具有式(III)结构的丙烯酸酯,所述具有式(III)结构的丙烯酸酯的分子结构中含有双键等反应基团,其为具有式(I)结构的聚芳醚酮提供能够进行交联反应的交联点。
所述具有式(III)结构的丙烯酸酯优选为甲基丙烯酸羟乙酯、丙烯酸羟乙酯、丙烯酸羟丙酯、甲基丙烯酸羟丙酯或丙烯酸-4-羟丁基酯。改变具有式(II)结构的聚芳醚酮与所述具有式(III)结构的丙烯酸酯的摩尔比,可得到一系列不同接枝率的酯化产物,所述具有式(II)结构的聚芳醚酮与所述具有式(III)结构的丙烯酸酯的摩尔比优选为1∶1~10∶1,更优选为2∶1~8∶1,最优选为4∶1~6∶1。
在上述具有式(I)结构的聚芳醚酮的制备方法中,所述脱水剂利于反应进行,能够提高反应效率;所述脱水剂优选为N,N′-二环己基碳二亚胺(DCC)、N,N′-二异丙基碳二亚胺(DIC)或1-(3-二甲氨基丙基)-3-乙基碳二亚胺盐酸盐(EDC),更优选为N,N′-二环己基碳二亚胺;所述脱水剂与所述具有式(III)结构的丙烯酸酯的摩尔比优选为(0.1~5)∶1,更优选为(1~4)∶1,最优选为(1~1.5)∶1。
所述催化剂为本领域常用的催化剂,优选为4-二甲氨基吡啶(DMAP),其具有高效的催化作用;所述催化剂与所述脱水剂的摩尔比优选为(0.1~1)∶1,更优选为(0.8~1)∶1。
所述有机溶剂为本领域常用的有机溶剂,优选为二甲基亚砜(DMSO)或四氢呋喃(THF),更优选为二甲基亚砜;所述具有式(II)结构的聚芳醚酮的质量与所述有机溶剂的体积之比优选为(0.1~1)g∶1mL,更优选为(0.5~0.8)g∶1mL。
上述具有式(I)结构的聚芳醚酮的制备方法将具有式(II)结构的聚芳醚酮(PEK-L)和具有式(III)结构的丙烯酸酯在脱水剂和催化剂的作用下进行酯化反应,得到酯化产物,即具有式(I)结构的聚芳醚酮,反应式优选如式(3)所示:
其中,所述酯化反应的温度优选为10℃~40℃,更优选为10℃~20℃;所述酯化反应的时间优选为12h~48h,更优选为12h~40h,最优选为12h~20h。
酯化反应结束后,得到悬浊液,将其过滤后倒入由乙醇和盐酸配成的混合溶液中进行沉淀,以除去残留的脱水剂等杂质,然后将沉淀所得物质反复煮洗,再置于真空干燥箱中干燥,得到白色絮状产物具有式(I)结构的聚芳醚酮。
在本发明中,所述溶剂能够将成膜物溶解或分散成均一、稳定的液体分散体系,以制备涂料;当施工成膜后,其会挥发到大气环境中。所述溶剂优选包含第一溶剂和第二溶剂,所述第一溶剂优选为N,N-二甲基乙酰胺、N,N-二甲基甲酰胺、二甲基亚砜或1,2-二氯乙烷;所述第二溶剂优选为四氢呋喃、1,2-二氯乙烷或1,1,2-三氯乙烷,更优选为四氢呋喃或1,1,2-三氯乙烷。所述第一溶剂与所述第二溶剂的体积比优选为1∶19~19∶1,更优选为1∶15~15∶1,最优选为1∶10~10∶1,所述溶剂优选为非质子极性溶剂,能够更好地溶解上述基体树脂,使其作为所述紫外光固化涂料组合物的基体树脂而应用。
本发明对所述溶剂的用量没有特殊限制,采用能够将上述基体树脂溶解的用量即可,所述溶剂与所述具有式(I)结构的聚芳醚酮的质量比优选为95∶5~75∶25。
在本发明中,所述光引发剂是所述紫外光固化涂料组合物的重要组分之一,对固化速率起着决定作用,当所述光引发剂受紫外光照射后,吸收光的能量,分裂成活性自由基,从而引发基体树脂和其他原料发生连锁聚合,使涂料形成的涂膜交联固化。在本发明中,所述光引发剂的质量优选为所述紫外光固化涂料组合物的质量的0.1%~10%,更优选为1%~8%,最优选为3%~6%。
