CN102924646A - 一种内墙乳胶涂料用耐水抗泛白硅丙复合乳液的制备方法 - Google Patents

Abstract

本发明涉及一种内墙乳胶涂料用耐水抗泛白硅丙复合乳液的制备方法。本发明的原料包括单体、乳化剂、引发剂过硫酸铵、去离子水，依次经过单体预乳化、种子乳液聚合、半连续乳液聚合：最后过滤出料。本发明采用预乳化半连续种子乳液聚合法将乙烯基类有机硅、自交联剂体系以及助交联剂与丙烯酸酯类单体进行共聚，制备了硅丙复合乳液，整个制备工艺稳定且简便易行，有利于大生产的实施。所得复合乳液单体转化率在96%以上，乳胶粒平均粒径在100nm以下，机械稳定性及贮存稳定性良好，其涂膜硬度高、最低成膜温度低，且具有极优异的遇水抗泛白性以及耐水性。

Description

一种内墙乳胶涂料用耐水抗泛白硅丙复合乳液的制备方法

技术领域

    本发明涉及一种水性涂料的制备方法，具体涉及一种内墙乳胶涂料用耐水抗泛白硅丙复合乳液的制备方法。

背景技术

随着环保要求的日渐严格以及人们对居住环境质量的日益重视，挥发性有机化合物（VOC）含量已成为室内装饰装修过程中的一项重要考察指标。目前，传统溶剂型内墙涂料已逐渐被水性涂料中的乳胶涂料所取代。而作为乳胶涂料常用的成膜物质，聚丙烯酸酯乳液近年来也得到了广泛的研究和应用。聚丙烯酸酯乳液原料来源广泛、价格低廉，它不仅具有优良的耐候、保光、粘结以及耐化学品等性能，而且以水为分散介质，对环境污染小。用聚丙烯酸酯乳液配制的乳胶涂料与传统溶剂型涂料相比，大大降低了施工后室内的VOC含量。然而，由于这类乳胶涂料采用水性聚合物乳液为成膜物质，它常常面临着耐水性差、遇水易泛白的缺陷，并且聚合物树脂往往存在“热粘冷脆”的缺陷，导致乳胶涂料存在硬度与最低成膜温度间的矛盾。这些缺陷及矛盾又会进一步引起涂层附着力降低、耐候性变差、涂料的使用地域及季节受限等系列问题。

有机硅单体及其树脂具有极低的表面能，其Si-O键易旋转且键能高，利用有机硅改性聚丙烯酸酯乳液，不仅可以解决聚丙烯酸酯乳液耐水性差、遇水易泛白的问题，还能有效改善其耐高低温性、耐候性以及耐沾污性等性能。然而，仅仅引入有机硅还不能彻底解决聚丙烯酸酯热粘冷脆的问题，往往还需要引入交联剂。双丙酮丙烯酰胺/二酰肼交联剂体系是近年来乳胶涂料中研究最多的一类交联剂。它不仅克服了常规交联剂如二乙烯基苯、乙二醇二丙烯酸酯等造成的聚合不稳定问题，还避免了酰胺类交联剂如N-羟甲基丙烯酰胺、N,N’-亚甲基双丙烯酰胺等在使用中释放甲醛的危险，并且能够在室温乳液成膜过程中交联，进一步提升乳液的应用性能。因此，近年来室温自交联型硅丙复合乳液已逐渐成为高性能成膜材料研究领域的热点。

硅丙复合乳液的制备通常采用常规乳液聚合法、核壳乳液聚合法或互穿网络聚合法来进行。常规乳液聚合法工艺简单，但在聚合时硅氧烷在水相中易发生水解、缩聚而影响乙烯基有机硅氧烷与丙烯酸酯单体的共聚，很难制备高硅含量的硅丙乳液。核壳乳液聚合法虽然能通过不同的核壳层赋予乳液不同的性能，但该方法操作复杂，工艺控制要求较严，并且当有机硅为核时，其表面被聚丙烯酸酯包埋，复合树脂性能提升有限；当有机硅为壳时，乳液稳定性差，还容易产生聚丙烯酸酯和聚硅氧烷两种乳胶粒子，所得树脂难以兼顾二者优点。互穿网络聚合法制备的硅丙复合乳液中聚有机硅烷与聚丙烯酸酯分子链相互贯穿、缠结，能有效解决有机硅与丙烯酸树脂相分离的问题，但工艺同样较复杂，复合粒子结构形态、二者互穿程度、相区大小等难以控制，并且由于分子链的缠结使乳液在成膜过程中有机硅分子链迁移变得困难，难以真正实现成本与性能的统一。

