CN111072711B - 一种水性硅烷偶联剂及其制备方法和应用 - Google Patents
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Abstract
本发明公开了一种用于水性涂料的水性硅烷偶联剂及其制备方法和应用，其制备方法包括以下步骤：室温下向反应釜中投入KH560、一元醇以及催化剂，升温，使反应温度维持在85℃～93℃，同时通过精馏在12h内脱除反应体系中的醇，反应完全后除去催化剂，即得到水性硅烷偶联剂；其中，KH560和一元醇的摩尔比为1：1～18；一元醇为正丙醇、异丙醇、正丁醇、异丁醇中的一种或几种。本发明通过酯交换反应对KH560进行改性，以达到水性硅烷偶联剂在常温水性体系中稳定存在的目的，制备出的水性硅烷偶联剂可在单组分水性烤漆生产中代替KH560使用，使烤漆获得优异性能的同时可进行稳定的贮存。
Description
技术领域
本发明涉及有机化学领域，具体涉及一种能够改良水性涂料稳定性的水性硅烷偶联剂及其制备方法和应用。
背景技术
水性漆以清水作为溶剂，能节约大量的资源，减轻环境压力，同时对人体健康无害。随着环保政策的施压，消费者环保意识的提升，特别是各种VOC限量排放标准的出台，冲击传统油漆行业的同时对水性涂料的发展带来了机遇。虽然水性涂料在环保性能上优于传统油漆，但在物理性能上，水性涂料产品存在着施工难、不耐水、易揭皮、丰满度差、硬度差等缺陷。KH560作为助剂可明显改善水性涂料的相关物理性能，但同时带来了不宜储存的问题。
KH560是一种具有较高水敏感性的硅烷偶联剂，当暴露在水性环境中时，其中易水解的烷氧基会水解形成硅羟基(Si-OH)，并自缩合或与其他原料缩合形成低聚物，从而导致KH560失活。即使是应用于多组分水性涂料中，溶剂或其他原料中少量的水分也会在数周内导致KH560偶联剂失活。故在生产或使用前需对溶剂、原料进行脱水处理，大大增加了生产的复杂程度。而在单组分涂料当中，KH560会在非常短的时间内失活。
综上所述，KH560应用于水性涂料中有以下困难：1、单组分水性涂料中，添加KH560前需对涂料体系进行脱水处理，工艺复杂且能耗高；2、多组分水性涂料中，大量的水份会使KH560快速失去活性。
发明内容
针对现有技术中存在的问题，本发明提供了一种基于KH560的水性硅烷偶联剂及其制备方法和应用，该水性硅烷偶联剂可以在保留KH560性能的同时降低对水的敏感性，将其用在单组分水性涂料中可延缓水性涂料变质的时间。
本发明提供的技术方案具体如下：
一种水性硅烷偶联剂，由如结构式(Ⅰ)(Ⅱ)(Ⅲ)所示化合物中的一种或几种组成：
其中：R为正丙基、异丙基、正丁基、异丁基中的一种或几种。
一种水性硅烷偶联剂的制备方法，包括以下步骤：室温下向反应釜中投入KH560、一元醇以及催化剂，升温，使反应温度维持在85℃～93℃，同时通过精馏在12h内脱除反应体系中的醇，反应完全后除去催化剂，即得到水性硅烷偶联剂；其中，KH560和一元醇的摩尔比为1：1～18；一元醇为正丙醇、异丙醇、正丁醇、异丁醇中的一种或几种。
在上述技术方案的基础上，一元醇为异丙醇。
在上述技术方案的基础上，催化剂为阳离子交换树脂、阴离子交换树脂、氟化钠、冰醋酸、对甲苯磺酸中的一种。
在上述技术方案的基础上，催化剂为阳离子交换树脂或阴离子交换树脂，其添加量为KH560的0.1wt％～10wt％。
在上述技术方案的基础上，催化剂为氟化钠、冰醋酸、对甲苯磺酸中的一种，所述催化剂与KH560摩尔比为1-100:10000。
本发明还提供上述水性硅烷偶联剂作为助剂在涂料中的应用，具体为：
一种单组分水性涂料，添加有上述水性硅烷偶联剂，其添加量为1.0wt％～1.5wt％。
