CN107573474A - 一种硅树脂改性的水性聚氨酯‑丙烯酸树脂乳液及其制备方法 - Google Patents
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Abstract
本发明公开了一种硅树脂改性的水性聚氨酯‑丙烯酸树脂乳液,由以下原料制备而成:丙烯酸树脂单体、异氰酸酯、乙烯基硅树脂、含双键的聚酯多元醇、饱和聚酯多元醇、蓖麻油、N,N‑二甲基甲酰胺、乙二胺、引发剂、催化剂、交联剂、亲水扩链剂、中和剂、阴‑非离子型反应性乳化剂和水。其制备方法如下:1)多元醇混合物的制备;2)聚氨酯预聚物的制备;3)聚氨酯中间体的制备;4)预乳液的制备;5)硅树脂改性的水性聚氨酯‑丙烯酸树脂乳液的制备。本发明的硅树脂改性的水性聚氨酯‑丙烯酸树脂乳液的稳定性好、环保安全、成本低,由它得到的涂膜附着性好、耐磨伤、高光、丰满度高、抗黏连性能优越、干燥速度快。
Description
技术领域
本发明涉及一种硅树脂改性的水性聚氨酯-丙烯酸树脂乳液及其制备方法。
背景技术
用在塑料制品上的涂料和油墨一般都是溶剂型的,用有机溶剂作为稀释剂,涂刷后会有大量的有机溶剂挥发到空气中,不仅污染大气环境、损坏人体健康,而且还会浪费大量资源。随着各国环保法规的完善和人们环保意识的增强,传统的溶剂型涂料和油墨已经难以再满足环保需求。水性涂料和油墨是目前的研究热点,它们以水为分散介质,不含或仅含少量有机溶剂,具有无毒、不易燃烧、不污染环境、安全可靠等优点,符合涂料工业的发展要求。
传统的水性丙烯酸具有附着力差、气味大、耐水耐溶剂性能差等缺陷,而传统的水性聚氨酯具有涂膜光泽度低、力学性能差等缺陷,这两者单独使用均难以满足发展要求。采用丙烯酸对聚氨酯进行改性,进行优势互补,是目前研究最为广泛的一种方法。目前,已有不少研究人员进行了相关的研究,但制备得到的产品均存在明显缺陷,难以工业应用,例如:
D.Dieterich在综述(D.Dieterich,Prog.Org.Coatings,9,281(1981))中公开了将聚丙烯酸酯分散体和聚氨酯分散体进行物理共混的方法,但该方法得到的共混体中存在丙烯酸和聚氨酯的明显相区,稳定性较差;
DE A1953348、EP A167188、EP A189945和EP A308115公开了在水性聚氨酯分散体中进行丙烯酸酯单体自由基聚合的方法,该方法得到的是聚氨酯和丙烯酸这两类聚合物链在分子水平上紧密混溶、链间相互缠绕以及次级分子间相互作用的杂合分散体,其物理机械性能、稳定性等方面均优于物理共混体,但其耐热性和耐溶剂性较差,难以工业化应用;
CN 102786637A公开了一种复合改性的水性聚氨酯树脂及其制备方法,采用蓖麻油、环氧树脂、丙烯酸酯等对聚氨酯树脂进行复合改性,由该复合改性的水性聚氨酯树脂制备的涂料在成膜过程中交联密度高、涂膜硬度高、光泽度高、耐水性好、耐溶剂性好,但其预聚物粘度过大,导致乳化时分散困难,乳液粒径大;
CN 101280053A公开了一种由可再生型多元醇制备丙烯酸改性水性聚氨酯的方法,将聚氨酯预聚物和丙烯酸类单体混合乳化后,采用乳液聚合的方法制备出具有网络互穿结构的聚氨酯乳液,这种乳液具有高耐候性、耐化学性、耐水性的优点,但乳液粒径较大,储存稳定性差;