发明内容

本发明的目的是提供一种能降低有机硅用量、性能稳定优异且成本较低的内墙乳胶涂料用耐水抗泛白硅丙复合乳液的制备方法。

为解决上述的技术问题，本发明采取的技术方案：

一种内墙乳胶涂料用耐水抗泛白硅丙复合乳液的制备方法，其特殊之处在于：

由以下质量分数的原料制成：

单体                  （46～48）wt%

其中：

丙烯酸酯类单体           （90～95）wt%

乙烯基类有机硅             （2～5）wt%

自交联剂                   （1～2）wt%

助交联剂                   （2～5）wt%    

乳化剂                  （1～3）wt%

引发剂过硫酸铵       （0.6～1.0）wt%

其余为去离子水；

其中，自交联剂由组分A与组分B组成，二者物质的量之比为20：（16～25）；

具体步骤为：

步骤一：单体预乳化：

将部分乳化剂用部分去离子水溶解均匀，倒入预先混合均匀的乙烯基类有机硅、自交联剂组分A、助交联剂以及部分丙烯酸酯类单体的混合液中，在乳化机上先低速乳化，待混合液呈乳白色均匀乳液后，再高速乳化10min，得到单体预乳液；

其中，乳化剂用量为乳化剂总量的（25～35）wt%，去离子水用量为预乳化单体总量的（35～45）wt%，丙烯酸酯类单体用量为丙烯酸酯类单体总量的（60～70）wt%；

步骤二：种子乳液聚合：

在加热至40℃的反应器中，加入剩余的乳化剂及剩余的去离子水，待乳化剂溶解均匀后加入剩余未乳化的丙烯酸酯类单体的混合液，搅拌30min后加入浓度为0.018g/mL的引发剂过硫酸铵的水溶液，继续搅拌30min，再将温度升至80℃，待乳液泛蓝后，保温至冷凝管中无单体回流，即得种子乳液；

其中，引发剂过硫酸铵用量为引发剂总量的（25～35）wt%；

步骤三：半连续乳液聚合：

在种子乳液的基础上，保持温度恒定，同时滴加单体预乳液及浓度为0.018g/mL的引发剂过硫酸铵的水溶液，在2.5～3h内滴加完毕；保温60min，然后将温度升至85℃，继续保温60min后将温度降至室温，调节乳液pH至8.5，加入浓度为0.100g/mL自交联剂组分B的水溶液，继续搅拌30min，最后过滤出料。

