CN107849382A - 水性涂料组合物 - Google Patents

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Abstract

一种水性涂料组合物，所述水性涂料组合物包含按所述涂料组合物的总干燥重量计，以干燥重量计，2％至16％具有30至90nm平均粒度的聚合(共聚)粒子的小粒度聚合分散体，和25％至70％二氧化钛粒子；50％至100％的所述二氧化钛粒子由聚合(共聚)粒子的聚合物壳包封。

Description

水性涂料组合物
技术领域
本发明涉及一种水性涂料组合物，它可用作建筑涂料行业的底漆涂料或面漆涂料。
背景技术
在建筑涂料行业中，操作通常需要至少两种涂层：底漆涂层和面漆涂层。底漆涂层提供具有碱/风化耐性的涂料膜，而面漆涂层提供不透明度。双层系统增加操作的复杂度并且通常需要更长的操作时间。
因此期望提供一种一层系统用于在操作期间仅需要一个涂层的涂覆操作并且提供涂料膜，相比于双层系统不损害涂料效能。
发明内容
本发明提供一种水性涂料组合物，包含按涂料组合物的总干燥重量计，以干燥重量计，2％至16％具有30至90nm平均粒度的聚合(共聚)粒子的小粒度聚合分散体，和25％至70％二氧化钛粒子；并且50％至100％的二氧化钛粒子由聚合(共聚)粒子的聚合物壳包封。
具体实施方式
如本文中所使用，术语“聚合(共聚)”是指聚合的或共聚的。
本发明提供一种水性涂料组合物，包含按涂料组合物的总干燥重量计，以干燥重量计，2％至16％、优选地3％至13％、并且更优选地5％至10％聚合(共聚)粒子的小粒度聚合分散体，所述聚合(共聚)粒子具有30至90nm、优选地40至80nm、并且更优选地45至70nm的平均粒度；以及25％至70％、优选地28％至55％、并且更优选地30％至40％二氧化钛粒子。按二氧化钛粒子的总干燥重量计，以干燥重量计，50％至100％、优选地60％至100％、并且更优选地70％至100％是由聚合(共聚)粒子的聚合物壳包封的。
任选地，水性涂料组合物另外包含粘合剂组分，粘合剂组分包含成膜有机聚合(共聚)粒子。
聚合(共聚)粒子
本发明的聚合(共聚)粒子包括至少一种聚合的烯属不饱和非离子单体。如本文所使用，术语“非离子单体”指的是在pH＝1-14之间不带有离子电荷的单体。烯属不饱和非离子单体的适合实例包括：(甲基)丙烯酸的烷酯，如丙烯酸甲酯、丙烯酸乙酯、丙烯酸丁酯、丙烯酸2-乙基己酯、丙烯酸癸酯、丙烯酸十二烷酯、甲基丙烯酸甲酯、甲基丙烯酸丁酯、甲基丙烯酸异癸酯、甲基丙烯酸十二烷酯、甲基丙烯酸羟乙酯、甲基丙烯酸羟丙酯、以及其组合；(甲基)丙烯腈；(甲基)丙烯酰胺；胺基官能性和脲基官能性单体，如乙烯脲甲基丙烯酸羟乙酯；带有乙酰乙酸酯官能团的单体，如甲基丙烯酸乙酰乙酰氧基乙酯(AAEM)；带有含羰基基团的单体，如二丙酮丙烯酰胺(DAAM)；具有苯环的烯属不饱和单体，如苯乙烯以及取代苯乙烯；丁二烯；α-烯烃，如乙烯、丙烯以及1-癸烯；柯赫酸(versatic acid)的乙烯基酯；2-乙基己酸的乙烯基酯；乙烯基单体，如氯乙烯以及偏二氯乙烯；(甲基)丙烯酸缩水甘油酯；以及其组合。
柯赫酸的乙烯基酯具有下式(I)：
其中R1和R2各自独立地是C1-C10烷基。
柯赫酸的乙烯基酯的适合实例包括可购自Momentive Specialty Chemicals的VEOVATM 10、VEOVATM 9。
