CN110172119A - 一种水性羟基丙烯酸乳液及其制备方法 - Google Patents
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Abstract
本发明涉及高分子涂料技术领域，尤其涉及一种水性羟基丙烯酸乳液及其制备方法。水性羟基丙烯酸乳液的制备方法，是以含有羟基的可聚合单体为主反应单体，以丙烯酸、丙烯酸丁酯、甲基丙烯酸甲酯和苯乙烯为辅反应单体，以十二烷基二苯醚二磺酸钠为乳化剂，首先利用乳化剂对主反应单体和辅反应单体进行预乳化得到预乳化单体，然后将预乳化单体和引发剂混合制备得到水性羟基丙烯酸乳液。与阴离子和非离子乳化剂复配制备的水性羟基丙烯酸乳液的常规方法相比，本发明采用阴离子表面活性剂为乳化剂，阴离子表面活性剂能够较好的乳化反应单体，提高羟基含量的同时能够有效的降低凝胶率。
Description
技术领域
本发明涉及高分子涂料技术领域，尤其涉及一种水性羟基丙烯酸乳液及其制备方法。
背景技术
由于传统的溶剂型双组份丙烯酸聚氨酯涂料含有较高挥发性有机化合物(Volatile Organic Compounds，VOC)和有害的空气污染物，随着各国环保法规的日益健全和环保意识的增强，传统的溶剂型双组份丙烯酸聚氨酯涂料越来越受到严格的限制。水性涂料是以水为分散介质，具有不燃、无毒、环保等优点，成为涂料行业的发展趋势。水性双组份丙烯酸聚氨酯涂料具有较低的VOC，具有优异的保光保色性，不易变色失光，耐候性佳，同时具有较好的耐磨性、耐化学品性、成为各国研究的重点。
双组份水性丙烯酸聚氨酯涂料由含羟基树脂和多异氰酸酯预聚物两组分组成，涂装后羟基-OH和多异氰酸酯的-NCO在常温下交联固化，形成具有立体网状结构的交联涂膜。由于羟基树脂具有聚合物结构可调，乳液粒子具有可设计性，且还可赋予多种功能性，是双组份水性涂料性能的重要影响因素，并且还影响着固化剂在水相的分散稳定性、成膜过程中的扩散与交联以及涂膜的最终性能。
通过乳液聚合制备的水性羟基丙烯酸乳液具有较高的分子量和较高的玻璃化温度，在化学交联反应开始前就能够迅速完成物理干燥，并且在水相中进行，不需要额外的分散步骤，成本较低。发明专利申请公开号：CN107163179A，报道了通过乳液聚合制备的具有核壳结构水性羟基丙烯酸乳液，该专利通过两步法，采用两种不同的油溶性引发剂分别制备核聚合物乳液和壳聚合物乳液，但是在制备过程中油溶性引发剂与水不相容，容易导致反应初始瞬间凝胶率上升，乳液颗粒变大，对多异氰酸酯固化剂的分散性能差，活化期短。再如发明专利申请公开号：CN106977647A，报道的水性羟基丙烯酸乳液，在单体配方中加入了水溶性单体丙烯晴，该水溶性单体的加入容易引发水相成核，导致羟基功能基团不能够均匀的分布在分子主链上。此外，现有水性羟基丙烯酸乳液的制备方法，是采用阴离子和非离子乳化剂进行复配后，与pH缓冲剂碳酸氢钠一次性加入到反应釜中作为打底料，缓慢升高温度至80℃，再慢慢的滴加反应单体和引发剂的混合液。此工艺存在三个问题：(1)单体和引发剂一起混合滴加，若夏天车间温度高，容易引起引发剂产生自由基，引发单体自聚，发生放热反应，存在安全隐患；(2)阴离子和非离子乳化剂作为打底料加入到反应烧瓶中，单体在滴加过程中不能够及时对油性单体进行乳化，在反应过程中造成凝胶率上升，有结块现象；(3)由于自由基聚合为放热反应，单体和引发剂混合滴加会造成反应烧瓶温度出现较大波动，批次产品的稳定性下降。
