CN107760189A - 一种环保型水性涂料的制备方法 - Google Patents

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Abstract

本发明公开一种环保型水性涂料的制备方法，本发明以聚醚二醇N220、甲苯二异氰酸酯和二羧甲基丙酸为原料制备聚氨酯乳液；以5份丙烯酸、2～2.2份丙烯酰胺、0.5～0.9份甲基丙烯酸甲酯、2份苯乙烯、0.3～0.6份丙烯酸已酯为单体，将单体加入10份质量份数为0.01％的过硫酸铵水溶液中反应，反应过程中逐渐增加水，然后将加入到聚氨酯乳液中，搅拌乳化并以SAC‑100与N,N‑亚甲基双丙烯酰胺的混合物为交联剂继续进行反应，制备出丙烯酸聚氨酯乳液，将30～45份丙烯酸聚氨酯乳液、3～5份纳米二氧化钛、4～5份固化剂、10～12份颜料、2～3份分散剂、15～20份填料和55～75份水混合均匀得到水性涂料；本发明解决了丙烯酸乳液与聚氨酯乳液存在体系相容性差的问题。

Description

一种环保型水性涂料的制备方法
技术领域
本发明属于涂料领域，具体涉及一种环保型水性涂料的制备方法。
背景技术
随着全球对环保意识的增强，以及对化工涂料行业有害物质限制标准日趋严格，加之室内外空气质量国标相继出台，一些挥发性有机化合物(VOC)含量高的溶剂型涂料面临着很大的挑战。因此，水性涂料基于其环保、低VOC排放的特点，是目前研发的热点和重点，具有广泛的应用前景。
水性聚氨酯分散体是制备水性木器及工业涂料的成膜物质，其制备方法通常有外乳化法和自乳化法。外乳化法是指:将聚氨酯预聚物缓慢加入到含有乳化剂的水中，形成粒径较粗的乳胶粒，再经过均化器均化，形成粒径较细的乳液。该方法制备的水性聚氨酯分散体稳定性较差。因此，目前水性聚氨酯分散体的制备方法多采用自乳化的方式。自乳化法是指在聚氨酯聚合物主链段上引入适当的亲水基团，经过中和成盐，进而分散于水中而形成水性聚氨酯分散体。对于水性聚氨酯分散体而言，固含量低、涂膜的耐水性差、耐化学品性和耐溶剂性不良、成本高等问题一直是限制着水性聚氨醋发展的主要原因。现有研究中，通常采丙烯酸树脂或者丙烯酸乳液与聚氨酯体系结合来解决这类问题，但丙烯酸乳液与聚氨酯乳液存在体系相容性差，容易分层的问题。
发明内容
本发明提供一种环保型水性涂料的制备方法，通过将水性聚氨酯的预聚乳液加入丙烯酸体系的乳液中，然后采用交联剂交联聚氨酯和丙烯酸类聚合物，用以解决丙烯酸乳液与聚氨酯乳液存在体系相容性差，容易分层的问题。
为解决上述技术问题，本发明采用如下技术方案：
一种环保型水性涂料的制备方法，包括以下步骤：
S1.按重量份数计，将10份聚醚二醇N220加热到72℃，然后在氮气保护下向聚醚二醇中逐渐加入19～21份甲苯二异氰酸酯，反应1.5h后加入入2～2.4份二羧甲基丙酸，继续反应1h，反应结束后得到预聚乳液；
S2.按重量份数计，将5份丙烯酸、2～2.2份丙烯酰胺、0.5～0.9份甲基丙烯酸甲酯、2份苯乙烯、0.3～0.6份丙烯酸已酯、加入10份质量份数为0.01％的过硫酸铵水溶液中，然后搅拌并加热至45～47℃，然后每隔5min加入3份温度为46℃的水，2h后停止加水，然后加入室温状态下的预聚乳液中，再以1000～1500r/min的转速搅拌30min，搅拌过程中加入0.1～0.12份过硫酸铵、0.15～0.21份交联剂，将转速调至500～700r/min，将反应温度升至50℃，反应1h后加入三乙胺中和，然后加入2～2.5份乙二胺，继续反应1h，反应结束后冷却至室温得到丙烯酸聚氨酯乳液；