CN 105418870A公开了一种蓖麻油/丙烯酸复合改性水性聚氨酯乳液及其制备方法,通过蓖麻油和多羟基丙烯酸树脂对水性聚氨酯进行改性,得到固体份含量30%wt~35%wt、具有交联结构的改性水性聚氨酯乳液,其力学性能、干性和耐水性能优异,耐湿热,但其耐溶剂性能较差。
发明内容
本发明的目的在于提供一种硅树脂改性的水性聚氨酯-丙烯酸树脂乳液及其制备方法。
本发明所采取的技术方案是:
一种硅树脂改性的水性聚氨酯-丙烯酸树脂乳液,由以下质量百分含量的原料制备而成:丙烯酸树脂单体:15%~30%;异氰酸酯:5%~15%;乙烯基硅树脂:0.5%~5%;含双键的聚酯多元醇:2%~10%;饱和聚酯多元醇:2%~10%;蓖麻油:1%~5%;N,N-二甲基甲酰胺:1%~3%;乙二胺:0.1%~1%;引发剂:0.05%~1%;催化剂:0.01%~0.1%;交联剂:0.05%~0.5%;亲水扩链剂:1%~3%;中和剂:0.5%~5%;阴-非离子型反应性乳化剂:0.5%~5%;水:余量。
所述的丙烯酸树脂单体为丙烯酸甲酯、丙烯酸乙酯、丙烯酸羟丙酯、丙烯酸正丁酯、丙烯酸异丁酯、丙烯酸异辛酯、甲基丙烯酸甲酯、甲基丙烯酸月桂酯、苯乙烯中的至少两种。
所述的丙烯酸树脂单体中软单体和硬单体的质量之比为1:(0.5~5)。
所述的异氰酸酯为异佛尔酮二异氰酸酯、甲苯二异氰酸酯中的至少一种。
所述的乙烯基硅树脂的数均分子量为1000~20000,M:Q=(0.8~1.6):1,乙烯基的质量百分数为0.3%~3%。
所述的含双键的聚酯多元醇的数均分子量为400~1000,所述的饱和聚酯多元醇的数均分子量为1000~4000。
所述的引发剂为过硫酸钾、过硫酸铵、偶氮二异丁腈中的至少一种。
所述的催化剂为二月桂酸二丁基锡。
所述的交联剂为三羟甲基丙烷。
所述的亲水扩链剂为二羟甲基丙酸、二羟甲基丁酸中的至少一种。
所述的中和剂为三乙醇胺、二乙醇胺、三乙胺、正丙胺中的至少一种。
所述的阴-非离子型反应性乳化剂为
上述硅树脂改性的水性聚氨酯-丙烯酸树脂乳液的制备方法,包括以下步骤:
1)将含双键的聚酯多元醇和饱和聚酯多元醇混合,抽真空除水,得到多元醇混合物;
2)加入蓖麻油、异氰酸酯和一部分催化剂,75~85℃反应1~3小时,得到聚氨酯预聚物;
3)加入亲水扩链剂、N,N-二甲基甲酰胺和剩余的催化剂,75~85℃反应至-NCO含量为2.6~3.6g/100g,降温至55~65℃,加入中和剂中和反应,再加入水、交联剂和乙二胺进行自乳化,得到聚氨酯中间体;
4)将丙烯酸树脂单体、乙烯基硅树脂和阴-非离子型反应性乳化剂混合均匀,再加入水,混合均匀,得到预乳液;
5)在步骤3)的聚氨酯中间体中加入部分引发剂,升温至75~90℃,加入步骤4)的预乳液和剩余的引发剂,恒温反应1~2小时,降温至30~45℃,再加入中和剂调节pH值为7~9,得到硅树脂改性的水性聚氨酯-丙烯酸树脂乳液。
本发明的有益效果是:本发明的硅树脂改性的水性聚氨酯-丙烯酸树脂乳液的稳定性好、环保安全、成本低,可以完全替代塑料、木器、金属、特种纸张表面处理用的传统油性涂层树脂,由它得到的涂膜附着性好、耐磨伤、高光、丰满度高、抗黏连性能优越、干燥速度快,不仅可以提高生产效率,还可以减少烘干所带来的能源消耗。