优选地，烯属不饱和非离子单体选自：甲基丙烯酸甲酯、丙烯酸乙酯、丙烯酸丁酯、丙烯酸2-乙基己酯、苯乙烯以及其组合。
聚合(共聚)粒子可另外包含，按聚合(共聚)粒子的总干燥重量计，以干燥重量计，小于10％、优选地小于5％、并且更优选地小于2.5％稳定剂单体。稳定剂单体的适合实例包括：苯乙烯磺酸钠(SSS)、乙烯基磺酸钠(SVS)、2-丙烯酰胺基-2-甲基丙烷磺酸(AMPS)、丙烯酰胺(AM)、丙烯酸(AA)、甲基丙烯酸(MAA)以及衣康酸(IA)。
聚合(共聚)粒子可另外包含，按聚合(共聚)粒子的总干燥重量计，以干燥重量计0.1％至5％、优选地0.3％至4％、并且更优选地0.5％至3％烷氧基硅烷。烷氧基硅烷可在聚合(共聚)粒子上聚合或与聚合(共聚)粒子掺合，因此可以是可聚合的或非可聚合的。
可聚合烷氧硅烷是携带至少一种烷氧基硅烷官能度的烯属不饱和单体。优选地，烷氧基硅烷官能度是可水解的。可聚合烷氧基硅烷的适合实例包括：乙烯基三烷氧基硅烷；乙烯基三甲氧基硅烷，如烷基乙烯基二烷氧基硅烷；(甲基)丙烯酰氧基烷基三烷氧基硅烷，如(甲基)丙烯酰氧基乙基三甲氧基硅烷以及(甲基)丙烯酰氧基丙基三甲氧基硅烷；其衍生物以及其组合。
非可聚合烷氧基硅烷的适合实例包括：三(三甲氧基)硅烷；辛基三乙氧基硅烷；甲基三乙氧基硅烷；甲基三甲氧基硅烷；异氰酸酯硅烷，如三[3-(三甲氧基硅烷基)丙基]异氰尿酸酯；γ-巯基丙基三甲氧基硅烷；双(3-[三乙氧基硅烷基]丙基)聚硫化物；β-(3,4-环氧环己基)-乙基三甲氧基硅烷；含有环氧基的硅烷(环氧硅烷)、缩水甘油氧基和/或缩水甘油氧基丙基，如γ-缩水甘油氧基丙基三甲氧基硅烷、γ-缩水甘油氧基丙基甲基二乙氧基硅烷、(3-缩水甘油氧基丙基)三甲氧基硅烷、(3-缩水甘油氧基丙基)己基三甲氧基硅烷、以及β-(3,4-环氧环己基)-乙基三乙氧基硅烷。
优选地，烷氧基硅烷是可聚合的。
聚合(共聚)粒子的小粒度聚合分散体的最小成膜温度(minimum film formingtemperature，MFFT)为-50至80℃、优选地-35至60℃、并且更优选地-20至50℃。
包封二氧化钛粒子的聚合(共聚)粒子的聚合物壳的MFFT为-50至80℃、优选地-35至60℃、并且更优选地-20至50℃；并且平均粒度为200至800nm、优选地300至700nm、并且更优选地400至600nm。
粘合剂组分的成膜有机聚合(共聚)粒子的MFFT为-50至100℃；并且平均粒度为100至500nm、优选地110至400nm、并且更优选地120至300nm。
二氧化钛粒子
任何二氧化钛(TiO2)粒子都可以用于本发明的涂料组合物中。可商购的二氧化钛粒子包括来自杜邦(DuPont)的TI-PURETM R-706以及TI-PURE R-902+。可通过聚合工艺实现聚合(共聚)粒子的聚合物壳在二氧化钛粒子的表面上的包封。聚合工艺可以是所属领域中已知的任何方法，包括乳液聚合、微乳液聚合以及机械分散技术。
涂料组合物
涂料组合物可另外包含其它颜料或增量剂。
如本文所用，术语“颜料”是指能够实质上有助于涂料的不透明度或遮盖能力的颗粒状无机材料。颜料的折射率通常等于或大于1.8，并且包括氧化锌、硫化锌、硫酸钡和碳酸钡。出于明确的目的，本发明的二氧化钛粒子不是本发明的“颜料”。