S3.按重量份数计，将30～45份丙烯酸聚氨酯乳液、3～5份纳米二氧化钛、4～5份固化剂、10～12份颜料、2～3份分散剂、15～20份填料和55～75份水混合均匀得到水性涂料。
进一步地，所述交联剂为SAC-100与N,N-亚甲基双丙烯酰胺的混合物，所述SAC-100与N,N-亚甲基双丙烯酰胺的质量比为8～10:1。
进一步地，所述聚醚二醇N220经过预处理，预处理方法为：将聚醚二醇N220在70℃和0.5Mpa条件下减压蒸馏去除水分。
进一步地，所述纳米二氧化钛的粒径为20～80nm。
进一步地，所述固化剂为封闭型多氰酸酯。
本发明的有益效果：
(1)本发明甲苯二异氰酸酯的-NCO基团与聚醚二醇N220的-OH基团的比例控制在2左右，避免NCO基团比例过高导致预聚乳液的亲水性变差，因为NCO基团比例过高时产物中的脲基增多，而脲基本身的亲水性差，会导致预聚乳液的亲水性变差，本发明以二羧甲基丙酸引入羧基和羟基增强预聚乳液的亲水性，有利于预聚乳液在丙烯酸类聚合物水溶液体系中分散均匀，有利于加强丙烯酸乳液与聚氨酯乳液的相容性。
(2)本发明以丙烯酸、丙烯酰胺、甲基丙烯酸甲酯、苯乙烯和丙烯酸已酯为单体，以少量的引发剂先引发聚合，使得部分单体共聚形成长链，形成丙烯酸类聚合物水溶液，加入预聚乳液后，亲水性良好的预聚乳液能够均匀地分散在丙烯酸类聚合物水溶液中，丙烯酸类聚合物长链与预聚乳液中聚氨酯链在搅拌作用下容易发生纠缠，使得聚氨酯链与丙烯酸类聚合物长链初步结合，然后加入交联剂和引发剂使得反应进一步进行，交联剂使得聚氨酯链与丙烯酸链之间相互连接，形成一个完整的网络结构，从而解决解决丙烯酸乳液与聚氨酯乳液存在体系相容性的问题。
(3)本发明交联剂为SAC-100与N,N-亚甲基双丙烯酰胺的混合物，N,N-亚甲基双丙烯酰胺能够交联丙烯酸类聚合物链，使得丙烯酸类聚合物链形成较为完整的丙烯酸聚合物网络的骨架结构，SAC-100交联剂能够同时交联聚氨酯链和丙烯酸聚合物链，能够有效地将聚氨酯链连接在丙烯酸类聚合物链的网络上，同时SAC-100交联剂使得聚氨酯链与丙烯酸链的纠缠更加严重，强化聚氨酯乳液与丙烯酸乳液之间的结合。
(4)本发明与传统的丙酮法制备丙烯酸聚氨酯乳液涂料相比，有机溶剂用量更小，更加安全环保；本发明制备的丙烯酸聚氨酯乳液相容性良好，可长久保存，不易分层。
(5)本发明通过控制单体的比例制备出综合性能良好的水性涂料，具有优异的柔韧性和耐水性，且本发明中加入有纳米二氧化钛，使得本发明具有杀菌抑菌效果。
具体实施方式
为便于更好地理解本发明，通过以下实例加以说明，这些实例属于本发明的保护范围，但不限制本发明的保护范围。
实施例1
一种环保型水性涂料的制备方法，包括以下步骤：
S1.将聚醚二醇N220在70℃和0.5Mpa条件下减压蒸馏去除水分，按重量份数计，将10份聚醚二醇N220加热到72℃，然后在氮气保护下向聚醚二醇中逐渐加入19份甲苯二异氰酸酯，反应1.5h后加入入2.4份二羧甲基丙酸，继续反应1h，反应结束后得到预聚乳液；
