CN109777104A - 水性聚醚砜分散液及其制备方法 - Google Patents
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Abstract
本发明公开了一种水性聚醚砜分散液及其制备方法，旨在解决现有聚醚砜分散液制备过程中污染环境、能耗高、生产周期长以及制得的分散液产品附着力低和分散颗粒粒径大、分布宽的技术问题。水性聚醚砜分散液，以重量份计，由以下制备原料组成：聚醚砜15‑35份和混合溶剂65‑85份；所述混合溶剂由水和非质子溶剂组成，所述水与所述非质子溶剂的重量比为15：1～0.5：1；制备方法包括以下步骤：得到所述混合溶剂；将65‑85份所述混合溶剂加入到15‑35份所述聚醚砜中，进行研磨、分散、搅拌，至分散均匀，即得。本发明制备方法环保，简单易行，操作方便，设备简单，生产周期短，生产能耗较低；产品中分散颗粒的粒径小于20μm，分散均匀，能够充分满足下游产品应用的需求。
Description
技术领域
本发明涉及高分子材料技术领域，具体涉及一种水性聚醚砜分散液及其制备方法。
背景技术
聚醚砜（PES）是英国帝国化学公司（ICI）在1972年成功开发的特种热塑性工程塑料，在不断认识与研究中PES被人们誉为“第一个”综合性能优异的热塑性高分子材料。其分子结构中既不含热稳定性较差的脂肪烃链节，又不含刚性大的联苯链节，而主要是由砜基、醚基和次苯基组成。砜基赋予耐热性，醚基使聚合物链节在熔融状态时具有良好的流动性，易于加工成型，在对苯撑结构上交替连接砜基和醚基能得到非结晶性的聚合物，并且砜基与整个结构单元形成大共轭体系。由于PES结构中具有这些特点，使其具有耐热性能等级高、高温抗蠕变性好、耐腐蚀性、机械性能良好、耐辐射和化学性质稳定（抗酸、抗氧化）等优点，近几年来被人们所熟知并得以广泛应用。由于聚醚砜还具有良好的生物相容性，其可以制成聚醚砜分散液，进而与聚四氟乙烯一起配制成具有防辐射、耐腐蚀、低摩擦、阻燃性能并且与金属附着力强、涂层表面硬度高的不粘涂料，可广泛应用于家电、厨具、五金、模具及机械塑料等行业。
PES作为一种分子链刚硬的无定型聚合物，能溶于大多数溶剂。而分子链中醚键的存在，使它具有较强的给电子性，能溶于溶解度参数相近的亲电子性溶剂如：氯仿、二氯甲烷、N-甲基吡咯烷酮等。随着人们生活水平的提高，健康、环保意识日渐增强，传统的溶剂型涂料中的挥发性有机溶剂（VolatileOrganicCompounds，VOC）的排放得到限制，因此，开发低污染、环保型的水性涂料成为当今涂料行业的主要方向。
要开发水性聚醚砜涂料，首先要制备出水性聚醚砜分散液或可再分散的聚醚砜微粉。与本发明相近的现有技术有：CN104974661A、CN106633104A、CN107955522A。
专利文献CN104974661A所公开的聚醚砜超细微粉的制备中作为示例性的方法：现将PES粉碎成54.5μm的粉末后，在粉末中加入表面活性剂Triton X-100（聚乙二醇辛基苯基醚）进行研磨后，还需要进行脱水，最终获得PES超细微分。该方法不但繁琐，还会导致后期生产出的PES类涂料颜色发黄，且附着力降低。
专利文献CN106633104A所公开的水基聚醚砜分散液及其制备方法是将PES树脂于有机溶剂（氯仿或四氢呋喃）按质量比1:4 ～ 5的比例进行混合配制，最后用蒸馏的方式将有机溶剂去除，得到水基聚醚砜分散液。该方法制备水基聚醚砜分散液，需要使用大量的有机溶剂氯仿或四氢呋喃，氯仿是毒性较大的物质，并且是易制毒化学品，在购买、使用中受限制；该方法使用蒸馏的手段，将低沸点的溶剂蒸馏出来。该方法工艺复杂，操作既繁琐又困难。
专利文献CN107955522A所公开的聚醚砜水性涂料的制备方法：将原料双酚S（4,4'-二羟基二苯砜）和4,4-二氯二苯砜溶解于N-甲基吡咯烷酮（NMP）和甲苯中，然后加入成盐剂碳酸钠，在200℃下发生聚合反应3～4小时，结束反应，将温度降至100℃以下，向反应器内加入NMP稀释。该方法制备的聚醚砜水性涂料含有大量的有机溶剂NMP，2001年加利福尼亚州一科研机构指出NMP是一种对生育能力有害的物质，2003年欧盟将其列为影响生育的有毒物质。
发明内容
本发明要解决的技术问题是提供一种水性聚醚砜分散液及其制备方法，以解决现有聚醚砜分散液制备过程中污染环境、能耗高、生产周期长以及制得的分散液产品附着力低和分散颗粒粒径大、分布宽的技术问题。
为解决上述技术问题，本发明采用如下技术方案：
