水性防腐涂料用的氯乙烯共聚物乳液及其制备方法和应用
技术领域
本发明涉及化学工程技术领域,具体涉及一种水性防腐涂料用的氯乙烯共聚物乳液及其制备方法和应用。
背景技术
含氯聚合物,如氯乙烯-异丁基乙烯基醚共聚物、氯乙烯-醋酸乙烯共聚物、氯磺化聚乙烯、氯化聚丙烯、氯化橡胶等是制备防腐涂料的重要基体树脂,其防腐性能与聚合物的含氯量密切相关。目前,含氯聚合物主要以溶解在有机溶剂(芳烃、酮类或酯类等溶剂)的形式制备防腐涂料,虽具有成膜快、膜致密性好等优点,但挥发性有机物(VOC)含量高,对环境不友好,制约其发展。水性化是防腐涂料发展的主要趋势之一。
氯乙烯-异丁基乙烯基醚共聚物(简称氯醚树脂)具有抗皂化性强、耐化学腐蚀、与塑料和金属等基材黏结力强、耐紫外光和抗粉化性等特点,是一种综合性能优良的防腐涂料黏结树脂,其涂层的防腐能力是普通防腐涂料的2~3倍,可生产用于海洋钻井平台、高档船舶和集装箱等的防腐涂料。氯醚树脂最早由德国BASF公司生产,产品牌号为LaroflexMP,根据溶液黏度高低,细分为MP15、MP25、MP35、MP45和MP60五种品级。国内江苏利思德新材料有限公司、杭州电化集团、江阴汇通精细化工公司等也先后开发了氯醚树脂合成技术并实现了工业化生产。
为了实现氯醚树脂和涂料的水性化,兰州大学的陈飞等(Progress in OrganicCoatings,2010,67:60~65)采用溶液接枝共聚方法,在氯醚树脂主链接枝甲基丙烯酸甲酯、丙烯酸丁酯和丙烯酸共聚物,再通过有机胺中和和水相分散而得到丙烯酸改性的氯醚树脂水性分散液。江苏利思德化工有限公司专利(CN102181006A)公开了一种水性氯乙烯/异丁基乙烯基醚共聚物分散液的制备方法,以质量分数为60~75%的氯乙烯单体、质量分数为25~40%的异丁基乙烯基醚单体,以及相对氯乙烯和异丁基乙烯基醚总质量5~15%的(甲基)丙烯酸羟烷基酯单体、相对氯乙烯和异丁基乙烯醚总质量10~25%的不饱和羧酸单体为原料,通过有机相溶液聚合、共聚物与有机胺类的中和反应和水相分散而得到水性氯醚树脂乳液。江苏利思德新材料有限公司(CN108359043A)又公开了由氯乙烯、异丁基乙烯基醚、2-丙烯酰胺-2-甲基丙磺酸组成的水性氯乙烯共聚树脂的制备方法,通过以烷烃为介质的50质量分数氯乙烯、15~25质量分数异丁基乙烯基醚和25~35质量分数2-丙烯酰胺-2-甲基丙磺酸组成的单体的分散聚合、分离干燥、水相分散得到水性氯醚树脂乳液。以上方法均以有机溶剂为介质进行聚合,依靠高含量的亲水单体或其胺化衍生物实现水相分散,制备过程较为复杂。同时,大量刚性、不含氯元素的单体的引入,导致共聚物乳液成膜温度的增高和防腐性能的下降。
发明内容
针对本领域存在的不足之处,本发明提供了一种水性防腐涂料用的氯乙烯共聚物乳液的制备方法。
一种水性防腐涂料用的氯乙烯共聚物乳液的制备方法,包括步骤:在反应器中加入去离子水、氯乙烯、氯丙烯、异丁基乙烯基醚、马来酸酐、乳化剂和还原剂,搅拌升温至45~60℃,然后连续滴加过硫酸铵引发剂水溶液,开始聚合,聚合过程中连续补加氯乙烯,控制氯乙烯的补加速度,维持聚合体系压力±0.1kg/cm2,氯乙烯补加完毕后继续聚合至体系压力下降0.5~2.0kg/cm2时,降温结束聚合,脱除未反应单体,得到氯乙烯共聚物乳液。