1)本发明以含双键的聚酯多元醇、饱和聚酯多元醇和蓖麻油为原料合成水性聚氨酯,通过含双键的聚酯多元醇在水性聚氨酯主链上引入双键,并预留适量的-NCO,使得预聚物的粘度适中,易于中和乳化,接枝反应时易于搅拌;
2)本发明以聚氨酯中间体、丙烯酸树脂单体和乙烯基硅树脂的预乳液为原料,在催化剂的作用下进行自由基乳液聚合,得到硅树脂改性的水性聚氨酯-丙烯酸树脂乳液,乳液中聚氨酯的质量百分数可调节范围广,乳液稳定性好,反应转化率高;
3)本发明的蓖麻油可以提高乳液成膜后的柔软性、耐水性、耐曲折性和耐寒性;
4)本发明的阴-非离子型反应性乳化剂可以提高乳液的稳定性、耐水性和干燥速度,可以降低乳液粒径,还可以降低泡沫的稳定性,减少泡沫;
5)本发明的乙烯基硅树脂可以提高乳液成膜后的光泽度、力学机械性能、耐水耐油污性和粘附性等;
6)本发明的硅树脂改性的水性聚氨酯-丙烯酸树脂乳液可以作为表面功能涂层树脂。
具体实施方式
一种硅树脂改性的水性聚氨酯-丙烯酸树脂乳液,由以下质量百分含量的原料制备而成:丙烯酸树脂单体:15%~30%;异氰酸酯:5%~15%;乙烯基硅树脂:0.5%~5%;含双键的聚酯多元醇:2%~10%;饱和聚酯多元醇:2%~10%;蓖麻油:1%~5%;N,N-二甲基甲酰胺:1%~3%;乙二胺:0.1%~1%;引发剂:0.05%~1%;催化剂:0.01%~0.1%;交联剂:0.05%~0.5%;亲水扩链剂:1%~3%;中和剂:0.5%~5%;阴-非离子型反应性乳化剂:0.5%~5%;水:余量。
优选的,一种硅树脂改性的水性聚氨酯-丙烯酸树脂乳液,由以下质量百分含量的原料制备而成:丙烯酸树脂单体:20%~25%;异氰酸酯:5%~8%;乙烯基硅树脂:1%~3%;含双键的聚酯多元醇:3%~6%;饱和聚酯多元醇:3%~6%;蓖麻油:1%~3%;N,N-二甲基甲酰胺:1.5%~2.5%;乙二胺:0.2%~0.6%;引发剂:0.1%~0.5%;催化剂:0.02%~0.05%;交联剂:0.1%~0.3%;亲水扩链剂:1.5%~2.5%;中和剂:1%~3.5%;阴-非离子型反应性乳化剂:1%~3%;水:余量。
优选的,所述的丙烯酸树脂单体为丙烯酸甲酯、丙烯酸乙酯、丙烯酸羟丙酯、丙烯酸正丁酯、丙烯酸异丁酯、丙烯酸异辛酯、甲基丙烯酸甲酯、甲基丙烯酸月桂酯、苯乙烯中的至少两种。
进一步优选的,所述的丙烯酸树脂单体由甲基丙烯酸甲酯、丙烯酸羟丙酯、丙烯酸异辛酯和苯乙烯按照质量比1:(0.4~10):(1~10):(1~15)组成。
再进一步优选的,所述的丙烯酸树脂单体由甲基丙烯酸甲酯、丙烯酸羟丙酯、丙烯酸异辛酯和苯乙烯按照质量比1:(1~7):(2~8):(2.6~12)组成。
优选的,所述的丙烯酸树脂单体中软单体和硬单体的质量之比为1:(0.5~5)。
进一步优选的,所述的丙烯酸树脂单体中软单体和硬单体的质量之比为1:(1~1.5)。
优选的,所述的异氰酸酯为异佛尔酮二异氰酸酯、甲苯二异氰酸酯中的至少一种。
优选的,所述的乙烯基硅树脂的数均分子量为1000~20000,M:Q=(0.8~1.6):1,乙烯基的质量百分数为0.3%~3%。
优选的,所述的含双键的聚酯多元醇的数均分子量为400~1000,所述的饱和聚酯多元醇的数均分子量为1000~4000。
优选的,所述的引发剂为过硫酸钾、过硫酸铵、偶氮二异丁腈中的至少一种。
优选的,所述的催化剂为二月桂酸二丁基锡。
