CN106590138A - 用于低温固化水性涂料的金属离子交联剂及制备方法 - Google Patents
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Abstract
本发明公开了一种用于低温固化水性涂料的金属离子交联剂及制备方法，所述金属离子交联剂的分子结构式如下：
Description
技术领域
本发明属于新型化合物领域，涉及一种新的水性涂料交联剂及其合成方法，具体涉及一种用于低温固化水性涂料的金属离子交联剂及制备方法。
背景技术
环境问题是全球面临的重大问题，减少大气污染物的排放是目前工业生产首要关注的问题，涂料作为大气污染物排放最主要的污染源，溶剂型涂料已经被时代所淘汰。近年来，发展水性涂料为溶剂型涂料的替代品成为了工作的中心。由于水性涂料以水为溶剂，在许多方面都存在着或多或少的问题。如何提高水性涂料的性能成为了水性涂料的工作重心。
水性涂料的固化相比于溶剂型涂料比较困难，因为水为溶剂，水的熔点比溶剂型涂料所用溶剂的熔点要高很多，所以水性涂料的固化比较困难。通常需要提高固化温度和延长固化时间，从而造成了不必要的资源浪费。而且水性涂料以水为溶剂，水的表面张力大，对基材的润湿性比传统溶剂差很多，不易在基材表面粘附。从而造成了水性涂料在基材表面附着力差，无法发挥涂料应该具有的性能。
金属离子交联是发展最早的一种交联类型，在溶剂型涂料中应用也相对广泛，并且所得的涂层具有优异的性能。在水性涂料日渐兴盛的今天，金属离子交联逐渐被摒弃，主要是因为金属离子的加入会使水性涂料乳液破乳，从而使水性涂料稳定性变差。同时金属离子在水中极不稳定，容易沉降。本文使用金属离子的配位作用，将金属离子制备成可以溶于水的金属离子螯合物作为水性涂料的交联剂，可以完全改善金属离子在水中的稳定性，同时又不会失去金属离子本身的交联作用。同时螯合交联可以提高涂层的交联密度、交联速度，同时可以保证水性涂料在较低的温度下固化，金属离子交联也可以改善聚合物乳液普遍存在的一些问题。所以说，金属离子交联及众多优点于一身，是水性涂料的新型固化方式。
水性涂料相较于溶剂型涂料固化所消耗的能量要高得多，这样必然会引起能源的过度消耗。所以促使水性涂料在较低的温度下固化具有很大的现实意义。要想实现水性涂料的低温固化必须寻求一种交联固化剂可以使水性树脂乳液在较低的温度下交联。
发明内容
解决的技术问题：为了克服现有技术的缺陷，获得一种原料选取范围广，性能优异，制备方法简单，能够实现低温固化和延长耐盐雾时间的金属离子交联剂，本发明并提供了一种用于低温固化水性涂料的金属离子交联剂的制备方法。
技术方案：一种用于低温固化水性涂料的金属离子交联剂，所述金属离子交联剂的分子结构式如下：
其中，中心离子M为具有空的低能轨道的金属离子或原子，螯合剂为具有两个或两
个以上羟基配位原子的化合物，R，R3为长链烷基，R2为0或1个C原子的烷基。
优选的，所述金属离子交联剂为钛离子、锆离子、锌离子、铁离子或铝离子。
优选的，所述螯合剂为多元醇。
优选的，所述多元醇为乙二醇、丙二醇、丙三醇、1,2-丁二醇中的任一种。
进一步的，螯合剂与中心离子的比例为2:1与3:1之间的任一摩尔比。
一种用于低温固化水性涂料的金属离子交联剂的制备方法，采用中心离子金属盐和螯合剂在一定pH和温度下进行螯合反应，所得产物即为金属离子螯合物，具体步骤如下：
第一阶段、在60～80℃将螯合剂放入三口烧瓶中，调节pH为6.5～7.5之间，以1000～3000r/min速度均匀搅拌，回流反应0.5～2h进行预热。