发明内容
为了解决以上问题，本发明的目的是提供一种羟基含量高、凝胶率低的水性羟基丙烯酸乳液及其制备方法。
为实现上述目的，本发明所设计的水性羟基丙烯酸乳液，以重量份数计，由以下组分制备而成：含有羟基的可聚合单体20～60份、苯乙烯0～10份、丙烯酸丁酯0～60份、甲基丙烯酸甲酯0～80份、丙烯酸0～10份、十二烷基二苯醚二磺酸钠2～20份、引发剂1～10份、pH缓冲液0～220份；所述含有羟基的可聚合单体为丙烯酸羟乙酯、甲基丙烯酸羟乙酯、丙烯酸羟丙酯、甲基丙烯酸羟丙酯中的至少一种。
作为优选方案，本发明所设计的水性羟基丙烯酸乳液，以重量份数计，由以下组分制备而成：丙烯酸羟乙酯0～10份、甲基丙烯酸羟乙酯20～25份、丙烯酸羟丙酯10～20份、甲基丙烯酸羟丙酯0～10份、苯乙烯8～9份、丙烯酸丁酯40～50份、甲基丙烯酸甲酯20～30份、丙烯酸5～7份、十二烷基二苯醚二磺酸钠10～15份、引发剂8～9份、pH缓冲液100～180份。采用上述原料的配比得到的产品具有更高的羟基含量和更低的凝胶率。
作为优选方案，所述引发剂为过硫酸钾溶液和/或过硫酸铵溶液。
作为优选方案，所述pH缓冲液为浓度为0.2％～0.3％的碳酸氢钠溶液。
一种水性羟基丙烯酸乳液的制备方法，是以含有羟基的可聚合单体为主反应单体，以丙烯酸、丙烯酸丁酯、甲基丙烯酸甲酯和苯乙烯为辅反应单体，以十二烷基二苯醚二磺酸钠为乳化剂，首先利用乳化剂对主反应单体和辅反应单体进行预乳化得到预乳化单体，然后将预乳化单体和引发剂混合制备得到水性羟基丙烯酸乳液。
与现有的技术相比，本发明对水性羟基丙烯酸乳液的制备方法进行改进，首先利用十二烷基二苯醚二磺酸钠能对单体进行充分预乳化，乳化效果要优于传统阴离子和非离子的复配乳化剂，然后将预乳化单体和引发剂反应制备得到水性羟基丙烯酸乳液；油性的单体经过预乳化后再与引发剂反应能明显降低凝胶率，而且利用十二烷基二苯醚二磺酸钠作为乳化剂，能提高反应产品的羟值。
作为优选方案，水性羟基丙烯酸乳液的制备方法，具体制备过程为：
(1)配制反应原料：以重量份数计，
主反应单体：丙烯酸羟乙酯0～10份、甲基丙烯酸羟乙酯20～25份、丙烯酸羟丙酯15～20份、甲基丙烯酸羟丙酯0～10份；
辅反应单体：苯乙烯8～9份、丙烯酸丁酯40～50份、甲基丙烯酸甲酯20～30份、丙烯酸5～7份；
乳化剂：十二烷基二苯醚二磺酸钠10～15份；
去离子水：80～120份；
引发剂：浓度为10％的过硫酸铵溶液8～9份；
缓冲剂：浓度为0.25％的碳酸氢钠溶液100～180份；
(2)制备预乳化单体：以重量份数计，将主反应单体、辅反应单体、乳化剂和去离子水混合搅拌得到预乳化单体；
(3)半连续法合成：将一部分预乳化单体和一部分的引发剂在缓冲液中进行聚合反应后得到种子乳液，再将剩余的预乳化单体和剩余的引发剂逐滴滴加在种子乳液中，待聚合完全后出料得到水性羟基丙烯酸乳液。采用半连续法工艺能相比于一次性加入单体和引发剂而言，能保证反应温度恒定，提高产品性能的稳定性。