设计一种水性聚醚砜分散液，以重量份计，由以下制备原料组成：聚醚砜15-35份和混合溶剂65-85份；所述混合溶剂由水和非质子溶剂组成，所述水与所述非质子溶剂的重量比为15：1～0.5：1。
优选的，所述混合溶剂中水与非质子溶剂的重量比为10：1～1：1。
优选的，所述非质子溶剂由N-乙酰基吗啉、N-甲酰基吗啉、N-丙酰基吗啉、N-丁基吡咯烷酮、环丁砜和γ-丁内酯中的至少一种组成。
进一步的，所述水性聚醚砜分散液中分散颗粒的粒径小于20μm。
优选的，所述水为去离子水。
水性聚醚砜分散液的制备方法，包括以下步骤：
（1）按上述的原料配比备料，将重量比为15：1～0.5：1的所述水与所述非质子溶剂进行混合，得到所述混合溶剂；
（2）将65-85份所述混合溶剂加入到15-35份所述聚醚砜中，进行研磨、分散、搅拌，至分散均匀，即得。
在研磨的过程中也存在PES溶解的过程，在溶解的初始阶段，PES同其他的高分子物质一样，首先要吸收溶剂，进行高分子线团扩张，即溶胀。渗入固体PES中的溶剂，使聚合物表层发生分子链解缠，于是形成一种由蜷曲的高分子链基体与作为“填充剂”的溶剂组成的微球。PES的溶胀就是以这种“微球”不断从聚合物表面脱落的形式进行的。
研磨过程也是分散、剪切的过程，研磨过程包括搅拌、分散过程，这些相对于PES聚合物来说，就是增加剪切应力，增加研磨机的转速就是加快搅拌速率，有助于PES“微球”从聚合物表面脱落，因而加速了PES聚合物的溶胀进程。
优选的，在所述步骤（2）中，采用SF0.4型研磨分散搅拌一体机进行研磨、分散、搅拌。
优选的，在所述步骤（2）中，研磨速度控制为500-2500r/min，研磨时间控制为12-48小时。
进一步的，在所述步骤（2）中，向所述SF0.4型研磨分散搅拌一体机中通入冷却水，使研磨过程中温度维持在20-40℃。
与现有技术相比，本发明的有益技术效果在于：
1. 本发明采用环保型的非质子溶剂，不引入表面活性剂，能够满足欧盟REACH的环保要求。
2. 本发明制备方法简单易行，操作方便，设备简单，生产周期短，生产能耗较低。
3. 本发明制得的产品中分散颗粒粒径小于20μm，分散均匀，能够充分满足下游产品应用的需求，并且在下游产品应用时附着力优异，不会出现黄变现象。
4. 本发明方法制得的产品在下游的应用中能应用于炊具的外涂层、内涂层或不粘锅涂层，使用本发明产品生产的涂料具有非常好的流动性能，更易操作且颜色丰富，还可做浅色涂料，还具有水性涂料常规的环保、安全等优点。
附图说明
图1为本发明实施例1制备的分散液中分散颗粒的粒径大小与分布图。
具体实施方式
下面结合附图和实施例来说明本发明的具体实施方式，但以下实施例只是用来详细说明本发明，并不以任何方式限制本发明的范围。
在以下实施例中所涉及的仪器设备如无特别说明，均为常规仪器设备；所涉及的试剂，如无特别说明，均为市售常规试剂；所涉及的制备方法，如无特别说明，均为常规方法。
实施例1：
将20份聚醚砜加入到SF0.4研磨分散搅拌一体机中，然后加入80份混合溶剂，混合溶剂为40份去离子水和40份N-甲酰基吗啉的混合液体；在1800r/min的研磨速度下研磨12-48小时，便得到分散颗粒粒径小于20μm且分散均匀的聚醚砜分散液。
实施例2：
将20份聚醚砜加入到SF0.4研磨分散搅拌一体机中，然后加入75份混合溶剂，混合溶剂为60份去离子水和15份N-乙酰基吗啉的混合液体；在1800r/min的研磨速度下研磨12-48小时，便得到分散颗粒粒径小于20μm且分散均匀的聚醚砜分散液。
实施例3：
将25份聚醚砜加入到SF0.4研磨分散搅拌一体机中，然后加入70份混合溶剂，混合溶剂为50份去离子水和20份N-丁基吡咯烷酮的混合液体；在2000r/min的研磨速度下研磨12-48小时，便得到分散颗粒粒径小于20μm且分散均匀的聚醚砜分散液。
实施例4：
将15份聚醚砜加入到SF0.4研磨分散搅拌一体机中，然后加入65份混合溶剂，混合溶剂为35份去离子水和30份环丁砜的混合液体；在2200r/min的研磨速度下研磨12-48小时，便得到分散颗粒粒径小于20μm且分散均匀的聚醚砜分散液。
实施例5：
将35份聚醚砜加入到SF0.4研磨分散搅拌一体机中，然后加入85份混合溶剂，混合溶剂为50份去离子水和35份N-甲酰基吗啉/N-丁基吡咯烷酮混合物组成的混合液体；在500-1500r/min的研磨速度下研磨12-48小时，便得到分散颗粒粒径小于20μm且分散均匀的聚醚砜分散液。
实施例6：
对实施例1制得的聚醚砜分散液中的分散颗粒的粒径大小与分布进行检测，检测设备为济南微纳科技有限公司生产的Winner2308A激光粒度仪，分析模式为对数正态分布，超声时间为300s，光学浓度为6.00，检测结果如表1和图1所示。