S2.按重量份数计，将5份丙烯酸、2.1份丙烯酰胺、0.6份甲基丙烯酸甲酯、2份苯乙烯、0.5份丙烯酸已酯、加入10份质量份数为0.01％的过硫酸铵水溶液中，然后搅拌并加热至47℃，然后每隔5min加入3份温度为46℃的水，2h后停止加水，然后加入室温状态下的预聚乳液中，再以1500r/min的转速搅拌30min，搅拌过程中加入0.1份过硫酸铵、0.135份SAC-100和0.015份N,N-亚甲基双丙烯酰胺，将转速调至600r/min，将反应温度升至50℃，反应1h后加入三乙胺中和，然后加入2.4份乙二胺，继续反应1h，反应结束后冷却至室温得到丙烯酸聚氨酯乳液；
S3.按重量份数计，将32份丙烯酸聚氨酯乳液、4份粒度为20nm的纳米二氧化钛、4份封闭型多氰酸酯、12份颜料、2.5份分散剂、17份填料和55份水混合均匀得到水性涂料。
实施例2
一种环保型水性涂料的制备方法，包括以下步骤：
S1.将聚醚二醇N220在70℃和0.5Mpa条件下减压蒸馏去除水分，按重量份数计，将10份聚醚二醇N220加热到72℃，然后在氮气保护下向聚醚二醇中逐渐加入20份甲苯二异氰酸酯，反应1.5h后加入入2份二羧甲基丙酸，继续反应1h，反应结束后得到预聚乳液；
S2.按重量份数计，将5份丙烯酸、2.2份丙烯酰胺、0.5份甲基丙烯酸甲酯、2份苯乙烯、0.3份丙烯酸已酯、加入10份质量份数为0.01％的过硫酸铵水溶液中，然后搅拌并加热至45℃，然后每隔5min加入3份温度为46℃的水，2h后停止加水，然后加入室温状态下的预聚乳液中，再以1000r/min的转速搅拌30min，搅拌过程中加入0.11份过硫酸铵、0.187份SAC-100与0.023份N,N-亚甲基双丙烯酰胺，将转速调至500r/min，将反应温度升至50℃，反应1h后加入三乙胺中和，然后加入2份乙二胺，继续反应1h，反应结束后冷却至室温得到丙烯酸聚氨酯乳液；
S3.按重量份数计，将30份丙烯酸聚氨酯乳液、5份粒度为80nm的纳米二氧化钛、4.3份封闭型多氰酸酯、10份颜料、2份分散剂、15份填料和75份水混合均匀得到水性涂料。
实施例3
一种环保型水性涂料的制备方法，包括以下步骤：
S1.将聚醚二醇N220在70℃和0.5Mpa条件下减压蒸馏去除水分，按重量份数计，将10份聚醚二醇N220加热到72℃，然后在氮气保护下向聚醚二醇中逐渐加入21份甲苯二异氰酸酯，反应1.5h后加入入2.2份二羧甲基丙酸，继续反应1h，反应结束后得到预聚乳液；
S2.按重量份数计，将5份丙烯酸、2份丙烯酰胺、0.9份甲基丙烯酸甲酯、2份苯乙烯、0.6份丙烯酸已酯、加入10份质量份数为0.01％的过硫酸铵水溶液中，然后搅拌并加热至447℃，然后每隔5min加入3份温度为46℃的水，2h后停止加水，然后加入室温状态下的预聚乳液中，再以1300r/min的转速搅拌30min，搅拌过程中加入0.12份过硫酸铵、0.182份SAC-100与0.018份N,N-亚甲基双丙烯酰胺，将转速调至700r/min，将反应温度升至50℃，反应1h后加入三乙胺中和，然后加入2.5份乙二胺，继续反应1h，反应结束后冷却至室温得到丙烯酸聚氨酯乳液；
S3.按重量份数计，将45份丙烯酸聚氨酯乳液、3份粒度为40nm的纳米二氧化钛、5份封闭型多氰酸酯、11份颜料、3份分散剂、20份填料和68份水混合均匀得到水性涂料。
实施例4