作为优选方案，所述步骤(3)的具体操作过程为，在反应釜的一侧滴加预乳化单体，在反应釜的另一侧滴加引发剂，在搅拌的条件下进行聚合反应。将反应单体和引发剂分隔滴加避免反应单体和引发剂快速反应释放大量的热量，造成反应釜的温度波动较大，影响批次生产的稳定性。
附图说明
图1为实施例1得到的水性羟基丙烯酸乳液红外光谱图；
图2为实施例1得到的水性羟基丙烯酸乳液粒径分布图。
具体实施方式
为更好地理解本发明，以下将结合附图和具体实例对发明进行详细的说明。
以下实施例中的反应单体为主反应单体和辅反应单体。
实施例1
水性羟基丙烯酸乳液的制备方法，包括步骤：
(1)配制试剂：
主反应单体：56g甲基丙烯酸羟乙酯；
辅反应单体：10g苯乙烯、46g丙烯酸丁酯、80g甲基丙烯酸甲酯、8g丙烯酸；
乳化剂：7.25g十二烷基二苯醚二磺酸钠；
去离子水：80份；
引发剂：10％的过硫酸铵溶液10g；
pH缓冲液：0.25％碳酸氢钠溶液200g；
(2)制备预乳化单体：
将反应单体、乳化剂和去离子水置于烧杯中磁力搅拌进行预乳化30分钟得到预乳化单体。
(3)制备种子液
在装有搅拌棒、冷凝管、温度计和蠕动泵的四口烧瓶中加入pH缓冲液，升温至80℃，待四口烧瓶温度升高至80℃后，取1/3质量的引发剂溶液和10％质量的预乳化单体加入烧瓶中体系呈蓝相，得种子乳液；
(4)半连续法合成：在反应釜中将剩余的预乳化单体和引发剂控制在3小时内匀速滴加到种子乳液中，滴加时，预乳化单体在反应釜的一侧滴加，引发剂在反应釜的另一侧滴加，待剩余预乳化单体和引发剂滴加完毕后，80℃保温反应30分钟使单体充分反应，将乳液冷却至室温，氨水调节pH至7.5，过滤出料得到水性羟基丙烯酸乳液。
本实施例得到的水性羟基丙烯酸乳液的羟值为120.7mgKOH/g；凝乳率为2.31％；粒径为162nm；如图2所示，粒径分布为0.207。
将本实施例得到的水性羟基丙烯酸乳液进行红外光谱实验，由图1可以看出，3501cm-1处为羟基的吸收峰，2954cm-1和2874cm-1处为甲基和亚甲基的吸收峰，1732cm-1处为羰基的吸收峰，在1640cm-1左右没有出现明显的吸收峰，说明丙烯酸单体都发了聚合反应。1453cm-1和1387cm-1处为甲基丙烯酸甲酯的特征吸收峰。1248cm-1处为聚合物中C-O-C伸缩振动产生，1148cm-1处为C-O和-COOH振动产生。843cm-1和961cm-1处为丙烯酸丁酯的吸收峰。由此可以推断，甲基丙烯酸羟乙酯、丙烯酸丁酯、苯乙烯、丙烯酸和甲基丙烯酸甲酯都参与了反应。
实施例2
水性羟基丙烯酸乳液的制备方法，包括步骤：
(1)配制试剂：
主反应单体：10g丙烯酸羟乙酯、20g甲基丙烯酸羟乙酯、15g丙烯酸羟丙酯；
辅反应单体：8g苯乙烯、40g丙烯酸丁酯、20g甲基丙烯酸甲酯、6g丙烯酸；
乳化剂：10g十二烷基二苯醚二磺酸钠；
去离子水：100份；
引发剂：10％的过硫酸铵溶液8g；
pH缓冲液：0.25％碳酸氢钠溶液180g；
(2)制备预乳化单体：
将反应单体、乳化剂和去离子水置于烧杯中磁力搅拌进行预乳化30分钟得到预乳化单体。
(3)制备种子液
