CN109705277B - 纳米SiO2改性丙烯酸酯聚氨酯复合防水剂乳液 - Google Patents

纳米SiO2改性丙烯酸酯聚氨酯复合防水剂乳液 Download PDF

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Abstract

本发明公开了一种纳米SiO2改性丙烯酸酯聚氨酯复合防水剂乳液，由12‑18份纳米SiO2溶胶、46‑62份水性聚氨酯预聚体乳液、26‑38份丙烯酸酯单体、7‑12份可聚合有机硅单体(如式1所示)、6‑12份复合乳化剂、0.4‑0.7份引发剂、220‑280份水经乳液聚合制成；制备方法如下：取配方量的纳米SiO2溶胶、水性聚氨酯预聚体乳液、丙烯酸酯单体、乳化剂及适量水，置于反应器中，搅拌，形成乳化液；升温至75℃，加入少量引发剂水溶液，保温反应0.5h；1h内滴加剩余引发剂水溶液，再保温反应2h；升温至80℃继续保温0.5h；降温、过滤，得所述纳米SiO2改性丙烯酸酯聚氨酯复合防水剂乳液。

Description

纳米SiO2改性丙烯酸酯聚氨酯复合防水剂乳液
技术领域
本发明涉及一种丙烯酸酯聚氨酯复合乳液，尤其涉及一种经纳米SiO2改性的丙烯酸酯聚氨酯复合防水剂乳液，属于功能性丙烯酸酯聚氨酯乳液领域。
背景技术
纺织品面料的防水涂层，通常以防水剂及粘合剂乳液，以增稠剂调节粘度，通过涂层设备将涂层浆施加到面料表面，再经烘干制成。因为防水剂往往为氟系助剂，其表面张力较粘合剂低，与粘合剂乳液混合时，不容易分散均匀，也影响成膜的均匀性。此外，氟系防水剂，因为含氟产品不易降解，对环境有负影响，因此，该类助剂使用在减少。
发明内容
本发明目的是提供一种丙烯酸酯聚氨酯复合乳液，以有机硅及纳米SiO2溶胶改性，形成纳米SiO2改性丙烯酸酯聚氨酯复合防水剂乳液。
为实现上述目的，本发明采用了如下技术方案。
纳米SiO2改性丙烯酸酯聚氨酯复合防水剂乳液，以质量份计，由12-18份纳米SiO2溶胶、46-62份水性聚氨酯预聚体乳液、26-38份丙烯酸酯单体、7-12 份可聚合有机硅单体(如式1所示)、6-12份复合乳化剂、0.4-0.7份引发剂、 220-280份水经乳液聚合制成；
(H3C)3Si-O-CH2CH2NH-CH2CH＝CH2式1
所述的纳米SiO2溶胶，制备方法为：将25份γ-甲基丙烯酰氧基丙基三甲氧基硅烷(硅烷偶联剂KH-570)、3份十二烷基硫酸钠、4份烷基酚聚氧乙烯醚 (OP-10)加入到300份水中，搅拌、分散，再于搅拌下加入9份氨水，持续搅拌反应4h，形成含C＝C键的纳米SiO2溶胶；
所述的水性聚氨酯预聚体乳液由以下步骤制得：以重量份数计，将真空脱水后的聚丙二醇(分子量2000)600份、异佛尔酮二异氰酸酯(IPDI)220份、羟基硅油(分子量1000)50份加入反应釜、在80℃的条件下搅拌反应2h，再加入二羟甲基丙酸(DMPA)25份、1,4-丁二醇(BDO)15份、0.8份二月桂酸二丁基锡、 300份丙酮，在80℃的条件下搅拌反应1h；加入8份N,N－二(2－羟乙基)-2- 氨基丙烯、18份N,N－二(2－羟乙基)-3-甲基硅烷，保温反应3h；然后降温到30℃，三乙胺20份，水2500份，高速搅拌乳化30min，减压脱除丙酮，即可得水性聚氨酯预聚体乳液。
所述的丙烯酸酯单体包括丙烯酸丁酯、丙烯酸乙酯、甲基丙烯酸甲酯。
所述的丙烯酸酯单体，其中丙烯酸丁酯、丙烯酸乙酯、甲基丙烯酸甲酯质量比为8:1:2。
所述的复合乳化剂，由非离子乳化剂与阴离子乳化剂组成。