所述光引发剂优选为二苯甲酮类光引发剂、安息香醚类光引发剂、酰基膦氧化物类光引发剂和烷基苯酮类光引发剂中的一种或多种,更优选为二苯甲酮类光引发剂、安息香醚类光引发剂、酰基膦氧化物类光引发剂或烷基苯酮类光引发剂。其中,所述二苯甲酮类光引发剂包括但不限于二苯甲酮(BP)、2,4-二羟基二苯甲酮;所述安息香醚类光引发剂包括但不限于安息香乙醚、安息香丁醚;所述酰基磷(膦)氧化物类光引发剂包括但不限于TPO-173和TEPO;所述烷基苯酮类光引发剂包括但不限于Irgacure-184和Irgacure-651。
在本发明中,所述粘附性能促进剂能够显著提高膜层与基材的附着力,从而进一步改善所述紫外光固化涂料组合物的粘附性。在本发明中,所述粘附性能促进剂的质量优选为所述紫外光固化涂料组合物的质量的0.01%~2%,更优选为0.05%~1.5%,最优选为0.5%~1%。
所述粘附性能促进剂主要包括树脂类粘附性能促进剂、偶联剂和有机高分子化合物等。在本发明中,所述粘附性能促进剂优选为偶联剂,更优选为钛酸酯偶联剂、硅烷偶联剂、铬络合物偶联剂如甲基丙烯酸氯化铬络合物等或锆类偶联剂如四正丙基锆酸酯等。其中,所述钛酸酯偶联剂包括但不限于钛酸酯偶联剂TMC-201、钛酸酯偶联剂TMC-102、钛酸酯偶联剂TMC-101、钛酸酯偶联剂TMC-105、钛酸酯偶联剂TMC-311w、钛酸酯偶联剂TMC-311、钛酸酯偶联剂TMC-TTS、钛酸酯偶联剂TMC-3、钛酸酯偶联剂TMC-114和钛酸酯偶联剂TMC-TE;所述硅烷偶联剂包括但不限于硅烷偶联剂KH-402、硅烷偶联剂KH-552、硅烷偶联剂KH-550、硅烷偶联剂KH-570、硅烷偶联剂KH-172、硅烷偶联剂SCA-1103和硅烷偶联剂SI-69。
在本发明中,所述流平剂能够通过降低涂膜表面张力来改善流动方式,从而获得良好的涂膜外观。在本发明中,所述流平剂的质量优选为所述紫外光固化涂料组合物的质量的0.01%~1%,更优选为0.05%~0.8%,最优选为0.1%~0.5%。本发明对所述流平剂的种类没有特殊限制,所述流平剂优选为丙烯酸流平剂、有机硅流平剂或氟碳化合物类流平剂如氟碳化合物类流平剂MF3777A等。其中,所述丙烯酸流平剂包括但不限于丙烯酸流平剂BYK-361N和丙烯酸流平剂BYK-358N;所述有机硅流平剂包括但不限于有机硅流平剂BYK-333、有机硅流平剂BYK-323、有机硅流平剂BYK-322和有机硅流平剂BYK-306。
所述消泡剂可以为加到已形成的泡沫中使泡沫破裂的添加剂,也可以为起泡前预先加入而阻止起泡的添加剂。在本发明中,所述消泡剂的质量优选为所述紫外光固化涂料组合物的质量的0.01%~1%,更优选为0.05%~0.8%,最优选为0.1%~0.5%。所述消泡剂优选为聚醚类消泡剂、硅类消泡剂或聚醚改性消泡剂。
为了进一步提高所述紫外光固化涂料组合物的应用性能,所述紫外光固化涂料组合物还可以包含其他助剂如阻燃剂、增塑剂等。
本发明优选按照上述质量比或质量分数称取所述具有式(I)结构的聚芳醚酮,再加入所述溶剂、所述引发剂、所述粘附性能促进剂、所述流平剂和所述消泡剂等,优选经搅拌、静置,得到所述紫外光固化涂料组合物。
本发明对所述称取、所述搅拌和所述静置没有特殊限制,能够混合得到所述紫外光固化涂料组合物即可。
得到紫外光固化涂料组合物后,将其均匀涂在基材上,在25℃下干燥1h~3h达到表干,再置于80℃的烘箱中,3h后干燥完全,将其取出,经紫外光照射后进行性能指标测试。