在装有搅拌棒、冷凝管、温度计和蠕动泵的四口烧瓶中加入pH缓冲液，升温至80℃，待四口烧瓶温度升高至80℃后，取1/4质量的引发剂溶液和10％质量的预乳化单体一次性加入烧瓶中体系呈蓝相，得种子乳液；
(4)半连续法合成：将剩余的预乳化单体和引发剂控制在4小时内匀速滴加到种子乳液中，滴加时，预乳化单体在反应釜的一侧滴加，引发剂在反应釜的另一侧滴加，待剩余预乳化单体和引发剂滴加完毕后，80℃保温反应60分钟使单体充分反应，将乳液冷却至室温，氨水调节pH至7，过滤出料得到水性羟基丙烯酸乳液。
实施例3
水性羟基丙烯酸乳液的制备方法，包括步骤：
(1)配制试剂：
主反应单体：25g甲基丙烯酸羟乙酯、20g丙烯酸羟丙酯、10g甲基丙烯酸羟丙酯；
辅反应单体：9g苯乙烯、45g丙烯酸丁酯、25g甲基丙烯酸甲酯、5g丙烯酸；
乳化剂：14g十二烷基二苯醚二磺酸钠；
去离子水：120份；
引发剂：10％的过硫酸铵溶液9g；
pH缓冲液：0.25％碳酸氢钠溶液100g；
(2)制备预乳化单体：
将反应单体、乳化剂和去离子水置于烧杯中磁力搅拌进行预乳化30分钟得到预乳化单体。
(3)制备种子液
在装有搅拌棒、冷凝管、温度计和蠕动泵的四口烧瓶中加入pH缓冲液，升温至80℃，待四口烧瓶温度升高至80℃后，取1/3质量的引发剂溶液和20％质量的预乳化单体一次性加入烧瓶中体系呈蓝相，得种子乳液；
(4)半连续法合成：将剩余的预乳化单体和引发剂控制在3小时内匀速滴加到种子乳液中，待剩余预乳化单体和引发剂滴加完毕后，80℃保温反应60分钟使单体充分反应，将乳液冷却至室温，氨水调节pH至8，过滤出料得到水性羟基丙烯酸乳液。
实施例4
水性羟基丙烯酸乳液的制备方法，包括步骤：
(1)配制试剂：
主反应单体：10g丙烯酸羟乙酯、20g甲基丙烯酸羟乙酯、10g丙烯酸羟丙酯、10g甲基丙烯酸羟丙酯；
辅反应单体：8g苯乙烯、50g丙烯酸丁酯、30g甲基丙烯酸甲酯、7g丙烯酸；
乳化剂：15g十二烷基二苯醚二磺酸钠；
去离子水：100份；
引发剂：10％的过硫酸铵溶液8g；
pH缓冲液：0.25％碳酸氢钠溶液150g；
(2)制备预乳化单体：
将反应单体、乳化剂和去离子水置于烧杯中磁力搅拌进行预乳化40分钟得到预乳化单体。
(3)制备种子液
在装有搅拌棒、冷凝管、温度计和蠕动泵的四口烧瓶中加入pH缓冲液，升温至80℃，待四口烧瓶温度升高至80℃后，取1/3质量的引发剂溶液和10％质量的预乳化单体一次性加入烧瓶中体系呈蓝相，得种子乳液；
(4)半连续法合成：将剩余的预乳化单体和引发剂控制在3小时内匀速滴加到种子乳液中，待剩余预乳化单体和引发剂滴加完毕后，80℃保温反应60分钟使单体充分反应，将乳液冷却至室温，氨水调节pH至8，过滤出料得到水性羟基丙烯酸乳液。
实施例5
水性羟基丙烯酸乳液的制备方法，包括步骤：
(1)配制试剂：
主反应单体：20甲基丙烯酸羟乙酯；
辅反应单体：60g丙烯酸丁酯；
乳化剂：2g十二烷基二苯醚二磺酸钠；
去离子水：100份；
引发剂：10％的过硫酸铵溶液1g；
(2)制备预乳化单体：
将反应单体、乳化剂和去离子水置于烧杯中磁力搅拌进行预乳化40分钟得到预乳化单体。
(3)制备种子液