术语“增量剂”是指折射率小于或等于1.8并且大于1.3的颗粒状无机材料，并且包括碳酸钙、氧化铝(Al2O3)、粘土、硫酸钙、铝硅酸盐、硅酸盐、沸石、云母、硅藻土、实心或空心玻璃、以及瓷珠。涂料组合物可任选地含有玻璃转化温度(Tg)大于60℃的实心或中空聚合粒子，本文中出于颜料体积浓度(pigment volume concentration，PVC)计算的目的，这种聚合粒子归类为增量剂。中空聚合粒子的细节描述于EP 22633、EP 915108、EP 959176、EP404184、US 5360827、WO 00/68304和US 20100063171中。实心聚合粒子的粒度为1至50微米，并且优选地为5至20微米。聚合粒子的适合实例是可商购自陶氏化学公司(The DowChemical Company)的ROPAQUETM Ultra E不透明聚合物。出于明确的目的，本发明的聚合粒子与本发明的第一或第二聚合物不同。碳酸钙、粘土、云母以及氧化铝(Al2O3)是优选的增量剂。
涂料组合物的PVC(颜料体积浓度)如下计算：
PVC(％)＝[颜料的体积(S)增量剂的体积]/涂料的总干燥体积。
在一优选实施例中，涂料组合物的PVC为10％至75％，并且优选地20％至50％。
涂料组合物的制备
涂料组合物的制备可以是所属领域的众所周知的方法并且涉及按指示比例掺合适当涂料成分来提供涂料以及具有期望的特性的最终干燥涂料膜的工艺。
涂料组合物的施加
涂料组合物可通过常规施加方法施加，如涂刷、辊涂以及喷雾方法，如空气雾化喷雾、空气辅助喷雾、无空气喷雾、高体积低压喷雾以及空气辅助无空气喷雾。
用于涂料施加的适合衬底包括：混凝土、水泥板、中等密度纤维板(medium-densityfiberboard，MDF)和粒子板、石膏板、木材、石材、金属、塑料、墙纸以及纺织品等。优选地，所有衬底都使用水性底漆或溶剂型底漆进行预涂底漆。
实例
I.原材料
II.测试步骤
1.不透明度测定
涂料组合物的刮涂是通过150μm Bird Film ApplicatorTM在毕克加特纳公司(BYK-Gardner GmbH)的BYKO-图表PA-2810上进行，且接着使其在恒定温度房间(CTR)中干燥1天。通过毕克加特纳6850Color-Guide Plus分光光度计来测定干燥涂料的对比率。对比率是针对涂料膜的不透明度的测试方法，分别在白色图表(Yw)和黑色图表(Yb)中测试涂料膜的Y值。对比率定义为Yb/Yw。对比率越高，不透明度越好。
2.碱/风化耐性
用刷子在来自天津伟达试验机厂(Tianjin Weida testing machine factory)的150mm×70mm×4-6mm纤维加固的中等密度水泥平板的一侧涂覆80μ涂料组合物，并且随后使其在CTR中干燥6天。在第6天，将0.5g铁蓝色溶液(于2％聚乙烯醇溶液中20wt％)用刷子涂覆在板的表面上并且使其再干燥一天。板的边缘用蜡涵盖。将测试板放入装有于水中的2％氢氧化钠溶液、5％硫酸钠溶液和0.12％氢氧化钙溶液的容器中。涂覆有涂料组合物的一侧不浸入到溶液中，而无涂料组合物的一侧浸入到溶液中并且与溶液直接接触。在暴露3天之后除去板，并且在CTR中干燥24小时并且观测碱灼蚀情况。
根据表1中所描述的排名标准评估碱/风化耐性。
表1碱灼蚀表现排名标准
III.实验实例
1.包封二氧化钛粒子的聚合物壳的分散体(聚合物-TiO2分散体)的制备