上述的乙烯基类有机硅选自含乙烯基的有机硅低聚物中的四甲基二乙烯基二硅氧烷、四甲基四乙烯基环四硅氧烷、相对分子质量小于2000的端乙烯基硅油。

上述的自交联剂中的组分A为双丙酮丙烯酰胺；

所述的自交联剂中的组分B选自碳酸二酰肼、丙二酸二酰肼、丁二酸二酰肼、戊二酸二酰肼、己二酸二酰肼。

上述的助交联剂选自丙烯酸羟乙酯、甲基丙烯酸羟乙酯、丙烯酸羟丙酯、甲基丙烯酸羟丙酯、丙烯酸羟丁酯、甲基丙烯酸羟丁酯。

上述的乳化剂为烷基酚聚氧乙烯醚磺基琥珀酸单酯二钠盐与十二烷基硫酸钠的复配乳化剂，二者复配质量比为8：2。

上述的步骤一中所用的丙烯酸酯类单体为甲基丙烯酸甲酯、丙烯酸丁酯以及苯乙烯；

其中，甲基丙烯酸甲酯与丙烯酸丁酯物质的量之比为3：2，苯乙烯占整个制备过程中单体总量的5wt%。

上述的步骤二中所用的丙烯酸酯类单体为甲基丙烯酸甲酯、丙烯酸丁酯、甲基丙烯酸；

其中，甲基丙烯酸甲酯与丙烯酸丁酯物质的量之比为3：2，甲基丙烯酸占整个制备过程中单体总量的2wt%。

    本发明具有以下优点：

本发明采用预乳化半连续种子乳液聚合法将乙烯基类有机硅、自交联剂体系以及助交联剂与丙烯酸酯类单体进行共聚，制备了硅丙复合乳液，整个制备工艺稳定且简便易行，有利于大生产的实施。所得复合乳液单体转化率在96%以上，乳胶粒平均粒径在100nm以下，机械稳定性及贮存稳定性良好，其涂膜硬度高、最低成膜温度低，且具有极优异的遇水抗泛白性以及耐水性。用该复合乳液配制的内墙乳胶涂料成膜温度低，耐候性及附着力好，耐水耐碱性优良，耐洗刷次数远远超出国家优等品指标。

附图说明

图1为本发明乳液的粒径大小及分布测试结果。

具体实施方式

下面结合具体实施方式对本发明进行详细的说明。

实施例1：

原料的质量分数组成为：

单体                                         46wt%

其中：甲基丙烯酸甲酯                     46wt%

丙烯酸丁酯                         39wt%

苯乙烯                              5wt%

甲基丙烯酸                          2wt%

四甲基二乙烯基二硅氧烷              3wt%

双丙酮丙烯酰胺                     0.5wt%

己二酸二酰肼                       0.5wt%

丙烯酸羟丁酯                        4wt%

复合乳化剂

壬基酚聚氧乙烯醚磺基琥珀酸单酯二钠盐     1.6wt%

十二烷基硫酸钠                           0.4wt%

引发剂过硫酸铵                               1.0wt%

其余为去离子水；

其具体制备方法为：将30wt%的乳化剂用占预乳化单体总量35wt%去离子水溶解均匀，然后倒入预先混合均匀的四甲基二乙烯基二硅氧烷、双丙酮丙烯酰胺、丙烯酸羟丁酯、甲基丙烯酸、60wt%的甲基丙烯酸甲酯以及60wt%的丙烯酸丁酯混合液中，在乳化机上先以600rpm的速率低速乳化，待混合液呈乳白色均匀乳液后，再以2000rpm的速率高速乳化10min，制得单体预乳化液；向加热至40℃的反应器中加入剩余的乳化剂及占单体总量30wt%的去离子水，待乳化剂溶解均匀后加入苯乙烯、剩余未乳化的甲基丙烯酸甲酯以及丙烯酸丁酯混合液，搅拌30min后加入浓度0.018g/mL、占总引发剂用量35wt%的引发剂过流酸铵的水溶液，继续搅拌30min，再将温度升至80℃，待乳液泛蓝后，保温至冷凝管中无单体回流，制得种子乳液；保持种子乳液温度恒定，同时滴加单体预乳化液以及浓度为0.018g/mL的引发剂过硫酸铵的水溶液，3h内滴加完毕，保温60min，然后将温度升至85℃，继续保温60min后将温度降至室温，调节乳液pH至8.5左右，加入浓度为0.100g/mL己二酸二酰肼的水溶液，继续搅拌30min，最后过滤出料。