在装有搅拌棒、冷凝管、温度计和蠕动泵的四口烧瓶升温至80℃，待四口烧瓶温度升高至80℃后，取1/3质量的引发剂溶液和10％质量的预乳化单体一次性加入烧瓶中体系呈蓝相，得种子乳液；
(4)半连续法合成：将剩余的预乳化单体和引发剂控制在3小时内匀速滴加到种子乳液中，待剩余预乳化单体和引发剂滴加完毕后，80℃保温反应60分钟使单体充分反应，将乳液冷却至室温，氨水调节pH至8，过滤出料得到水性羟基丙烯酸乳液。
实施例6
水性羟基丙烯酸乳液的制备方法，包括步骤：
(1)配制试剂：
主反应单体：30g丙烯酸羟乙酯、30g丙烯酸羟丙酯；
辅反应单体：5g苯乙烯、80g甲基丙烯酸甲酯、10g丙烯酸；
乳化剂：20g十二烷基二苯醚二磺酸钠；
去离子水：100份；
引发剂：10％的过硫酸铵溶液10g；
pH缓冲液：0.3％碳酸氢钠溶液100g；
(2)制备预乳化单体：
将反应单体、乳化剂和去离子水置于烧杯中磁力搅拌进行预乳化40分钟得到预乳化单体。
(3)制备种子液
在装有搅拌棒、冷凝管、温度计和蠕动泵的四口烧瓶中加入pH缓冲液，升温至80℃，待四口烧瓶温度升高至80℃后，取1/3质量的引发剂溶液和10％质量的预乳化单体一次性加入烧瓶中体系呈蓝相，得种子乳液；
(4)半连续法合成：将剩余的预乳化单体和引发剂控制在3小时内匀速滴加到种子乳液中，待剩余预乳化单体和引发剂滴加完毕后，80℃保温反应60分钟使单体充分反应，将乳液冷却至室温，氨水调节pH至8，过滤出料得到水性羟基丙烯酸乳液。
实施例7
水性羟基丙烯酸乳液的制备方法，包括步骤：
(1)配制试剂：
主反应单体：40g甲基丙烯酸羟丙酯；
辅反应单体：5g苯乙烯、20g丙烯酸丁酯、20g甲基丙烯酸甲酯、8g丙烯酸；
乳化剂：5g十二烷基二苯醚二磺酸钠；
去离子水：100份；
引发剂：10％的过硫酸钾溶液5g；
pH缓冲液：0.2％碳酸氢钠溶液100g；
(2)制备预乳化单体：
将反应单体、乳化剂和去离子水置于烧杯中磁力搅拌进行预乳化40分钟得到预乳化单体。
(3)制备种子液
在装有搅拌棒、冷凝管、温度计和蠕动泵的四口烧瓶中加入pH缓冲液，升温至80℃，待四口烧瓶温度升高至80℃后，取1/3质量的引发剂溶液和10％质量的预乳化单体一次性加入烧瓶中体系呈蓝相，得种子乳液；
(4)半连续法合成：将剩余的预乳化单体和引发剂控制在3小时内匀速滴加到种子乳液中，待剩余预乳化单体和引发剂滴加完毕后，80℃保温反应60分钟使单体充分反应，将乳液冷却至室温，氨水调节pH至8，过滤出料得到水性羟基丙烯酸乳液。
实施例8
实施例8与实施例1的制备方法相比，区别仅在于实施例8中乳化剂的用量为10.89g。
实施例9
实施例9与实施例1的制备方法相比，区别仅在于实施例9中乳化剂的用量为14.5g。
对比例
按照常规方法：通过阴离子和非离子乳化剂复配制备的水性羟基丙烯酸乳液，乳化剂采用3.625g阴离子乳化剂(十二烷基二苯醚二磺酸钠)和3.625g非离子乳化剂(脂肪醇聚氧乙烯醚)复配的复合乳化剂。现将7.25g复合乳化剂与pH缓冲剂碳酸氢钠一次性加入到反应釜中作为打底料，缓慢升高温度至80℃，再慢慢的滴加反应单体:56g甲基丙烯酸羟乙酯，10g苯乙烯、46g丙烯酸丁酯、80g甲基丙烯酸甲酯、8g丙烯酸和引发剂:10％的过硫酸铵溶液10g。