第二阶段、通入保护气体N2，并将温度升温至80～100℃，缓慢加入金属离子，以1000～3000r/min速度均匀搅拌，回流反应3～5h，停止搅拌，静置1～5h，待冷却至室温转移到烧杯中，即得金属离子交联剂。
以螯合剂为乙二醇为例，所述一种用于低温固化水性涂料的金属离子交联剂制备方法的反应原理为：
其中，M为中心金属离子，R为烷氧基。
有益效果：
(1)本发明的金属离子交联剂是通过金属盐和螯合剂交换烷氧基制备所得，其原料简单易得，制备方法简便易行，反应条件方便易控；
(2)本发明的金属离子交联剂是通过与树脂表面亲水基团反应交联来固化涂料的，所以所得到的涂层表面疏水性增强，防腐蚀效果增加；
(3)将本发明的金属离子交联剂应用到水性涂料中可以显著降低涂料的固化温度，实现水性涂料的低温交联；
(4)将本发明的金属离子交联剂应用到水性涂料中可以显著提高涂层的防腐蚀性能，其耐盐雾实验最高可达1300h。
具体实施方式
以下实施例进一步说明本发明的内容，但不应理解为对本发明的限制。在不背离本发明精神和实质的情况下，对本发明方法、步骤或条件所作的修改和替换，均属于本发明的范围。若未特别指明，实施例中所用的技术手段为本领域技术人员所熟知的常规手段。
实施例1
一种用于低温固化水性涂料的金属离子交联剂，所述金属离子交联剂的分子结构式如下：
其中，中心离子M为锌离子，螯合剂为乙二醇。
一种用于低温固化水性涂料的金属离子交联剂的制备方法，具体步骤如下：
步骤1、在60℃将乙二醇放入三口烧瓶中，调节pH为6.5，以1000r/min的速度均匀搅拌，回流反应0.5h进行预热。
步骤2、通入保护气体N2，并将温度升温至80℃，缓慢加入锌离子，以1000r/min的速度均匀搅拌，回流反应3h，停止搅拌，静置1h，待冷却至室温转移到烧杯中，即得锌离子金属螯合物。
实施例2
一种用于低温固化水性涂料的金属离子交联剂，所述金属离子交联剂的分子结构式如下：
其中，中心离子M为锌离子，螯合剂为丙二醇。
一种用于低温固化水性涂料的金属离子交联剂的制备方法，具体步骤如下：
步骤1、在80℃将丙二醇放入三口烧瓶中，调节pH为6.5，以2000r/min速度均匀搅拌，回流反应2h进行预热。
步骤2、通入保护气体N2，并将温度升温至85℃，缓慢加入锌离子，以2000r/min速度均匀搅拌，回流反应5h，停止搅拌，静置3h，待样品冷却至室温转移到烧杯中，即得锌离子金属螯合物。
实施例3
一种用于低温固化水性涂料的金属离子交联剂，所述金属离子交联剂的分子结构式如下：
其中，中心离子M为锆离子，螯合剂为乙二醇。
一种用于低温固化水性涂料的金属离子交联剂的制备方法，具体步骤如下：
步骤1、在70℃将乙二醇放入三口烧瓶中，调节pH为7，以3000r/min速度均匀搅拌，回流反应0.5h进行预热。
步骤2、通入保护气体N2，并将温度升温至85℃，缓慢加入锆离子，以r/min速度均匀搅拌，回流反应5h，停止搅拌，静置5h，待样品冷却至室温转移到烧杯中，即得锆离子金属螯合物。
实施例4
一种用于低温固化水性涂料的金属离子交联剂，所述金属离子交联剂的分子结构式如下：
其中，中心离子M为锆离子，螯合剂为丙三醇。
一种用于低温固化水性涂料的金属离子交联剂的制备方法，具体步骤如下：
第一阶段、在65℃将丙三醇放入三口烧瓶中，调节pH为7，以2500r/min速度均匀搅拌，回流反应1h进行预热。
第二阶段、通入保护气体N2，并将温度升温至80℃，缓慢加入锆离子，以2500r/min速度均匀搅拌，回流反应3h，停止搅拌，静置3h，待样品冷却至室温转移到烧杯中，即得锆离子金属螯合物。