实施例2：

原料的质量分数组成为：

单体                                         48wt%

其中：甲基丙烯酸甲酯                     45wt%

丙烯酸丁酯                         38wt%

苯乙烯                              5wt%

甲基丙烯酸                          2wt%

乙烯基硅油DY-V401                  4wt%

双丙酮丙烯酰胺                      1wt%

己二酸二酰肼                        1wt%

丙烯酸羟乙酯                        4wt%

复合乳化剂            

壬基酚聚氧乙烯醚磺基琥珀酸单酯二钠盐     2.4wt%

十二烷基硫酸钠                           0.6wt%

引发剂过硫酸铵                               0.8wt%

其余为去离子水；

其具体制备方法为：将35wt%的复合乳化剂用占预乳化单体总量40wt%去离子水溶解均匀，然后倒入预先混合均匀的乙烯基硅油DY- V401、双丙酮丙烯酰胺、丙烯酸羟乙酯、甲基丙烯酸、65wt%的甲基丙烯酸甲酯以及65wt%的丙烯酸丁酯混合液中，在乳化机上先以800 rpm的速率低速乳化，待混合液呈乳白色均匀乳液后，再以1800 rpm的速率高速乳化10min，制得单体预乳化液；向加热至40℃的反应器中加入剩余的乳化剂及占单体总量30wt%的去离子水，待乳化剂溶解均匀后加入苯乙烯、剩余未乳化的甲基丙烯酸甲酯以及丙烯酸丁酯混合液，搅拌30min后加入浓度0.018g/mL、占总引发剂用量30wt%的引发剂过硫酸铵的水溶液，继续搅拌30min，再将温度升至80℃，待乳液泛蓝后，保温至冷凝管中无单体回流，制得种子乳液；保持种子乳液温度恒定，同时滴加单体预乳化液以及浓度为0.018g/mL的引发剂过硫酸铵的水溶液，2.5h内滴加完毕，保温60min，然后将温度升至85℃，继续保温60min后将温度降至室温，调节乳液pH至8.5左右，加入浓度为0.100g/mL己二酸二酰肼的水溶液，继续搅拌30min，最后过滤出料。

实施例3：

原料的质量分数组成为：

单体                                         48wt%

其中：甲基丙烯酸甲酯                     46wt%

丙烯酸丁酯                         39wt%

苯乙烯                              5wt%

甲基丙烯酸                          2wt%

四甲基四乙烯基环四硅氧烷            3wt%

双丙酮丙烯酰胺                      1wt%

丁二酸二酰肼                        1wt%

丙烯酸羟丙酯                        3wt%

复合乳化剂

壬基酚聚氧乙烯醚磺基琥珀酸单酯二钠盐     2.4wt%

十二烷基硫酸钠                           0.6wt%

引发剂过硫酸铵                               1.0wt%

其余为去离子水；

其具体制备方法为：将35wt%的乳化剂用占预乳化单体总量40wt%去离子水溶解均匀，然后倒入预先混合均匀的四甲基四乙烯基环四硅氧烷、双丙酮丙烯酰胺、丙烯酸羟丙酯、70wt%的甲基丙烯酸甲酯以及70wt%的丙烯酸丁酯混合液中，在乳化机上先以800rpm的速率低速乳化，待混合液呈乳白色均匀乳液后，再以2000rpm的速率高速乳化10min，制得单体预乳化液；向加热至40℃的反应器中加入剩余的乳化剂及占单体总量35wt%的去离子水，待乳化剂溶解均匀后加入苯乙烯、剩余未乳化的甲基丙烯酸甲酯以及丙烯酸丁酯混合液，搅拌30min后加入浓度0.018g/mL、占总引发剂用量35wt%的引发剂过硫酸铵的水溶液，继续搅拌30min，再将温度升至80℃，待乳液泛蓝后，保温至冷凝管中无单体回流，制得种子乳液；保持种子乳液温度恒定，同时滴加单体预乳化液以及浓度为0.018g/mL的引发剂过硫酸铵的水溶液，3h内滴加完毕，保温60min，然后将温度升至85℃，继续保温60min后将温度降至室温，调节乳液pH至8.5左右，加入浓度为0.100g/mL丁二酸二酰肼的水溶液，继续搅拌30min，最后过滤出料。