本发明提出了一种由氯乙烯、氯丙烯、异丁基乙烯基醚和马来酸酐组成的共聚物乳液的制备方法,得到的乳液与涂料助剂复配即可得到水性防腐涂料。采用水相乳液聚合直接制备氯醚共聚物胶乳并进一步制备水性防腐涂料,可以简化生产过程并免于使用有机溶剂反应介质。以部分柔性好的含氯单体(聚丙烯)代替异丁基乙烯基醚,降低不含氯元素的低玻璃化温度单体异丁基乙烯基醚的加入量,从而在降低共聚物玻璃化温度的同时,又利于共聚物含氯量的提高,兼顾乳液的成膜温度和涂层的防腐性能。添加少量黏结性能优异的含羧基或磺酸基的乙烯基单体则可克服由于异丁基乙烯基醚含量降低而导致的黏结性下降。
氯丙烯中的极性氯原子通过亚甲基与碳-碳主链连接,因此聚氯丙烯的分子间作用力小于聚氯乙烯,柔性优于聚氯乙烯。以氯丙烯替代部分异丁基乙烯基醚,可以在保证共聚物具有较低玻璃化温度、共聚物乳液具有较低成膜温度的前提下,具有较高的氯含量。同时,少量马来酸酐酸单体的引入又可提高共聚物涂层的黏结力。
由于氯乙烯的竞聚率大于氯丙烯和异丁基乙烯基醚,采用半连续乳液聚合方式合成氯乙烯-氯丙烯-异丁基乙烯基醚-马来酸酐共聚物乳液,即先将全部氯丙烯、异丁基乙烯基醚、马来酸酐单体加入反应器,而氯乙烯单体部分预先加入,剩余的氯乙烯单体在聚合过程中连续加入。采用控制氯乙烯补加速度,使补加单体阶段聚合体系的压力基本不变的方法,有利于得到共聚组成较为均匀的氯乙烯共聚物。
作为优选,以所述去离子水为150质量份计,第一次加入的氯乙烯为35质量份,氯丙烯和异丁基乙烯基醚之和为25质量份,马来酸酐为2质量份,乳化剂为3~5质量份,还原剂为0.2~0.5质量份,过硫酸铵为0.2~1.0质量份,补加的氯乙烯为38质量份。
作为优选,所述氯丙烯和异丁基乙烯基醚的质量比为1:1~3。该比例下,以部分氯丙烯替代异丁基乙烯基醚,在保证氯乙烯共聚物具有较低玻璃化温度(乳液具有较低成膜温度)的同时保持较高的氯含量,从而保证共聚物涂层有更好的防腐性能。
作为优选,以2.0~4.0质量份/小时的速度连续滴加5%质量浓度的过硫酸铵引发剂水溶液,控制聚合速度,克服引发剂一次加入而产生的聚合自动加速过于剧烈、聚合温度控制困难的问题。
氯乙烯共聚物乳液用于制备水性防腐涂料时,乳液必须具有良好的机械、抗冻融和抗盐等稳定性,而羧酸单体的引入往往会导致乳液稳定性的下降,因此,聚合采用由常规阴离子型乳化剂和反应型阴离子乳化剂组成的乳化体系,可以对乳胶粒子具有良好稳定保护作用。作为优选,所述的乳化剂为十二烷基硫酸钠和α-丙烯基烷基酚聚氧乙烯醚硫酸铵复合乳化剂。
进一步优选,所述的十二烷基硫酸钠和α-丙烯基烷基酚聚氧乙烯醚硫酸铵的质量比为5~9:1,此比例下可保证氯乙烯共聚物乳液具有最佳的稳定性。
作为优选,所述的还原剂为亚硫酸钠和/或亚硫酸氢钠。为了保证聚合速率,聚合采用水溶性氧化-还原引发体系,氧化剂(引发剂)为过硫酸铵,还原剂为亚硫酸钠和/或亚硫酸氢钠。而且,聚合采用先加入还原剂,而引发剂在聚合过程中连续加入的方式,可以控制聚合速度,克服引发剂一次加入而产生的聚合自动加速过于剧烈、聚合温度控制困难的问题。
本发明还提供了所述的制备方法制备得到的水性防腐涂料用的氯乙烯共聚物乳液。
本发明还提供了所述的氯乙烯共聚物乳液在水性防腐涂料中的应用。
本发明与现有技术相比,主要优点包括:以部分氯丙烯替代异丁基乙烯基醚,在保证氯乙烯共聚物具有较低玻璃化温度(乳液具有较低成膜温度)的条件下保持较高的氯含量,从而保证共聚物涂层有更好的防腐性能;采用常规阴离子乳化剂和反应性乳化剂复合,保证氯乙烯共聚物乳液具有良好的稳定性。