本发明还提供一种丙烯酸烤漆，由上述水性硅烷偶联剂和以下重量份的原料组成：
固含量为55％的水溶性丙烯酸树脂50
其中，水性硅烷偶联剂的添加量占丙烯酸烤漆总量的1.0wt％～1.5wt％。
在上述技术方案的基础上，流平剂为MODAREZ PW 336流平剂，润湿剂为聚乙二醇，消泡剂为BYK-022消泡剂，氨基树脂为Cymel 303氨基树脂。
本发明的反应机理如下：
本发明具有以下优点和有益效果：
(1)本发明将KH560中部分甲氧基替换为异丙氧基，保留其水解特性的同时增加了其水解门槛(水含量及温度等)。
(2)本发明提供的水性硅烷偶联剂加入水性涂料中可极大地增强涂料的稳定性，使环氧硅烷偶联剂可成功应用于单组分水性涂料中。
具体实施方式
以下结合实施例对本发明的技术方案作进一步详细说明。
实施例1
向反应釜中投入摩尔比为1：3的KH560和异丙醇，然后向反应釜中加入相当于KH560重量1wt％的阴离子交换树脂D201，升温，使反应温度维持在85℃～90℃，以0.01mL/s的速度精馏采出醇，反应12h后滤除阴离子交换树脂，即得到异丙醇改性的偶联剂，以KH560计，收率为114％，有效含量为98.5％。
实施例2
向反应釜中投入摩尔比为1：6的KH560和异丙醇，然后向反应釜中加入相当于KH560重量2wt％的阴离子交换树脂D201，升温，使反应温度维持在87℃～92℃，并以0.015mL/s的速度采出醇，反应12h后滤除阴离子交换树脂，即得到异丙醇改性的偶联剂，以KH560计，收率为115％，有效含量为98.9％。
实施例3
向反应釜中投入摩尔比为1：9的KH560和异丙醇，然后向反应釜中加入相当于KH560重量3wt％的阴离子交换树脂D201，升温，使反应温度维持在88℃～93℃，并以0.02mL/s的速度采出醇，反应12h后滤除阴离子交换树脂，即得到异丙醇改性的偶联剂，以KH560计，收率为116％，有效含量为99.1％。
实施例4
按表1所示配方，将25g水溶性丙烯酸树脂(固含量为55％)加入分散缸，添加乙醇搅匀，再加入二甲基乙醇胺和10g水，分散15分钟，加入BYK-022消泡剂，使用砂磨机将粒径磨至30μm以下。接着将剩下的25g水溶性丙烯酸树脂、21.5g水与Cymel 303氨基树脂、助溶剂乙醇、MODAREZ PW 336流平剂和润湿剂聚乙二醇加入调漆釜中。按表1所示配方总量的1.5wt％将实施例1中异丙醇改性的偶联剂加入调漆釜中，使用高速分散机分散均匀，得到丙烯酸烤漆。
表1实施例4-6的丙烯酸烤漆调漆配方
| 原料名称 | 用量/g |
| 水溶性丙烯酸树脂(固含量55％) | 50 |
| 助溶剂乙醇 | 15 |
| 二甲基乙醇胺 | 3.5 |
| 水 | 31.5 |
| MODAREZPW336流平剂 | 0.13 |
| 润湿剂聚乙二醇 | 0.12 |
| BYK-022消泡剂 | 0.05 |
| Cymel303氨基树脂 | 8 |
稳定性测试条件：把实施例4制备的丙烯酸烤漆置于50℃的烘箱中，测试不同时间下的附着力和外观粘度变化。漆膜附着力测试标准：GB/T 9286-1998。
漆膜条件：在玻璃片上涂大小为25mm×25mm的正方形漆膜，在150℃下烘烤30分钟。
表2实施例4制备的丙烯酸烤漆的附着力和稳定性测试
如表2所示，上述烤漆经喷涂及烘烤后漆膜粘接性提高。储存稳定性提高，常温密闭保存180天未见变质，50℃密闭保存360小时未见变质。
实施例5