表1 聚醚砜分散颗粒的粒径大小与分布
| 粒径μm | 频率% | 累积% | 粒径μm | 频率% | 累积% | 粒径μm | 频率% | 累积% |
| 0.057 | 0.000 | 0.000 | 2.040 | 0.000 | 0.000 | 72.927 | 0.000 | 100.000 |
| 0.065 | 0.000 | 0.000 | 2.329 | 0.000 | 0.000 | 83.255 | 0.000 | 100.000 |
| 0.074 | 0.000 | 0.000 | 2.659 | 0.000 | 0.000 | 95.047 | 0.000 | 100.000 |
| 0.085 | 0.000 | 0.000 | 3.036 | 0.000 | 0.000 | 108.508 | 0.000 | 100.000 |
| 0.097 | 0.000 | 0.000 | 3.466 | 0.000 | 0.000 | 123.877 | 0.000 | 100.000 |
| 0.111 | 0.000 | 0.000 | 3.957 | 0.001 | 0.001 | 141.421 | 0.000 | 100.000 |
| 0.126 | 0.000 | 0.000 | 4.517 | 0.026 | 0.027 | 161.451 | 0.000 | 100.000 |
| 0.144 | 0.000 | 0.000 | 5.157 | 0.579 | 0.606 | 184.317 | 0.000 | 100.000 |
| 0.165 | 0.000 | 0.000 | 5.887 | 5.419 | 6.024 | 210.423 | 0.000 | 100.000 |
| 0.188 | 0.000 | 0.000 | 6.721 | 21.610 | 27.634 | 240.225 | 0.000 | 100.000 |
| 0.215 | 0.000 | 0.000 | 7.673 | 36.654 | 64.289 | 274.248 | 0.000 | 100.000 |
| 0.245 | 0.000 | 0.000 | 8.759 | 26.463 | 90.752 | 313.090 | 0.000 | 100.000 |
| 0.280 | 0.000 | 0.000 | 10.000 | 8.125 | 98.877 | 357.433 | 0.000 | 100.000 |
| 0.319 | 0.000 | 0.000 | 11.416 | 1.062 | 99.940 | 408.057 | 0.000 | 100.000 |
| 0.365 | 0.000 | 0.000 | 13.033 | 0.059 | 99.999 | 465.851 | 0.000 | 100.000 |
| 0.416 | 0.000 | 0.000 | 14.879 | 0.001 | 100.000 | 531.830 | 0.000 | 100.000 |
| 0.475 | 0.000 | 0.000 | 16.986 | 0.000 | 100.000 | 607.153 | 0.000 | 100.000 |
| 0.543 | 0.000 | 0.000 | 19.392 | 0.000 | 100.000 | 693.145 | 0.000 | 100.000 |
| 0.619 | 0.000 | 0.000 | 22.139 | 0.000 | 100.000 | 791.316 | 0.000 | 100.000 |
| 0.707 | 0.000 | 0.000 | 25.274 | 0.000 | 100.000 | 903.390 | 0.000 | 100.000 |
| 0.807 | 0.000 | 0.000 | 28.854 | 0.000 | 100.000 | 1031.339 | 0.000 | 100.000 |
| 0.922 | 0.000 | 0.000 | 32.941 | 0.000 | 100.000 | 1177.408 | 0.000 | 100.000 |
| 1.052 | 0.000 | 0.000 | 37.606 | 0.000 | 100.000 | 1344.166 | 0.000 | 100.000 |