本发明按照中国国家标准GB/T1723-1993《涂料粘度测定法》评估其漆膜外观,按照中国国家标准GB/T1732-1993《漆膜耐冲击测定法》测定其冲击强度,按照中国国家标准GB/T1731-1993《漆膜柔韧性测定法》测定其柔韧度,按照中国国家标准GB/T6739-1996《涂膜硬度铅笔测定法》测定其硬度,按照中国国家标准GB/T1720-1993《漆膜附着力测定法》中的划格法测定其附着力,按照中国国家标准GB/T1735-1993《漆膜耐热性测定法》测定其耐热性能。
测定结果显示,所述紫外光固化涂料组合物的漆膜外观透明、无机械杂质,冲击强度≥100kg·cm,柔韧度为1mm~3mm,硬度为5H,附着力最优为0级,并且其在300℃±20℃的温度下应用时,30h后一般不开裂、不脱落。
表明本发明以具有式(I)结构的聚芳醚酮、溶剂、光引发剂、粘附性能促进剂、流平剂和消泡剂为主要原料,得到的紫外光固化涂料组合物具有优异的机械性能,利于应用。
另外,本发明提供的紫外光固化涂料组合物具有较好的耐热性能,可用作耐高温涂料。
为了进一步理解本发明,下面结合实施例对本发明提供的紫外光固化涂料组合物进行详细地描述。
实施例1
在100mL的三口烧瓶中依次加入12.81g(0.04mol)酚酞啉、8.73g(0.04mol)4,4′-二氟二苯酮、11.06(0.08mol)K2CO3、34mLDMSO和38mL甲苯,通入氮气并搅拌,升温至140℃进行反应,反应2h后除水,蒸出全部甲苯,然后缓慢升温至175℃,恒温反应4h后,将反应得到的黄色粘稠物质用DMF稀释、静止分层后,将得到的清液层缓慢倒入由乙醇和盐酸配成的混合溶剂中,析出大量白色物质,将其反复煮洗后置于真空烘箱中干燥,得到白色产物PEK-L,产率为88%。
将0.53g(1mmol)上述制备的PEK-L、0.11g(1mmol)丙烯酸羟乙酯、0.21g(1mmol)DCC、0.01g(0.1mmol)DMAP和10mLDMSO置于100mL的三口烧瓶中,通氮气并搅拌,在25℃下进行酯化反应,24h后得到淡黄色的悬浊液,将其过滤后在剧烈搅拌下缓慢倒入由乙醇和盐酸配成的混合溶液中进行沉淀,以除去残留的DCC和DCC中的二环己基脲(DCU),将沉淀所得物质反复煮洗后,再置于真空干燥箱中干燥,得到具有式(I)结构的聚芳醚酮,其中,R为H,m为2,其特性粘度为0.29dL/g,产率为79%。
实施例2
称取0.4g实施例1制备的具有式(I)结构的聚芳醚酮,按照溶剂与所述具有式(I)结构的聚芳醚酮的质量比为95∶5,加入溶剂,所述溶剂由体积比为3∶7的N,N-二甲基乙酰胺与四氢呋喃混合而成,然后加入质量分数为0.4%的钛酸酯偶联剂TMC-201、质量分数为1%的Irgacure-184、质量分数为0.3%的有机硅流平剂BYK-333和质量分数为0.01%的消泡剂BYK-088,经搅拌溶解、混合均匀后静置,得到产品紫外光固化涂料组合物。
将所得产品均匀涂在基材上,在25℃下干燥2h达到表干,再置于80℃的烘箱中,3h后干燥完全,将其取出,经紫外光照射后,按照上文所述的测定方法进行性能指标测试,测试结果参见表1,表1为本发明实施例提供的紫外光固化涂料组合物的性能指标。
实施例3
称取0.4g实施例1制备的具有式(I)结构的聚芳醚酮,按照溶剂与所述具有式(I)结构的聚芳醚酮的质量比为75∶25,加入溶剂,所述溶剂由体积比为4∶6的N,N-二甲基甲酰胺与四氢呋喃混合而成,然后加入质量分数为0.3%的甲基丙烯酸氯化铬络合物、质量分数为2%的二甲苯酮(BP)、质量分数为0.2%的氟碳化合物类流平剂MF3777A和质量分数为0.05%的消泡剂BYK-066,经搅拌溶解、混合均匀后静置,得到产品紫外光固化涂料组合物。