向配备有电磁搅拌器、N2入口、回流冷凝器、加热套以及热电偶的250ml烧瓶中装入20g SEM、4g DMAEMA、10g BA、16g MMA、1.1g n-DDM、0.5g AIBN和100g正丙醇。将烧瓶用N2吹扫，且加热至80℃持续3小时。接着使温度升高到93℃，并且添加含0.25g AIBN的2.0g正丙醇。.将温度保持在93℃下1小时；随后使烧瓶冷却至室温。将产物倒入100ml的己烷中，并且将其干燥。将干燥产物溶解于足够的水和NH3中来形成pH 5.0的21.3％溶液以制备分散剂聚合物。
将钢磨锅装入31.7g分散剂聚合物和95.2g水。在使用来自耐驰集团(NetzschGroup)的配备有圆盘刀片的50型实验室分散器以2000rpm研磨的同时缓慢添加450gTI-PURETM R-706TiO2。将混合物研磨20分钟，并且随后再添加11.3g水以制得76.5％TI-PURER-706TiO2浆液。
向配备有浆式搅拌器、N2入口、冷凝器、加热套以及热电偶的一加仑四颈圆底烧瓶中装入1816g所述浆液以及13.81g DS-4(23％固体)于251.05g去离子水中的溶液。将烧瓶用N2吹扫，并且加热至30℃。随后向反应器中添加50g 0.1％硫酸铁和4g 1％EDTA。两分钟后，将由溶解于110.53g去离子水中的2g t-BHP组成的1号共馈料和由溶解于96.25g去离子水中的8.28g IAA组成的2号共馈料馈入到反应器中。在添加共馈料溶液两分钟后，将先前通过混合56.52g去离子水、6.9g DS-4和261.67g单体(45.6％BA、53.4％MMA和1.0％MAA)制备的第一单体乳液(ME1)馈入到反应器中。随后将通过混合269.5g去离子水、20.71g DS-4和779.5g单体(45.6％BA、53.4％MMA和1.0％MAA)制备的第二单体乳液(ME2)馈入到反应器中。反应再持续20分钟。随后使反应器内含物冷却至室温，接着在40分钟内馈入84g NaOH溶液(6％固体)。通过100目过滤器过滤少量凝胶。剩余物是包封二氧化钛粒子的聚合物的分散体。分散体包含33％二氧化钛粒子、26％聚合(共聚)粒子的聚合物壳和水。
2.聚合(共聚)粒子的小粒度聚合分散体的制备
向配备有机械搅拌器的五升多颈烧瓶中装入67.66g 28wt％SLS溶液、含4.48gNa2CO3的14.71g去离子水和1052.94g去离子水，并且在氮气氛围中加热至88℃。通过在搅拌下将583.72g BA、670.94g MMA、12.88g MAA、464.71g去离子水和9.89g 28wt％SLS溶液合并并且乳化来制备单体乳液。向烧瓶添加44.50g单体乳液，并且接着添加含2.63g SPS的14.74g去离子水。随后历时75分钟向烧瓶中分别添加其余单体乳液和1.12g SPS于76.47g去离子水中的溶液，同时反应器温度保持在86至88℃。在以上过程期间，在最后33分钟期间另外添加含25.29g EUM的17.65g去离子水。随后，使用50g去离子水冲洗反应器的乳液进料管线。随后将反应混合物冷却至室温。在冷却期间，向烧瓶中添加与含0.0038g EDTA的3.6g去离子水混合的0.0038g硫酸亚铁，接着添加0.55g t-BHP(70％)和0.39g异抗坏血酸的水溶液。用KOH溶液将得到的分散体中和到7.0至8.0的pH值。由Brookhaven BI 90粒度分析仪测得，这一聚合分散体的粒度是57nm。
3.聚合(共聚)粒子的成膜有机聚合物粘合剂的制备