优选的,所述的交联剂为三羟甲基丙烷。
优选的,所述的亲水扩链剂为二羟甲基丙酸、二羟甲基丁酸中的至少一种。
优选的,所述的中和剂为三乙醇胺、二乙醇胺、三乙胺、正丙胺中的至少一种。
优选的,所述的阴-非离子型反应性乳化剂为马来酸单仲醇聚氧乙烯醚(6EO)-2-羟基丙基磺酸钠,结构式为
上述硅树脂改性的水性聚氨酯-丙烯酸树脂乳液的制备方法,包括以下步骤:
1)将含双键的聚酯多元醇和饱和聚酯多元醇混合,抽真空除水,得到多元醇混合物;
2)加入蓖麻油、异氰酸酯和一部分催化剂,75~85℃反应1~3小时,得到聚氨酯预聚物;
3)加入亲水扩链剂、N,N-二甲基甲酰胺和剩余的催化剂,75~85℃反应至-NCO含量为2.6~3.6g/100g,降温至55~65℃,加入中和剂中和反应,再加入水、交联剂和乙二胺进行自乳化,得到聚氨酯中间体;
4)将丙烯酸树脂单体、乙烯基硅树脂和阴-非离子型反应性乳化剂混合均匀,再加入水,混合均匀,得到预乳液;
5)在步骤3)的聚氨酯中间体中加入部分引发剂,升温至75~90℃,加入步骤4)的预乳液和剩余的引发剂,恒温反应1~2小时,降温至30~45℃,再加入中和剂调节pH值为7~9,得到硅树脂改性的水性聚氨酯-丙烯酸树脂乳液。
下面结合具体实施例对本发明作进一步的解释和说明。
实施例1:
一种硅树脂改性的水性聚氨酯-丙烯酸树脂乳液,其原料组成如下表所示:
表1一种硅树脂改性的水性聚氨酯-丙烯酸树脂乳液的原料组成表
上述硅树脂改性的水性聚氨酯-丙烯酸树脂乳液的制备方法如下:
1)将含双键的聚酯多元醇和饱和聚酯多元醇混合,100℃抽真空2小时,得到多元醇混合物;
2)加入蓖麻油、异佛尔酮二异氰酸酯和1/3的二月桂酸二丁基锡,80℃反应2小时,得到聚氨酯预聚物;
3)加入二羟甲基丙酸、N,N-二甲基甲酰胺和剩余的二月桂酸二丁基锡,80℃反应至-NCO含量为3.0g/100g,降温至60℃,加入三乙醇胺中和反应,再加入2/5的去离子水、三羟甲基丙烷和乙二胺进行自乳化,得到聚氨酯中间体;
4)将丙烯酸树脂单体(由甲基丙烯酸甲酯、丙烯酸羟丙酯、丙烯酸异辛酯和苯乙烯按照质量比1:4:6:9组成,软单体和硬单体的质量比为1:1)、乙烯基硅树脂和马来酸单仲醇聚氧乙烯醚(6EO)-2-羟基丙基磺酸钠混合均匀,再加入剩余的去离子水,混合均匀,得到预乳液;
5)在步骤3)的聚氨酯中间体中加入1/3的过硫酸钾,升温至85℃,同时滴加步骤4)的预乳液和剩余的过硫酸钾所制备的过硫酸钾水溶液,3小时滴加完毕,恒温反应2小时,降温至40℃,再加入三乙醇胺调节pH值为7~8,得到硅树脂改性的水性聚氨酯-丙烯酸树脂乳液。
实施例2:
一种硅树脂改性的水性聚氨酯-丙烯酸树脂乳液,其原料组成如下表所示:
表2一种硅树脂改性的水性聚氨酯-丙烯酸树脂乳液的原料组成表
上述硅树脂改性的水性聚氨酯丙烯酸树脂乳液的制备方法,包括以下步骤:
1)将含双键的聚酯多元醇和饱和聚酯多元醇混合,110℃抽真空1小时,得到多元醇混合物;
2)加入蓖麻油、甲苯二异氰酸酯和1/3的二月桂酸二丁基锡,80℃反应3小时,得到聚氨酯预聚物;
3)加入二羟甲基丁酸、N,N-二甲基甲酰胺和剩余的二月桂酸二丁基锡,80℃反应至-NCO含量为3.5g/100g,降温至60℃,加入三乙胺中和反应,再加入2/5的去离子水、三羟甲基丙烷和乙二胺进行自乳化,得到聚氨酯中间体;