一种环保型水性涂料的制备方法，包括以下步骤：
S1.将聚醚二醇N220在70℃和0.5Mpa条件下减压蒸馏去除水分，按重量份数计，将10份聚醚二醇N220加热到72℃，然后在氮气保护下向聚醚二醇中逐渐加入19份甲苯二异氰酸酯，反应1.5h后加入入2.3份二羧甲基丙酸，继续反应1h，反应结束后得到预聚乳液；
S2.按重量份数计，将5份丙烯酸、2.1份丙烯酰胺、0.7份甲基丙烯酸甲酯、2份苯乙烯、0.45份丙烯酸已酯、加入10份质量份数为0.01％的过硫酸铵水溶液中，然后搅拌并加热至47℃，然后每隔5min加入3份温度为46℃的水，2h后停止加水，然后加入室温状态下的预聚乳液中，再以1500r/min的转速搅拌30min，搅拌过程中加入0.1份过硫酸铵、0.133份SAC-100与0.017份N,N-亚甲基双丙烯酰胺，将转速调至550r/min，将反应温度升至50℃，反应1h后加入三乙胺中和，然后加入2.3份乙二胺，继续反应1h，反应结束后冷却至室温得到丙烯酸聚氨酯乳液；
S3.按重量份数计，将40份丙烯酸聚氨酯乳液、4份粒度为50nm的纳米二氧化钛、4.2份封闭型多氰酸酯、11份颜料、2.3份分散剂、17份填料和60份水混合均匀得到水性涂料。
实施例5
一种环保型水性涂料的制备方法，包括以下步骤：
S1.将聚醚二醇N220在70℃和0.5Mpa条件下减压蒸馏去除水分，按重量份数计，将10份聚醚二醇N220加热到72℃，然后在氮气保护下向聚醚二醇中逐渐加入21份甲苯二异氰酸酯，反应1.5h后加入入2.1份二羧甲基丙酸，继续反应1h，反应结束后得到预聚乳液；
S2.按重量份数计，将5份丙烯酸、2份丙烯酰胺、0.9份甲基丙烯酸甲酯、2份苯乙烯、0.3份丙烯酸已酯、加入10份质量份数为0.01％的过硫酸铵水溶液中，然后搅拌并加热至45℃，然后每隔5min加入3份温度为46℃的水，2h后停止加水，然后加入室温状态下的预聚乳液中，再以1000～1500r/min的转速搅拌30min，搅拌过程中加入0.12份过硫酸铵、0.189份SAC-100与0.021份N,N-亚甲基双丙烯酰胺，将转速调至560r/min，将反应温度升至50℃，反应1h后加入三乙胺中和，然后加入2.1份乙二胺，继续反应1h，反应结束后冷却至室温得到丙烯酸聚氨酯乳液；
S3.按重量份数计，将38份丙烯酸聚氨酯乳液、5份粒度为20nm的纳米二氧化钛、4.5份封闭型多氰酸酯、10份颜料、2.5份分散剂、18份填料和65份水混合均匀得到水性涂料。
对比例1
对比例1与实施例5的不同之处在于：S2.按重量份数计，将5份丙烯酸、2份丙烯酰胺、0.9份甲基丙烯酸甲酯、2份苯乙烯、0.3份丙烯酸已酯、加入10份质量份数为0.01％的过硫酸铵水溶液中，然后搅拌并加热至45℃，然后每隔5min加入3份温度为46℃的水，2h后停止加水，然后加入室温状态下的预聚乳液中，再以1000～1500r/min的转速搅拌30min，搅拌过程中加入0.12份过硫酸铵、0.21份N,N-亚甲基双丙烯酰胺，将转速调至560r/min，将反应温度升至50℃，反应1h后加入三乙胺中和，然后加入2.1份乙二胺，继续反应1h，反应结束后冷却至室温得到丙烯酸聚氨酯乳液。
对比例2