所述的复合乳化剂，其中阴离子乳化剂与非离子乳化剂的质量比为2:1。
所述的阴离子乳化剂为十二烷基苯磺酸钠、十二烷基硫酸钠、脂肪醇聚氧乙烯醚硫酸钠(AES)中的一种。
所述的非离子乳化剂为烷基酚聚氧乙烯醚(OP-10)、脂肪醇聚氧乙烯醚 (AEO-9)、脂肪醇聚氧乙烯醚(乳化剂OS-15)。
所述的引发剂为过硫酸钾、过硫酸铵、过硫酸钠中的一种。
纳米SiO2改性丙烯酸酯聚氨酯复合防水剂乳液，以质量份计，各组分为 12-18份纳米SiO2溶胶、46-62份水性聚氨酯预聚体乳液、26-38份丙烯酸酯单体、7-12份可聚合有机硅单体(如式1所示)、6-12份复合乳化剂、0.4-0.7份引发剂、220-280份水，制备方法如下：
1)取配方量的纳米SiO2溶胶、水性聚氨酯预聚体乳液、丙烯酸酯单体、乳化剂及适量水，置于反应器中，搅拌，形成乳化液；
2)升温至75℃，加入少量引发剂水溶液，保温反应0.5h；
3)1h内滴加剩余引发剂水溶液，再保温反应2h；
4)升温至80℃继续保温0.5h；降温、过滤，得所述纳米SiO2改性丙烯酸酯聚氨酯复合防水剂乳液。
有机硅既有无机结构(-Si-O-Si-)的主链，又有有机基团(CH3)侧链。因其兼具有有机及无机材料的特点，并且其结构还有键角、键长、键能大的优势，使其具有低表面张力、特殊的柔顺性以及良好的化学稳定性。本发明将有机硅的优良特性以化学反应的方式引入到含丙烯酸酯聚氨酯分子链中，增强乳液的防水、防污性能，且环境友好。
本发明采用了含Si-C键的有机硅单体，克服了Si-O-C键有机硅单体在聚合过程水解、缩合而导致乳液聚合失稳的缺陷，既提高了硅含量，又保证了乳液聚合的顺利实施。
纳米SiO2改性的丙烯酸酯聚氨酯在成膜过程中，纳米SiO2粒子可填补聚合物膜内部的缺陷，提高其成膜性，此外，纳米SiO2的纳米尺寸效应和比表面积大等特点，不仅赋予聚合物膜优异的表面性能、力学性能和热学性能，且能使乳液涂层具有类似荷叶表面的微/纳米乳突结构，与低表面张力的有机硅协同，呈现超强的疏水性能。
具体实施方式
本发明涉及物质的单位“份”是指“质量份”。
本发明涉及的可聚合有机硅单体、N,N－二(2－羟乙基)-2-氨基丙烯、N,N －二(2－羟乙基)-3-甲基硅烷制备方法如下。
所述的可聚合有机硅单体，由2-(三甲基硅氧基)乙醇胺与烯丙基氯反应制成，先在250mL三口瓶中，依次加入1mol 2-(三甲基硅氧基)乙醇胺、1.5mol 三乙胺和100mL二氯甲烷，再将三口瓶放置于冰水浴中，在此温度下缓慢滴加 1.2mol烯丙基氯，滴加完毕后将反应体系升温至室温，并在此温度下继续反应 1.5小时，停止反应，过滤除去三乙胺氯酸盐后，减压蒸馏除去二氯甲烷和过量的三乙胺，并收集的馏分，得可聚合有机硅单体，N-2(三甲基硅氧基)乙基丙烯胺。所涉反应过程如(1)所示。
Figure BDA0001921309580000041
其中，2-(三甲基硅氧基)乙醇胺的制备方法为：在带有机械搅拌、温度计的反应器中，投入乙醇胺，搅拌滴加六甲基二硅氮烷，于5～50℃反应0.5～2h，反应完毕，经减压抽滤得2-(三甲基硅氧基)乙醇胺。乙醇胺与六甲基二硅氮烷的摩尔比为2:1。
所述的N,N－二(2－羟乙基)-2-氨基丙烯由二乙醇胺、氯丙烯、氢氧化钠反应制成，方法如下：
按摩尔比为n(氯丙烯):n(二乙醇胺):n(NaOH)＝1.1:1:1，将二乙醇胺和氢氧化钠加入到带有搅拌器、回流冷凝管的三口烧瓶中，温度升至50℃时，向三口烧瓶中缓慢滴加氯丙烯，加料完毕后，保温反应1h，得到产物N,N－二(2 －羟乙基)-2-氨基丙烯。所涉反应过程如(2)所示。