实施例4：

原料的质量分数组成为：

单体                                         48wt%

其中：甲基丙烯酸甲酯                     46wt%

丙烯酸丁酯                         40wt%

苯乙烯                              5wt%

甲基丙烯酸                          2wt%

四甲基二乙烯二硅氧烷                2wt%

双丙酮丙烯酰胺                    1.2wt%

丁二酸二酰肼                      0.8wt%

丙烯酸羟乙酯                       3wt%

复合乳化剂 

壬基酚聚氧乙烯醚磺基琥珀酸单酯二钠盐     2.0wt%

十二烷基硫酸钠                           0.5wt%

引发剂过硫酸铵                               0.8wt%

其余为去离子水；

其具体制备方法为：将30wt%的乳化剂用占预乳化单体总量40wt%去离子水溶解均匀，然后倒入预先混合均匀的四甲基二乙烯二硅氧烷、双丙酮丙烯酰胺、丙烯酸羟乙酯、甲基丙烯酸、70wt%的甲基丙烯酸甲酯以及70wt%的丙烯酸丁酯混合液中，在乳化机上先以800rpm的速率低速乳化，待混合液呈乳白色均匀乳液后，再以2000rpm的速率高速乳化10min，制得单体预乳化液；向加热至40℃的反应器中加入剩余的乳化剂及占单体总量35wt%的去离子水，待乳化剂溶解均匀后加入苯乙烯、剩余未乳化的甲基丙烯酸甲酯以及丙烯酸丁酯混合液，搅拌30min后加入浓度0.018g/mL、占中引发剂用量32wt%的引发剂过硫酸铵的水溶液，继续搅拌30min，再将温度升至80℃，待乳液泛蓝后，保温至冷凝管中无单体回流，制得种子乳液；保持种子乳液温度恒定，同时滴加单体预乳化液以及浓度为0.018g/mL的引发剂过硫酸铵的水溶液，2.5h内滴加完毕，保温60min，然后将温度升至85℃，继续保温60min后将温度降至室温，调节乳液pH至8.5左右，加入浓度为0.100g/mL丁二酸二酰肼的水溶液，继续搅拌30min，最后过滤出料。

本发明将乙烯基类有机硅、双组分自交联剂体系以及助交联剂与丙烯酸酯类单体通过半连续种子乳液聚合法共聚制备内墙乳胶涂料用硅丙复合乳液。乙烯基类有机硅、自交联体系以及助交联剂的引入极大提高了复合乳液涂膜的耐水性和抗泛白能力，并在不改变涂膜硬度的条件下降低了复合乳液的最低成膜温度。复合乳液具备的基本性能为：不挥发物含量大于46%，平均粒径小于100nm，粒径分布小于0.1（参见图1），pH值8.5左右；复合乳液冻融5次循环无异常（国标3次），钙离子稳定性测试（0.5%CaCl₂溶液）96h无分层、无沉淀、无絮凝（国标48h），3500rpm机械搅拌30min不破乳、无明显絮凝物（国标2500rpm，30min），贮存半年无硬块、无絮凝；复合乳液薄膜吸水率小于6%（国标小于8%），其涂膜（100??m涂布器涂布于玻璃板上并室温成膜）浸泡于0.1wt%的NaOH溶液中168h无气泡、无泛白、无溃烂现象。用该复合乳液配制的建筑内墙涂料表干时间小于2h，附着力小于2级，耐水性168h无异常，耐碱性96h无异常（国标48h），耐洗刷性大于2000次（国标优等品1000次）。

本发明的内容不限于实施例所列举，本领域普通技术人员通过阅读本发明说明书而对本发明技术方案采取的任何等效的变换，均为本发明的权利要求所涵盖。

Claims (7)

1.一种内墙乳胶涂料用耐水抗泛白硅丙复合乳液的制备方法，其特征在于：

由以下质量分数的原料制成：

单体                  （46～48）wt%

其中：

丙烯酸酯类单体           （90～95）wt%

乙烯基类有机硅             （2～5）wt%

自交联剂                   （1～2）wt%

助交联剂                   （2～5）wt%    

乳化剂                  （1～3）wt%

引发剂过硫酸铵       （0.6～1.0）wt%

其余为去离子水；

其中，自交联剂由组分A与组分B组成，二者物质的量之比为20：（16～25）；

具体步骤为：

步骤一：单体预乳化：

将部分乳化剂用部分去离子水溶解均匀，倒入预先混合均匀的乙烯基类有机硅、自交联剂组分A、助交联剂以及部分丙烯酸酯类单体的混合液中，在乳化机上先低速乳化，待混合液呈乳白色均匀乳液后，再高速乳化10min，得到单体预乳液；