| 1.201 | 0.000 | 0.000 | 42.932 | 0.000 | 100.000 | 1534.541 | 0.000 | 100.000 |
| 1.371 | 0.000 | 0.000 | 49.013 | 0.000 | 100.000 | 1751.880 | 0.000 | 100.000 |
| 1.565 | 0.000 | 0.000 | 55.954 | 0.000 | 100.000 | 2000.000 | 0.000 | 100.000 |
| 1.787 | 0.000 | 0.000 | 63.879 | 0.000 | 100.000 |
聚醚砜分散颗粒的粒径大小与分布的分析结果如下：
X10=6.090 μm，即10%的分散颗粒的粒径在6.090 μm以内；
X50=7.304 μm，即50%的分散颗粒的粒径在7.304 μm以内；
X90=8.729 μm，即90%的分散颗粒的粒径在8.729 μm以内；
Xav=7.370 μm，即分散颗粒的平均粒径为7.370μm。
综上所述，制得的分散液中分散颗粒的粒径小于20μm，分散均匀，能够充分满足下游产品应用的需求。
实施例7：
对实施例1制得的聚醚砜分散液进一步检测，分析检测结果如表2所示。
表2 分析检测结果
| 序号 | 检测项目 | 检测方法 | 检测结果 |
| 1 | 外观 | 目视 | 乳白色液体 |
| 2 | 粘度 | Brookfield公司生产的DVT粘度计 | 3000～5000cP |
| 3 | 固体份（不挥发物含量） | 称取1-2g样品，在110℃下烤15min，300℃下烤15min | 质量分数为23-26% |
| 4 | pH值 | 酸度计 | 7-10 |
| 5 | 分散颗粒粒径 | 25 μm刮板细度计 | 小于20μm |
将聚醚砜分散液配成涂料，然后在180℃至400℃的高温下烘干成膜，并对成膜后的膜层进行百格试验。性能测试结果如表3所示。
表3 性能测试结果
| 测试指标 | 性能 |
| 烤膜颜色 | 无色 |
| 铅笔硬度（三菱铅笔） | 2H |
| 附着力 | 1毫米百格无脱落 |
| 煮水30分钟后的附着力 | 1毫米百格无脱落 |
综上所述，制得的分散液产品在下游产品应用中的性能优异，附着力优异，不出现黄变现象，能充分满足下游的应用需求。
上面结合附图和实施例对本发明作了详细的说明，但是，所属技术领域的技术人员能够理解，在不脱离本发明宗旨的前提下，还可以对上述实施例中的各个具体参数进行变更，以及非质子溶剂可以两种或多种混合一起使用，可以形成多个具体的实施例，均为本发明的常见变化范围，在此不再一一详述。
Claims (9)
1.一种水性聚醚砜分散液，其特征在于，以重量份计，由以下制备原料组成：聚醚砜15-35份和混合溶剂65-85份；所述混合溶剂由水和非质子溶剂组成，所述水与所述非质子溶剂的重量比为15：1～0.5：1。
2.根据权利要求1所述的水性聚醚砜分散液，其特征在于，所述混合溶剂中水与非质子溶剂的重量比为10：1～1：1。
3.根据权利要求1所述的水性聚醚砜分散液，其特征在于，所述非质子溶剂为N-乙酰基吗啉、N-甲酰基吗啉、N-丙酰基吗啉、N-丁基吡咯烷酮、环丁砜和γ-丁内酯中的至少一种。
4.根据权利要求1所述的水性聚醚砜分散液，其特征在于，所述水性聚醚砜分散液中分散颗粒的粒径小于20μm。
5.根据权利要求1所述的水性聚醚砜分散液，其特征在于，所述水为去离子水。
6.权利要求1所述水性聚醚砜分散液的制备方法，其特征在于，包括以下步骤：
（1）按权利要求1所述的原料配比备料，将重量比为15：1～0.5：1的水与非质子溶剂进行混合，得到所述混合溶剂；
（2）将65-85份所述混合溶剂加入到15-35份所述聚醚砜中，进行研磨、分散、搅拌，至分散均匀，即得。
7.根据权利要求6所述的水性聚醚砜分散液的制备方法，其特征在于，在所述步骤（2）中，采用SF0.4型研磨分散搅拌一体机进行研磨、分散、搅拌。
8.根据权利要求6所述的水性聚醚砜分散液的制备方法，其特征在于，在所述步骤（2）中，研磨速度控制为500-2500r/min，研磨时间控制为12-48小时。
9.根据权利要求7所述的水性聚醚砜分散液的制备方法，其特征在于，在所述步骤（2）中，向所述SF0.4型研磨分散搅拌一体机中通入冷却水，使研磨过程中温度维持在20-40℃。
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