4)将丙烯酸树脂单体(由甲基丙烯酸甲酯、丙烯酸羟丙酯、丙烯酸异辛酯和苯乙烯按照质量比1:6:5:8组成,软单体和硬单体的质量比为9:11)、乙烯基硅树脂和马来酸单仲醇聚氧乙烯醚(6EO)-2-羟基丙基磺酸钠混合均匀,再加入剩余的去离子水,混合均匀,得到预乳液;
5)在步骤3)的聚氨酯中间体中加入1/3的过硫酸铵,升温至90℃,同时滴加步骤4)的预乳液和剩余的过硫酸铵所制备的过硫酸铵水溶液,4小时滴加完毕,恒温反应2小时,降温至30℃,再加入三乙胺调节pH值为7~8,得到硅树脂改性的水性聚氨酯-丙烯酸树脂乳液。
实施例3:
一种硅树脂改性的水性聚氨酯-丙烯酸树脂乳液,其原料组成如下表所示:
表3一种硅树脂改性的水性聚氨酯-丙烯酸树脂乳液的原料组成表
上述硅树脂改性的水性聚氨酯丙烯酸树脂乳液的制备方法,包括以下步骤:
1)将含双键的聚酯多元醇和饱和聚酯多元醇混合,110℃抽真空2小时,得到多元醇混合物;
2)加入蓖麻油、异佛尔酮二异氰酸酯和1/3的二月桂酸二丁基锡,80℃反应3小时,得到聚氨酯预聚物;
3)加入二羟甲基丁酸、N,N-二甲基甲酰胺和剩余的二月桂酸二丁基锡,80℃反应至-NCO含量为3.5g/100g,降温至55℃,加入三乙醇胺中和反应,再加入1/2的去离子水、三羟甲基丙烷和乙二胺进行自乳化,得到聚氨酯中间体;
4)将丙烯酸树脂单体(由甲基丙烯酸甲酯、丙烯酸羟丙酯、丙烯酸异辛酯和苯乙烯按照质量比1:3:8:12组成,软单体和硬单体的质量比为11:13)、乙烯基硅树脂和马来酸单仲醇聚氧乙烯醚(6EO)-2-羟基丙基磺酸钠混合均匀,再加入剩余的去离子水,混合均匀,得到预乳液;
5)在步骤3)的聚氨酯中间体中加入1/3的偶氮二异丁腈,升温至80℃,同时滴加步骤4)的预乳液和剩余的偶氮二异丁腈所制备的偶氮二异丁腈水溶液,3.5小时滴加完毕,恒温反应2小时,降温至45℃,再加入三乙醇胺调节pH值为7~8,得到硅树脂改性的水性聚氨酯-丙烯酸树脂乳液。
测试例:
对实施例1~3制备的硅树脂改性的水性聚氨酯-丙烯酸树脂乳液进行性能测试,并以市售水性聚氨酯乳液为对比例进行比较,测试结果如下表所示:
表4实施例1~3和对比例的乳液的性能测试结果
由表4可知:本发明的硅树脂改性的水性聚氨酯-丙烯酸树脂乳液在干性、硬度、光泽度、耐水性、耐醇性、耐湿热性等方面均要明显优于市售水性聚氨酯乳液,而且在耐水性方面尤为突出。
上述实施例为本发明较佳的实施方式,但本发明的实施方式并不受上述实施例的限制,其他的任何未背离本发明的精神实质与原理下所作的改变、修饰、替代、组合、简化,均应为等效的置换方式,都包含在本发明的保护范围之内。
Claims (10)
1.一种硅树脂改性的水性聚氨酯-丙烯酸树脂乳液,其特征在于:由以下质量百分含量的原料制备而成:丙烯酸树脂单体:15%~30%;异氰酸酯:5%~15%;乙烯基硅树脂:0.5%~5%;含双键的聚酯多元醇:2%~10%;饱和聚酯多元醇:2%~10%;蓖麻油:1%~5%;N,N-二甲基甲酰胺:1%~3%;乙二胺:0.1%~1%;引发剂:0.05%~1%;催化剂:0.01%~0.1%;交联剂:0.05%~0.5%;亲水扩链剂:1%~3%;中和剂:0.5%~5%;阴-非离子型反应性乳化剂:0.5%~5%;水:余量。