具体实施方式
下面结合具体实施例,进一步阐述本发明。应理解,这些实施例仅用于说明本发明而不用于限制本发明的范围。下列实施例中未注明具体条件的操作方法,通常按照常规条件,或按照制造厂商所建议的条件。
本发明以柔性较好的氯丙烯替代部分异丁基乙烯基醚与氯乙烯共聚,氯乙烯共聚物既有较高的氯含量和良好的防腐性能,又有较低的成膜温度;采用常规阴离子乳化剂和反应性乳化剂复合,保证氯乙烯共聚物乳液具有良好的稳定性;采用氧化-还原引发体系,并连续加入引发剂,聚合速率均匀。
实施例1
在耐压反应器中加入150g去离子水、35g氯乙烯、25g氯丙烯和异丁基乙烯基醚(氯丙烯和异丁基乙烯基醚质量比为1:1)、2g马来酸酐、2.5g十二烷基硫酸钠和0.5g的α-丙烯基烷基酚聚氧乙烯醚硫酸铵复合乳化剂、0.2g亚硫酸氢钠还原剂,升温到55℃,以2.0g/小时的速度滴加5%浓度的过硫酸铵水溶液开始聚合,并连续补加38g氯乙烯单体,维持聚合体系压力基本不变,氯乙烯滴加完成后,继续反应至体系压力下降1.0kg/cm2时,冷却结束聚合,脱除未反应氯乙烯、氯丙烯和异丁基乙烯基醚,得到固含量为35.6%的改性氯醚共聚物乳液。
实施例2
在耐压反应器中加入150g去离子水、35g氯乙烯、25g氯丙烯和异丁基乙烯基醚(氯丙烯和异丁基乙烯基醚质量比为1:1.5)、2g马来酸酐、2.5g十二烷基硫酸钠和0.5g的α-丙烯基烷基酚聚氧乙烯醚硫酸铵复合乳化剂、0.2g亚硫酸氢钠还原剂,升温到55℃,以2.0g/h的速度滴加5%浓度的过硫酸铵水溶液,开始聚合,并连续补加38g氯乙烯单体,维持聚合体系压力基本不变,氯乙烯滴加完成后,继续反应至体系压力下降1.0kg/cm2时,冷却结束聚合,脱除未反应氯乙烯、氯丙烯和异丁基乙烯基醚,得到固含量为35.8%的改性氯醚共聚物乳液。
实施例3
在耐压反应器中加入150g去离子水、35g氯乙烯、25g氯丙烯和异丁基乙烯基醚(氯丙烯和异丁基乙烯基醚质量比为1:2)、2g马来酸酐、2.5g十二烷基硫酸钠和0.5g的α-丙烯基烷基酚聚氧乙烯醚硫酸铵复合乳化剂、0.2g亚硫酸氢钠还原剂,升温到55℃,以2.0g/h的速度滴加5%浓度的过硫酸铵水溶液,开始聚合,并连续补加38g氯乙烯单体,维持聚合体系压力基本不变,氯乙烯补加完毕后,继续反应至体系压力下降1.0kg/cm2时,冷却结束聚合,脱除未反应氯乙烯、氯丙烯和异丁基乙烯基醚,得到固含量为36.1%的改性氯醚共聚物乳液。
实施例4
在耐压反应器中加入150g去离子水、35g氯乙烯、25g氯丙烯和异丁基乙烯基醚(氯丙烯和异丁基乙烯基醚质量比为1:2.5)、2g马来酸酐、2.5g十二烷基硫酸钠和0.5g的α-丙烯基烷基酚聚氧乙烯醚硫酸铵复合乳化剂、0.2g亚硫酸氢钠还原剂,升温到55℃,以2.0g/h的速度滴加5%浓度的过硫酸铵水溶液,开始聚合,并连续补加38g氯乙烯单体,维持聚合体系压力基本不变,氯乙烯补加完毕后,继续反应至体系压力下降1.0kg/cm2时,冷却结束聚合,脱除未反应氯乙烯、氯丙烯和异丁基乙烯基醚,得到固含量为35.9%的改性氯醚共聚物乳液。
实施例5