Figure BDA0001921309580000051
所述的N,N－二(2－羟乙基)-3-甲基硅烷由二乙醇胺、NaOH、三甲基氯硅烷反应制得，制备方法如下：
将二乙醇胺和0.4mol/L的NaOH水溶液加入到带有搅拌器、回流冷凝管的三口烧瓶中，然后向烧瓶中缓慢加入三甲基氯硅烷，加料完毕后，在70℃下反应80min，减压蒸馏，除去多余的水及未反应的二乙醇胺，得到N-二乙醇-三甲基硅(二羟基有机硅单体)；其中，所加入的二乙醇胺和三甲基氯硅烷的摩尔比为1.1:1，三甲基氯硅烷与NaOH摩尔比为1:1。反应过程如(3)所示。
Figure BDA0001921309580000052
实施例1：
纳米SiO2改性丙烯酸酯聚氨酯复合防水剂乳液，以质量份计，由12份纳米 SiO2溶胶、46份水性聚氨酯预聚体乳液、26份丙烯酸酯单体、7份可聚合有机硅单体、6份复合乳化剂、0.4份引发剂、220份水经乳液聚合制成；
纳米SiO2改性丙烯酸酯聚氨酯复合防水剂乳液，制备方法如下：
1)取配方量的纳米SiO2溶胶、水性聚氨酯预聚体乳液、丙烯酸酯单体、可聚合有机硅单体、乳化剂及190份水，置于反应器中，搅拌，形成乳化液；引发剂与30份水形成引发剂水溶液；
2)升温至75℃，加入1/3体积引发剂水溶液，保温反应0.5h；
3)1h内滴加剩余引发剂水溶液，再保温反应2h；
4)升温至80℃继续保温0.5h；降温、过滤，得所述纳米SiO2改性丙烯酸酯聚氨酯复合防水剂乳液。
其中，丙烯酸酯单体包括丙烯酸丁酯、丙烯酸乙酯、甲基丙烯酸甲酯，质量比为8:1:2。复合乳化剂，由十二烷基苯磺酸钠、烷基酚聚氧乙烯醚(OP-10) 按质量比2:1组成。引发剂为过硫酸钾。
其中的纳米SiO2溶胶，制备方法为：将25份γ-甲基丙烯酰氧基丙基三甲氧基硅烷(硅烷偶联剂KH-570)、3份十二烷基硫酸钠、4份烷基酚聚氧乙烯醚(OP-10)加入到300份水中，搅拌、分散，再于搅拌下加入9份氨水，持续搅拌反应4h，形成含C＝C键的纳米SiO2溶胶；
其中的水性聚氨酯预聚体乳液，由以下步骤制得：以重量份数计，将真空脱水后的聚丙二醇(分子量2000)600份、异佛尔酮二异氰酸酯(IPDI)220份、羟基硅油(分子量1000)50份加入反应釜、在80℃的条件下搅拌反应2h，再加入二羟甲基丙酸(DMPA)25份、1,4-丁二醇(BDO)15份、0.8份二月桂酸二丁基锡、300份丙酮，在80℃的条件下搅拌反应1h；加入8份N,N－二(2－羟乙基)-2- 氨基丙烯、18份N,N－二(2－羟乙基)-3-甲基硅烷，保温反应3h；然后降温到30℃，三乙胺20份，水2500份，高速搅拌乳化30min，减压脱除丙酮，即可得水性聚氨酯预聚体乳液。
实施例2：
纳米SiO2改性丙烯酸酯聚氨酯复合防水剂乳液，以质量份计，由15份纳米 SiO2溶胶、54份水性聚氨酯预聚体乳液、32份丙烯酸酯单体、10份可聚合有机硅单体、9份复合乳化剂、0.5份引发剂、250份水经乳液聚合制成；
纳米SiO2改性丙烯酸酯聚氨酯复合防水剂乳液，制备方法如下：
1)取配方量的纳米SiO2溶胶、水性聚氨酯预聚体乳液、丙烯酸酯单体、可聚合有机硅单体、乳化剂及220份水，置于反应器中，搅拌，形成乳化液；引发剂与30份水形成引发剂水溶液；
2)升温至75℃，加入1/3体积引发剂水溶液，保温反应0.5h；
3)1h内滴加剩余引发剂水溶液，再保温反应2h；
4)升温至80℃继续保温0.5h；降温、过滤，得所述纳米SiO2改性丙烯酸酯聚氨酯复合防水剂乳液。