将所得产品均匀涂在基材上,在25℃下干燥2h达到表干,再置于80℃的烘箱中,3h后干燥完全,将其取出,经紫外光照射后,按照上文所述的测定方法进行性能指标测试,测试结果参见表1。
实施例4
称取0.4g实施例1制备的具有式(I)结构的聚芳醚酮,按照溶剂与所述具有式(I)结构的聚芳醚酮的质量比为80∶20,加入溶剂,所述溶剂由体积比为5∶5的二甲基亚砜与四氢呋喃混合而成,然后加入质量分数为0.5%的四正丙基锆酸酯、质量分数为4%的TPO-173、质量分数为0.5%的丙烯酸流平剂BYK-361N和质量分数为0.06%的消泡剂BYK-057,经搅拌溶解、混合均匀后静置,得到产品紫外光固化涂料组合物。
将所得产品均匀涂在基材上,在25℃下干燥2h达到表干,再置于80℃的烘箱中,3h后干燥完全,将其取出,经紫外光照射后,按照上文所述的测定方法进行性能指标测试,测试结果参见表1。
实施例5
称取0.4g实施例1制备的具有式(I)结构的聚芳醚酮,按照溶剂与所述具有式(I)结构的聚芳醚酮的质量比为85∶15,加入溶剂,所述溶剂由体积比为4∶6的N,N-二甲基甲酰胺与四氢呋喃混合而成,然后加入质量分数为0.4%的硅烷偶联剂SCA-1103、质量分数为3%的安息香乙醚、质量分数为0.8%的有机硅流平剂BYK-306和质量分数为0.05%的消泡剂BYK-057,经搅拌溶解、混合均匀后静置,得到产品紫外光固化涂料组合物。
将所得产品均匀涂在基材上,在25℃下干燥2h达到表干,再置于80℃的烘箱中,3h后干燥完全,将其取出,经紫外光照射后,按照上文所述的测定方法进行性能指标测试,测试结果参见表1。
实施例6
称取0.4g实施例1制备的具有式(I)结构的聚芳醚酮,按照溶剂与所述具有式(I)结构的聚芳醚酮的质量比为90∶10,加入溶剂,所述溶剂由体积比为7∶3的1,2-二氯乙烷与1,1,2-三氯乙烷混合而成,然后加入质量分数为1.0%的硅烷偶联剂KH-550、质量分数为2%的Irgacure-184、质量分数为3%的BP、质量分数为0.03%的有机硅流平剂BYK-333和质量分数为0.01%的消泡剂BYK-057,经搅拌溶解、混合均匀后静置,得到产品紫外光固化涂料组合物。
将所得产品均匀涂在基材上,在25℃下干燥2h达到表干,再置于80℃的烘箱中,3h后干燥完全,将其取出,经紫外光照射后,按照上文所述的测定方法进行性能指标测试,测试结果表明,涂膜硬度为3H,柔韧度为2mm,冲击强度≥100kg·cm,附着力等级为2级,在300℃下恒温30h,涂层不开裂、不脱落。
表1本发明实施例提供的紫外光固化涂料组合物的性能指标
由表1可知,本发明实施例提供的紫外光固化涂料组合物的漆膜外观透明、无机械杂质,冲击强度≥100kg·cm,柔韧度为1mm~3mm,硬度为5H,附着力最优为0级,并且其在300℃±20℃的温度下应用时,30h后一般不开裂、不脱落。
表明本发明以具有式(I)结构的聚芳醚酮、溶剂、光引发剂、粘附性能促进剂、流平剂和消泡剂为主要原料,得到的紫外光固化涂料组合物具有较好的抗冲击性、柔韧性、硬度和附着力,机械性能优异,利于应用。
另外,本发明提供的紫外光固化涂料组合物具有良好的耐热性能,可用作耐高温涂料。
以上实施例的说明只是用于帮助理解本发明的方法及其核心思想。应当指出,对于本技术领域的普通技术人员来说,在不脱离本发明原理的前提下,还可以对本发明进行若干改进和修饰,这些改进和修饰也落入本发明权利要求的保护范围内。