实施例5
一种用于低温固化水性涂料的金属离子交联剂，所述金属离子交联剂的分子结构式如下：
其中，中心离子M为铝离子，螯合剂为乙二醇。
一种用于低温固化水性涂料的金属离子交联剂的制备方法，具体步骤如下：
第一阶段、在60℃将乙二醇放入三口烧瓶中，调节pH为7.5，以1500r/min速度均匀搅拌，回流反应0.5h进行预热。
第二阶段、通入保护气体N2，并将温度升温至100℃，缓慢加入铝离子，以1500r/min速度均匀搅拌，回流反应3h，停止搅拌，静置1h，待样品冷却至室温转移到烧杯中，即得铝离子金属螯合物。
实施例6
一种用于低温固化水性涂料的金属离子交联剂，所述金属离子交联剂的分子结构式如下：
其中，中心离子M为锌离子，螯合剂为1,2-丁二醇。
一种用于低温固化水性涂料的金属离子交联剂的制备方法，具体步骤如下：
第一阶段、在60℃将1,2-丁二醇放入三口烧瓶中，调节pH为7，以一定速度均匀搅拌，回流反应0.5h进行预热。
第二阶段、通入保护气体N2，并将温度升温至90℃，缓慢加入钛离子，以一定速度均匀搅拌，回流反应4h，停止搅拌，静置2h，待样品冷却至室温转移到烧杯中，即得钛离子金属螯合物。
将实施例1～6制备获得的用于低温固化水性涂料的金属离子交联剂用于如下组分的水性涂料中，水性环氧树脂(市售)50％，水24％，金属离子交联剂10％，成膜助剂(乙醇:丁醇:乙二醇丁醚＝10:5:1)3％，防腐填料(磷酸锌:钼酸锌:三聚磷酸铝:钛白粉:滑石粉＝3:3:2:1:1)10％，平滑剂1％，消泡剂1％，防闪锈剂1％。
将上述水性涂料涂覆与冷轧钢板上，在50℃固化5h即可。
上述涂料形成涂层后进行盐雾试验测试，结果如下表所示：
以上所述，仅为本发明较佳的具体实施方式。当然，本发明还可有其它多种实施例，在不背离本发明精神及其实质的情况下，任何熟悉本技术领域的技术人员，当可根据本发明作出各种相应的等效改变和变形，都应属于本发明所附的权利要求的保护范围。
Claims (6)
1.一种用于低温固化水性涂料的金属离子交联剂，其特征在于，所述金属离子交联剂的分子结构式如下：
其中，中心离子M为具有空的低能轨道的金属离子，螯合剂为具有两个或两个以上羟基的配位原子的化合物，R，R3为长链烷基，R2为0或1个C原子的烷基。
2.根据权利要求1所述的一种用于低温固化水性涂料的金属离子交联剂，其特征在于，所述金属离子交联剂为钛离子、锆离子、锌离子、铁离子或铝离子。
3.根据权利要求1所述的一种用于低温固化水性涂料的金属离子交联剂，其特征在于，所述螯合剂为多元醇。
4.根据权利要求3所述的一种用于低温固化水性涂料的金属离子交联剂，其特征在于，所述多元醇为乙二醇、丙二醇、丙三醇、1,2-丁二醇中的任一种。
5.根据权利要求1所述的一种用于低温固化水性涂料的金属离子交联剂，其特征在于，所述的螯合剂与中心离子的比例为2:1与3:1之间的任一摩尔比。
6.一种如权利要求1～5任一项所述的用于低温固化水性涂料的金属离子交联剂的制备方法，其特征在于，具体步骤如下：
步骤1、在60～80℃将螯合剂放入三口烧瓶中，调节pH为6.5～7.5之间，以1000～3000r/min速度均匀搅拌，回流反应0.5～2h进行预热；
步骤2、通入保护气体N2，并将温度升温至80～100℃，缓慢加入金属离子，以1000～3000r/min速度均匀搅拌，回流反应3～5h，停止搅拌，静置1～5h，待冷却至室温转移到烧杯中，即得金属离子螯合物。
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