其中，丙烯酸酯单体包括丙烯酸丁酯、丙烯酸乙酯、甲基丙烯酸甲酯，质量比为8:1:2。复合乳化剂，由十二烷基硫酸钠、脂肪醇聚氧乙烯醚(AEO-9) 按质量比2:1组成。引发剂为过硫酸铵。
其中的纳米SiO2溶胶，制备方法为：将25份γ-甲基丙烯酰氧基丙基三甲氧基硅烷(硅烷偶联剂KH-570)、3份十二烷基硫酸钠、4份烷基酚聚氧乙烯醚 (OP-10)加入到300份水中，搅拌、分散，再于搅拌下加入9份氨水，持续搅拌反应4h，形成含C＝C键的纳米SiO2溶胶；
其中的水性聚氨酯预聚体乳液，由以下步骤制得：以重量份数计，将真空脱水后的聚丙二醇(分子量2000)600份、异佛尔酮二异氰酸酯(IPDI)220份、羟基硅油(分子量1000)50份加入反应釜、在80℃的条件下搅拌反应2h，再加入二羟甲基丙酸(DMPA)25份、1,4-丁二醇(BDO)15份、0.8份二月桂酸二丁基锡、 300份丙酮，在80℃的条件下搅拌反应1h；加入8份N,N－二(2－羟乙基)-2- 氨基丙烯、18份N,N－二(2－羟乙基)-3-甲基硅烷，保温反应3h；然后降温到30℃，三乙胺20份，水2500份，高速搅拌乳化30min，减压脱除丙酮，即可得水性聚氨酯预聚体乳液。
实施例3：
纳米SiO2改性丙烯酸酯聚氨酯复合防水剂乳液，以质量份计，由18份纳米 SiO2溶胶、62份水性聚氨酯预聚体乳液、38份丙烯酸酯单体、12份可聚合有机硅单体、12份复合乳化剂、0.7份引发剂、280份水经乳液聚合制成；
纳米SiO2改性丙烯酸酯聚氨酯复合防水剂乳液，制备方法如下：
1)取配方量的纳米SiO2溶胶、水性聚氨酯预聚体乳液、丙烯酸酯单体、可聚合有机硅单体、乳化剂及250份水，置于反应器中，搅拌，形成乳化液；引发剂与30份水形成引发剂水溶液；
2)升温至75℃，加入1/3体积引发剂水溶液，保温反应0.5h；
3)1h内滴加剩余引发剂水溶液，再保温反应2h；
4)升温至80℃继续保温0.5h；降温、过滤，得所述纳米SiO2改性丙烯酸酯聚氨酯复合防水剂乳液。
其中，丙烯酸酯单体包括丙烯酸丁酯、丙烯酸乙酯、甲基丙烯酸甲酯，质量比为8:1:2。复合乳化剂，由脂肪醇聚氧乙烯醚硫酸钠(AES)、脂肪醇聚氧乙烯醚(乳化剂OS-15)按质量比2:1组成。引发剂为过硫酸钠。
其中的纳米SiO2溶胶，制备方法为：将25份γ-甲基丙烯酰氧基丙基三甲氧基硅烷(硅烷偶联剂KH-570)、3份十二烷基硫酸钠、4份烷基酚聚氧乙烯醚 (OP-10)加入到300份水中，搅拌、分散，再于搅拌下加入9份氨水，持续搅拌反应4h，形成含C＝C键的纳米SiO2溶胶；
其中的水性聚氨酯预聚体乳液，由以下步骤制得：以重量份数计，将真空脱水后的聚丙二醇(分子量2000)600份、异佛尔酮二异氰酸酯(IPDI)220份、羟基硅油(分子量1000)50份加入反应釜、在80℃的条件下搅拌反应2h，再加入二羟甲基丙酸(DMPA)25份、1,4-丁二醇(BDO)15份、0.8份二月桂酸二丁基锡、 300份丙酮，在80℃的条件下搅拌反应1h；加入8份N,N－二(2－羟乙基)-2- 氨基丙烯、18份N,N－二(2－羟乙基)-3-甲基硅烷，保温反应3h；然后降温到30℃，三乙胺20份，水2500份，高速搅拌乳化30min，减压脱除丙酮，即可得水性聚氨酯预聚体乳液。
将实施例1-3所得的纳米SiO2改性丙烯酸酯聚氨酯复合防水剂乳液与一定量的水混匀，以增稠剂调节粘度，对涤纶面料涂层，涤纶涂层试样的防水性能参照AATCC-22-2017所记载的方法测试。喷淋法：水温27℃；洗涤程序：27℃，常规洗涤，悬挂晾干，水洗20次。试样防水性能测试结果如下表1所示。