聚合(共聚)粒子的成膜有机聚合物粘合剂的制备方法是指聚合(共聚)粒子的小粒度聚合分散体的制备方法。由Brookhaven BI 90粒度分析仪测得，这一聚合物粘合剂的粒度是115nm。
4.水性涂料组合物的制备
根据表2的步骤制备比较涂料1和2(比较1或2)，和涂料1、2和3(涂料1、2或3)。使用高速Cowles分散器混合研磨成分。使用常规实验室混合器来添加稀释成分。
表2
IV.结果
表3
％是按涂料组合物的总干燥重量计的干燥重量百分比。
如表3中所示，包含小粒度聚合分散体的比较涂料1(比较1)显示出优良风化耐性。已知，小粒度聚合分散体提供对水泥、混凝土以及砖石结构衬底的优良渗透并且因此提供极佳风化耐性。然而，由于稳定性问题，其仅限于底漆调配物(凝聚有未经包封的TiO2的小粒度聚合分散体)并且导致较差不透明度，如由相比于涂料1、2和3的对比率所显示。
包含聚合物壳包封的二氧化钛粒子的比较涂料2(比较2)显示出优良不透明度。然而，因为包封形成较大粒度，碱/风化耐性受损。相比于比较1和涂料1、2和3，比较2具有较差风化耐性。
将小粒度聚合分散体和聚合物壳包封的二氧化钛粒子在一个涂料调配物中组合在一起，其碱/风化耐性和不透明度都提高了(相比于比较涂料1和2的涂料1、2和3)。具体来说，本发明涂料1和2的碱/风化耐性和不透明度效能显著提高。涂料3的不透明度效能也显著提高，并且很好地保持了(未受损)其碱/风化耐性效能。

Claims (11)

1.一种水性涂料组合物，包含按所述涂料组合物的总干燥重量计，以干燥重量计，2％至16％具有30至90nm平均粒度的聚合(共聚)粒子的小粒度聚合分散体，和25％至70％二氧化钛粒子；其中50％至100％的所述二氧化钛粒子由聚合(共聚)粒子的聚合物壳包封。
2.根据权利要求1所述的水性涂料组合物，另外包含粘合剂组分，所述粘合剂组分包含成膜有机聚合(共聚)粒子。
3.根据权利要求1所述的水性涂料组合物，其中所述聚合(共聚)粒子包含至少一种聚合的烯属不饱和非离子单体。
4.根据权利要求3所述的水性涂料组合物，其中所述烯属不饱和非离子单体选自：甲基丙烯酸甲酯、丙烯酸乙酯、丙烯酸丁酯、丙烯酸2-乙基己酯、苯乙烯以及其组合。
5.根据权利要求1所述的水性涂料组合物，其中所述聚合(共聚)粒子另外包含按所述聚合(共聚)粒子的总干燥重量计，以干燥重量计，小于10％的稳定剂单体。
6.根据权利要求5所述的水性涂料组合物，其中所述稳定剂单体是选自苯乙烯磺酸钠、乙烯基磺酸钠、2-丙烯酰胺基-2-甲基丙磺酸、丙烯酰胺、丙烯酸、甲基丙烯酸以及衣康酸。
7.根据权利要求1所述的水性涂料组合物，其中所述聚合(共聚)粒子另外包含按所述聚合(共聚)粒子的总干燥重量计，以干燥重量计，0.1％至5％的烷氧基硅烷。
8.根据权利要求7所述的水性涂料组合物，其中所述烷氧基硅烷是可水解的。
9.根据权利要求1所述的水性涂料组合物，其中所述聚合(共聚)粒子的小粒度聚合分散体的最小成膜温度为-50至80℃。
10.根据权利要求1所述的水性涂料组合物，其中包封所述二氧化钛粒子的所述聚合(共聚)粒子的聚合物壳的最小成膜温度为-50至80℃，并且平均粒度为200至800nm。
11.根据权利要求1所述的水性涂料组合物，其中所述粘合剂组分的所述成膜有机聚合(共聚)粒子的最小成膜温度为-50至100℃，并且平均粒度为100至500nm。
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