实施例1～9以及对比例制备得到的水性羟基丙烯酸乳液的性能见下表：
以上所述实施例仅表达了本发明的几种实施方式，其描述较为具体和详细，但并不能因此而理解为对本发明专利范围的限制。应当指出的是，对于本领域的普通技术人员来说，在不脱离本发明构思的前提下，还可以做出若干变形和改进，这些都属于本发明的保护范围。因此，本发明专利的保护范围应以所附权利要求为准。
Claims (7)
1.一种水性羟基丙烯酸乳液，其特征在于，以重量份数计，由以下组分制备而成：含有羟基的可聚合单体20～60份、苯乙烯0～10份、丙烯酸丁酯0～60份、甲基丙烯酸甲酯0～80份、丙烯酸0～10份、十二烷基二苯醚二磺酸钠2～20份、引发剂1～10份、pH缓冲液0～220份；所述含有羟基的可聚合单体为丙烯酸羟乙酯、甲基丙烯酸羟乙酯、丙烯酸羟丙酯、甲基丙烯酸羟丙酯中的至少一种。
2.根据权利要求1所述的水性羟基丙烯酸乳液，其特征在于，以重量份数计，由以下组分制备而成：丙烯酸羟乙酯0～10份、甲基丙烯酸羟乙酯20～25份、丙烯酸羟丙酯10～20份、甲基丙烯酸羟丙酯0～10份、苯乙烯8～9份、丙烯酸丁酯40～50份、甲基丙烯酸甲酯20～30份、丙烯酸5～7份、十二烷基二苯醚二磺酸钠10～15份、引发剂8～9份、pH缓冲液100～180份。
3.根据权利要求1或2所述的水性羟基丙烯酸乳液，其特征在于，所述引发剂为过硫酸钾溶液和/或过硫酸铵溶液。
4.根据权利要求1或2所述的水性羟基丙烯酸乳液，其特征在于，所述pH缓冲液为浓度为0.2％～0.3％的碳酸氢钠溶液。
5.一种如权利要求1或2所述的水性羟基丙烯酸乳液的制备方法，其特征在于，是以含有羟基的可聚合单体为主反应单体，以丙烯酸、丙烯酸丁酯、甲基丙烯酸甲酯和苯乙烯为辅反应单体，以十二烷基二苯醚二磺酸钠为乳化剂，首先利用乳化剂对主反应单体和辅反应单体进行预乳化得到预乳化单体，然后将预乳化单体和引发剂混合制备得到水性羟基丙烯酸乳液。
6.根据权利要求5所述的水性羟基丙烯酸乳液的制备方法，其特征在于，具体制备过程为：
(1)配制反应原料：以重量份数计，
主反应单体：丙烯酸羟乙酯0～10份、甲基丙烯酸羟乙酯20～25份、丙烯酸羟丙酯15～20份、甲基丙烯酸羟丙酯0～10份；
辅反应单体：苯乙烯8～9份、丙烯酸丁酯40～50份、甲基丙烯酸甲酯20～30份、丙烯酸5～7份；
乳化剂：十二烷基二苯醚二磺酸钠10～15份；
去离子水：80～120份；
引发剂：浓度为10％的过硫酸铵溶液8～9份；
缓冲剂：浓度为0.25％的碳酸氢钠溶液100～180份；
(2)制备预乳化单体：以重量份数计，将主反应单体、辅反应单体、乳化剂和去离子水混合搅拌得到预乳化单体；
(3)半连续法合成：将一部分预乳化单体和一部分的引发剂在缓冲液中进行聚合反应后得到种子乳液，再将剩余的预乳化单体和剩余的引发剂逐滴滴加在种子乳液中，待聚合完全后出料得到水性羟基丙烯酸乳液。
7.根据权利要求6所述的水性羟基丙烯酸乳液的制备方法，其特征在于，所述步骤(3)的具体操作过程为，在反应釜的一侧滴加预乳化单体，在反应釜的另一侧滴加引发剂，在搅拌的条件下进行聚合反应。
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