其中，乳化剂用量为乳化剂总量的（25～35）wt%，去离子水用量为预乳化单体总量的（35～45）wt%，丙烯酸酯类单体用量为丙烯酸酯类单体总量的（60～70）wt%；

步骤二：种子乳液聚合：

在加热至40℃的反应器中，加入剩余的乳化剂及剩余的去离子水，待乳化剂溶解均匀后加入剩余未乳化的丙烯酸酯类单体的混合液，搅拌30min后加入浓度为0.018g/mL的引发剂过硫酸铵的水溶液，继续搅拌30min，再将温度升至80℃，待乳液泛蓝后，保温至冷凝管中无单体回流，即得种子乳液；

其中，引发剂过硫酸铵用量为引发剂总量的（25～35）wt%；

步骤三：半连续乳液聚合：

在种子乳液的基础上，保持温度恒定，同时滴加单体预乳液及浓度为0.018g/mL的引发剂过硫酸铵的水溶液，在2.5～3h内滴加完毕；保温60min，然后将温度升至85℃，继续保温60min后将温度降至室温，调节乳液pH至8.5，加入浓度为0.100g/mL自交联剂组分B的水溶液，继续搅拌30min，最后过滤出料。

2.根据权利要求1所述的一种内墙乳胶涂料用耐水抗泛白硅丙复合乳液的制备方法，其特征在于：

所述的乙烯基类有机硅选自含乙烯基的有机硅低聚物中的四甲基二乙烯基二硅氧烷、四甲基四乙烯基环四硅氧烷、相对分子质量小于2000的端乙烯基硅油。

3.根据权利要求1或2所述的一种内墙乳胶涂料用耐水抗泛白硅丙复合乳液的制备方法，其特征在于：

所述的自交联剂中的组分A为双丙酮丙烯酰胺；

所述的自交联剂中的组分B选自碳酸二酰肼、丙二酸二酰肼、丁二酸二酰肼、戊二酸二酰肼、己二酸二酰肼。

4.根据权利要求3所述的一种内墙乳胶涂料用耐水抗泛白硅丙复合乳液的制备方法，其特征在于：

所述的助交联剂选自丙烯酸羟乙酯、甲基丙烯酸羟乙酯、丙烯酸羟丙酯、甲基丙烯酸羟丙酯、丙烯酸羟丁酯、甲基丙烯酸羟丁酯。

5.根据权利要求4所述的一种内墙乳胶涂料用耐水抗泛白硅丙复合乳液的制备方法，其特征在于：

所述的乳化剂为烷基酚聚氧乙烯醚磺基琥珀酸单酯二钠盐与十二烷基硫酸钠的复配乳化剂，二者复配质量比为8：2。

6.根据权利要求5所述的一种内墙乳胶涂料用耐水抗泛白硅丙复合乳液的制备方法，其特征在于：

步骤一中所用的丙烯酸酯类单体为甲基丙烯酸甲酯、丙烯酸丁酯以及苯乙烯；

其中，甲基丙烯酸甲酯与丙烯酸丁酯物质的量之比为3：2，苯乙烯占整个制备过程中单体总量的5wt%。

7.根据权利要求6所述的一种内墙乳胶涂料用耐水抗泛白硅丙复合乳液的制备方法，其特征在于：

步骤二中所用的丙烯酸酯类单体为甲基丙烯酸甲酯、丙烯酸丁酯、甲基丙烯酸；

其中，甲基丙烯酸甲酯与丙烯酸丁酯物质的量之比为3：2，甲基丙烯酸占整个制备过程中单体总量的2wt%。

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