对比例2与实施例5的不同之处在于：S1.将聚醚二醇N220在70℃和0.5Mpa条件下减压蒸馏去除水分，按重量份数计，将10份聚醚二醇N220加热到72℃，然后在氮气保护下向聚醚二醇中逐渐加入21份甲苯二异氰酸酯，反应1.5h后加入入2.1份二羧甲基丙酸，继续反应1h，反应结束后得到预聚乳液。
将实施例1～5和对比例1、2制备的丙烯酸聚氨酯乳液在25℃下避光静置，观测其分层情况，测试数据如下表所示：
样品 静置1天 静置3天 静置5天
实施例1 不分层 不分层 不分层
实施例2 不分层 不分层 不分层
实施例3 不分层 不分层 不分层
实施例4 不分层 不分层 不分层
实施例5 不分层 不分层 不分层
对比例1 不分层 不分层 分层
对比例2 不分层 分层 分层
根据对比例1与实施例5的测试结果对比可知，SAC-100与N,N-亚甲基双丙烯酰胺的混合交联剂比N,N-亚甲基双丙烯酰胺的效果更好；根据对比例2与实施例5的测试结果对比可知，二羧甲基丙酸参与聚氨酯反应能够有效提高聚氨酯乳液与丙烯酸类乳液的相容性。
本发明的保护范围并不仅局限于上述实施例，凡属于本发明思路下的技术方案均属于本发明的保护范围。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前提下的若干改进和润饰，这些改进和润饰也应视为本发明的保护范围。

Claims (5)

1.一种环保型水性涂料的制备方法，其特征在于，包括以下步骤：
S1.按重量份数计，将10份聚醚二醇N220加热到72℃，然后在氮气保护下向聚醚二醇中逐渐加入19～21份甲苯二异氰酸酯，反应1.5h后加入2～2.4份二羧甲基丙酸，继续反应1h，反应结束后得到预聚乳液；
S2.按重量份数计，将5份丙烯酸、2～2.2份丙烯酰胺、0.5～0.9份甲基丙烯酸甲酯、2份苯乙烯、0.3～0.6份丙烯酸已酯、加入10份质量份数为0.01％的过硫酸铵水溶液中，然后搅拌并加热至45～47℃，然后每隔5min加入3份温度为46℃的水，2h后停止加水，然后加入室温状态下的预聚乳液中，再以1000～1500r/min的转速搅拌30min，搅拌过程中加入0.1～0.12份过硫酸铵、0.15～0.21份交联剂，将转速调至500～700r/min，将反应温度升至50℃，反应1h后加入三乙胺中和，然后加入2～2.5份乙二胺，继续反应1h，反应结束后冷却至室温得到丙烯酸聚氨酯乳液；
S3.按重量份数计，将30～45份丙烯酸聚氨酯乳液、3～5份纳米二氧化钛、4～5份固化剂、10～12份颜料、2～3份分散剂、15～20份填料和55～75份水混合均匀得到水性涂料。
2.根据权利要求1所述的一种环保型水性涂料的制备方法，其特征在于，所述交联剂为SAC-100与N,N-亚甲基双丙烯酰胺的混合物，所述SAC-100与N,N-亚甲基双丙烯酰胺的质量比为8～10:1。
3.根据权利要求1所述的一种环保型水性涂料的制备方法，其特征在于，所述聚醚二醇N220经过预处理，预处理方法为：将聚醚二醇N220在70℃和0.5Mpa条件下减压蒸馏去除水分。
4.根据权利要求1所述的一种环保型水性涂料的制备方法，其特征在于，所述纳米二氧化钛的粒径为20～80nm。
5.根据权利要求1所述的一种环保型水性涂料的制备方法，其特征在于，所述固化剂为封闭型多氰酸酯。
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