2.根据权利要求1所述的硅树脂改性的水性聚氨酯-丙烯酸树脂乳液,其特征在于:由以下质量百分含量的原料制备而成:丙烯酸树脂单体:20%~25%;异氰酸酯:5%~8%;乙烯基硅树脂:1%~3%;含双键的聚酯多元醇:3%~6%;饱和聚酯多元醇:3%~6%;蓖麻油:1%~3%;N,N-二甲基甲酰胺:1.5%~2.5%;乙二胺:0.2%~0.6%;引发剂:0.1%~0.5%;催化剂:0.02%~0.05%;交联剂:0.1%~0.3%;亲水扩链剂:1.5%~2.5%;中和剂:1%~3.5%;阴-非离子型反应性乳化剂:1%~3%;水:余量。
3.根据权利要求1或2所述的硅树脂改性的水性聚氨酯-丙烯酸树脂乳液,其特征在于:所述的丙烯酸树脂单体为丙烯酸甲酯、丙烯酸乙酯、丙烯酸羟丙酯、丙烯酸正丁酯、丙烯酸异丁酯、丙烯酸异辛酯、甲基丙烯酸甲酯、甲基丙烯酸月桂酯、苯乙烯中的至少两种。
4.根据权利要求3所述的硅树脂改性的水性聚氨酯-丙烯酸树脂乳液,其特征在于:所述的丙烯酸树脂单体中软单体和硬单体的质量之比为1:(0.5~5)。
5.根据权利要求1或2所述的硅树脂改性的水性聚氨酯-丙烯酸树脂乳液,其特征在于:所述的异氰酸酯为异佛尔酮二异氰酸酯、甲苯二异氰酸酯中的至少一种。
6.根据权利要求1或2所述的硅树脂改性的水性聚氨酯-丙烯酸树脂乳液,其特征在于:所述的乙烯基硅树脂的数均分子量为1000~20000,M:Q=(0.8~1.6):1,乙烯基的质量百分数为0.3%~3%。
7.根据权利要求1或2所述的硅树脂改性的水性聚氨酯-丙烯酸树脂乳液,其特征在于:所述的含双键的聚酯多元醇的数均分子量为400~1000,所述的饱和聚酯多元醇的数均分子量为1000~4000。
8.根据权利要求1或2所述的硅树脂改性的水性聚氨酯-丙烯酸树脂乳液,其特征在于:所述的引发剂为过硫酸钾、过硫酸铵、偶氮二异丁腈中的至少一种;所述的催化剂为二月桂酸二丁基锡;所述的交联剂为三羟甲基丙烷;所述的亲水扩链剂为二羟甲基丙酸、二羟甲基丁酸中的至少一种;所述的中和剂为三乙醇胺、二乙醇胺、三乙胺、正丙胺中的至少一种。
9.根据权利要求1或2所述的硅树脂改性的水性聚氨酯-丙烯酸树脂乳液,其特征在于:所述的阴-非离子型反应性乳化剂为
10.权利要求1或2所述的硅树脂改性的水性聚氨酯-丙烯酸树脂乳液的制备方法,其特征在于:包括以下步骤:
1)将含双键的聚酯多元醇和饱和聚酯多元醇混合,抽真空除水,得到多元醇混合物;
2)加入蓖麻油、异氰酸酯和一部分催化剂,75~85℃反应1~3小时,得到聚氨酯预聚物;
3)加入亲水扩链剂、N,N-二甲基甲酰胺和剩余的催化剂,75~85℃反应至-NCO含量为2.6~3.6g/100g,降温至55~65℃,加入中和剂中和反应,再加入水、交联剂和乙二胺进行自乳化,得到聚氨酯中间体;
4)将丙烯酸树脂单体、乙烯基硅树脂和阴-非离子型反应性乳化剂混合均匀,再加入水,混合均匀,得到预乳液;
5)在步骤3)的聚氨酯中间体中加入部分引发剂,升温至75~90℃,加入步骤4)的预乳液和剩余的引发剂,恒温反应1~2小时,降温至30~45℃,再加入中和剂调节pH值为7~9,得到硅树脂改性的水性聚氨酯-丙烯酸树脂乳液。
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