表1涤纶涂层试样防水性能
试样 防水/分 水洗20次后的防水/分
实施例1 100 90
实施例2 100 90
实施例3 100 90

Claims (9)

1.纳米SiO2改性丙烯酸酯聚氨酯复合防水剂乳液，其特征在于：以质量份计，由12-18份纳米SiO2溶胶、46-62份水性聚氨酯预聚体乳液、26-38份丙烯酸酯单体、7-12份如式1所示的可聚合有机硅单体、6-12份复合乳化剂、0.4-0.7份引发剂、220-280份水经乳液聚合制成；
(H3C)3Si-O-CH2CH2NH-CH2CH＝CH2 式1
所述的纳米SiO2溶胶，制备方法为：将25份γ-甲基丙烯酰氧基丙基三甲氧基硅烷、3份十二烷基硫酸钠、4份烷基酚聚氧乙烯醚OP-10加入到300份水中，搅拌、分散，再于搅拌下加入9份氨水，持续搅拌反应4h，形成含C＝C键的纳米SiO2溶胶；
所述的水性聚氨酯预聚体乳液由以下步骤制得：以重量份数计，将真空脱水后的分子量2000的聚丙二醇600份、异佛尔酮二异氰酸酯220份、分子量1000的羟基硅油50份加入反应釜、在80℃的条件下搅拌反应2h，再加入二羟甲基丙酸25份、1,4-丁二醇15份、0.8份二月桂酸二丁基锡、300份丙酮，在80℃的条件下搅拌反应1h；加入8份N,N－二(2－羟乙基)-2-氨基丙烯、18份N,N－二(2－羟乙基)氨基三甲基硅烷，保温反应3h；然后降温到30℃，三乙胺20份，水2500份，高速搅拌乳化30min，减压脱除丙酮，即可得水性聚氨酯预聚体乳液。
2.根据权利要求1所述的纳米SiO2改性丙烯酸酯聚氨酯复合防水剂乳液，其特征在于：所述的丙烯酸酯单体包括丙烯酸丁酯、丙烯酸乙酯、甲基丙烯酸甲酯。
3.根据权利要求2所述的纳米SiO2改性丙烯酸酯聚氨酯复合防水剂乳液，其特征在于：所述的丙烯酸酯单体，其中丙烯酸丁酯、丙烯酸乙酯、甲基丙烯酸甲酯质量比为8:1:2。
4.根据权利要求1所述的纳米SiO2改性丙烯酸酯聚氨酯复合防水剂乳液，其特征在于：所述的复合乳化剂，由非离子乳化剂与阴离子乳化剂组成。
5.根据权利要求4所述的纳米SiO2改性丙烯酸酯聚氨酯复合防水剂乳液，其特征在于：所述的复合乳化剂，其中阴离子乳化剂与非离子乳化剂的质量比为2:1。
6.根据权利要求4所述的纳米SiO2改性丙烯酸酯聚氨酯复合防水剂乳液，其特征在于：所述的阴离子乳化剂为十二烷基苯磺酸钠、十二烷基硫酸钠、脂肪醇聚氧乙烯醚硫酸钠AES中的一种。
7.根据权利要求4所述的纳米SiO2改性丙烯酸酯聚氨酯复合防水剂乳液，其特征在于：所述的非离子乳化剂为烷基酚聚氧乙烯醚OP-10、脂肪醇聚氧乙烯醚AEO-9、脂肪醇聚氧乙烯醚OS-15。
8.根据权利要求1所述的纳米SiO2改性丙烯酸酯聚氨酯复合防水剂乳液，其特征在于：所述的引发剂为过硫酸钾、过硫酸铵、过硫酸钠中的一种。
9.如权利要求1所述的纳米SiO2改性丙烯酸酯聚氨酯复合防水剂乳液，制备方法如下：
1)取配方量的纳米SiO2溶胶、水性聚氨酯预聚体乳液、丙烯酸酯单体、可聚合有机硅单体、复合乳化剂及适量水，置于反应器中，搅拌，形成乳化液；引发剂与部分水形成溶液；
2)升温至75℃，加入少量引发剂水溶液，保温反应0.5h；
3)1h内滴加剩余引发剂水溶液，再保温反应2h；
4)升温至80℃继续保温0.5h；降温、过滤，得所述纳米SiO2改性丙烯酸酯聚氨酯复合防水剂乳液。
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