按表1所示配方，将25g水溶性丙烯酸树脂(固含量为55％)加入分散缸，添加乙醇搅匀，再加入二甲基乙醇胺和10g水，分散15分钟，加入BYK-022消泡剂，使用砂磨机将粒径磨至30μm以下。接着将剩下的25g水溶性丙烯酸树脂、21.5g水与Cymel 303氨基树脂、助溶剂乙醇、MODAREZ PW 336流平剂和润湿剂聚乙二醇加入调漆釜中。按表1所示配方总量的1.5wt％将实施例2中异丙醇改性的偶联剂加入调漆釜中，使用高速分散机分散均匀，得到丙烯酸烤漆。
稳定性测试条件：将实施例5制备的丙烯酸烤漆置于50℃的烘箱中，测试不同时间下的附着力和外观粘度变化。漆膜附着力测试标准：GB/T 9286-1998。
漆膜条件：在玻璃片上涂大小为25mm×25mm的正方形漆膜，在150℃下烘烤30分钟。
表3实施例5制备的丙烯酸烤漆的附着力和稳定性测试
如表3所示，上述丙烯酸烤漆经喷涂及烘烤后漆膜粘接性提高，储存稳定性提高，常温密闭保存270天未见变质，50℃密闭保存360小时未见变质。
实施例6
按表1所示配方，将25g水溶性丙烯酸树脂(固含量为55％)加入分散缸，添加乙醇搅匀，再加入二甲基乙醇胺和10g水，分散15分钟，加入BYK-022消泡剂，使用砂磨机将粒径磨至30μm以下。接着将剩下的25g水溶性丙烯酸树脂、21.5g水与Cymel 303氨基树脂、助溶剂乙醇、MODAREZ PW 336流平剂和润湿剂聚乙二醇加入调漆釜中。按表1所示配方总量的1.5wt％将实施例2中异丙醇改性的偶联剂加入调漆釜中，使用高速分散机分散均匀，得到丙烯酸烤漆。
稳定性测试条件：将实施例6制备的丙烯酸烤漆置于50℃的烘箱中，测试不同时间下的附着力和外观粘度变化。漆膜附着力测试标准：GB/T 9286-1998。
漆膜条件：在玻璃片上涂大小为25mm×25mm的正方形漆膜，在150℃下烘烤30分钟。
表4实施例6制备的丙烯酸烤漆的附着力和稳定性测试
如表4所示，上述丙烯酸烤漆经喷涂及烘烤后漆膜粘接性提高，常温密闭保存360天未见变质，50℃密闭保存360小时未见变质。
上述实施例仅是为了清楚地说明所做的实施例，而并非对实施方式的限制。对于所属领域的普通技术人员来说，在上述说明的基础上还可以做出其他不同形式的变化或者变动，这里无需也无法对所有的实施方式予以穷举，因此所引申的显而易见的变化或变动仍处于本发明创造的保护范围之内。
Claims (6)
1.一种丙烯酸烤漆，其特征在于，由水性硅烷偶联剂和以下重量份的原料组成：
其中，所述水性硅烷偶联剂的添加量占丙烯酸烤漆总量的1.0wt％～1.5wt％；
所述水性硅烷偶联剂由如结构式(Ⅰ)(Ⅱ)(Ⅲ)所示化合物中的一种或几种组成：
其中：R为异丙基。
2.根据权利要求1所述的丙烯酸烤漆，其特征在于，所述水性硅烷偶联剂的制备方法包括以下步骤：室温下向反应釜中投入KH560、一元醇以及催化剂，升温，使反应温度维持在85℃～93℃，同时通过精馏在12h内脱除反应体系中的醇，反应完全后除去催化剂，即得到水性硅烷偶联剂；其中，KH560和一元醇的摩尔比为1：1～18；所述一元醇为异丙醇。
3.根据权利要求2所述的丙烯酸烤漆，其特征在于：所述催化剂为阳离子交换树脂、阴离子交换树脂、氟化钠、冰醋酸、对甲苯磺酸中的一种。
4.根据权利要求2所述的丙烯酸烤漆，其特征在于：所述催化剂为阳离子交换树脂或阴离子交换树脂，其添加量为KH560的0.1wt％～10wt％。
5.根据权利要求2所述的丙烯酸烤漆，其特征在于：所述催化剂为氟化钠、冰醋酸、对甲苯磺酸中的一种，所述催化剂与KH560摩尔比为1-100:10000。
6.根据权利要求1所述的丙烯酸烤漆，其特征在于：所述流平剂为MODAREZ PW 336流平剂，所述润湿剂为聚乙二醇，所述消泡剂为BYK-022消泡剂，所述氨基树脂为Cymel 303氨基树脂。
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