在耐压反应器中加入150g去离子水、35g氯乙烯、25g氯丙烯和异丁基乙烯基醚(氯丙烯和异丁基乙烯基醚质量比为1:3)、2g马来酸酐、2.5g十二烷基硫酸钠和0.5g的α-丙烯基烷基酚聚氧乙烯醚硫酸铵复合乳化剂、0.2g亚硫酸氢钠还原剂,升温到55℃,以2.0g/h的速度滴加5%浓度的过硫酸铵水溶液,开始聚合,并在聚合过程中连续补加38g氯乙烯单体,维持聚合体系压力基本不变,补加完毕后继续反应至体系压力下降1.0kg/cm2时,冷却结束聚合,脱除未反应氯乙烯、氯丙烯和异丁基乙烯基醚,得到固含量为35.5%的改性氯醚共聚物乳液。
实施例6
在耐压反应器中加入150g去离子水、35g氯乙烯、25g氯丙烯和异丁基乙烯基醚(氯丙烯和异丁基乙烯基醚质量比为1:1.5)、2g马来酸酐、3.5g十二烷基硫酸钠和0.5g的α-丙烯基烷基酚聚氧乙烯醚硫酸铵复合乳化剂、0.2g亚硫酸氢钠还原剂,升温到50℃,以4.0g/h的速度滴加5%浓度的过硫酸铵水溶液,开始聚合,当聚合开始压降后,开始连续补加38g氯乙烯单体,维持聚合体系压力基本不变,补加完毕后继续反应至体系压力下降0.5kg/cm2时,冷却结束聚合,脱除未反应氯乙烯、氯丙烯和异丁基乙烯基醚,得到固含量为35.0%的改性氯醚共聚物乳液。
实施例7
在耐压反应器中加入150g去离子水、35g氯乙烯、25g氯丙烯和异丁基乙烯基醚(氯丙烯和异丁基乙烯基醚质量比为1:1.5)、2g马来酸酐、4.5g十二烷基硫酸钠和0.5g的α-丙烯基烷基酚聚氧乙烯醚硫酸铵复合乳化剂、0.5g亚硫酸氢钠还原剂,升温到45℃,以4.0g/h的速度滴加5%浓度的过硫酸铵水溶液,开始聚合,并在聚合过程中连续补加38g氯乙烯单体,维持聚合体系压力基本不变,补加完毕后继续反应至体系压力下降1.5kg/cm2时,冷却结束聚合,脱除未反应氯乙烯、氯丙烯和异丁基乙烯基醚,得到固含量为36.5%的改性氯醚共聚物乳液。
实施例8
在耐压反应器中加入150g去离子水、35g氯乙烯、25g氯丙烯和异丁基乙烯基醚(氯丙烯和异丁基乙烯基醚质量比为1:1.5)、2g马来酸酐、3.5g十二烷基硫酸钠和0.5g的α-丙烯基烷基酚聚氧乙烯醚硫酸铵复合乳化剂、0.35g亚硫酸钠还原剂,升温到50℃,以3g/h的速度滴加5%浓度的过硫酸铵水溶液,开始聚合,并在聚合过程中连续补加38g氯乙烯单体,维持聚合体系压力基本不变,补加完毕后继续反应至体系压力下降2.0kg/cm2时,冷却结束聚合,脱除未反应氯乙烯、氯丙烯和异丁基乙烯基醚,得到固含量为36.2%的改性氯醚共聚物乳液。
实施例9
在耐压反应器中加入150g去离子水、35g氯乙烯、25g氯丙烯和异丁基乙烯基醚(氯丙烯和异丁基乙烯基醚质量比为1:1.5)、2g马来酸酐、2.5g十二烷基硫酸钠和0.5g的α-丙烯基烷基酚聚氧乙烯醚硫酸铵复合乳化剂、0.2g亚硫酸钠还原剂,升温到60℃,以2.0g/h的速度滴加5%浓度的过硫酸铵水溶液,开始聚合,并在聚合过程中连续补加38g氯乙烯单体,维持聚合体系压力基本不变,补加完毕后继续反应至体系压力下降1.25kg/cm2时,冷却结束聚合,脱除未反应氯乙烯、氯丙烯和异丁基乙烯基醚,得到固含量为35.4%的改性氯醚共聚物乳液。
实施例10
在耐压反应器中加入150g去离子水、35g氯乙烯、25g氯丙烯和异丁基乙烯基醚(氯丙烯和异丁基乙烯基醚质量比为1:1.5)、2g马来酸酐、3.5g十二烷基硫酸钠和0.5g的α-丙烯基烷基酚聚氧乙烯醚硫酸铵复合乳化剂、0.25g亚硫酸钠还原剂,升温到60℃,以2.5g/h的速度滴加5%浓度的过硫酸铵水溶液,开始聚合,并在聚合过程中连续补加38g氯乙烯单体,维持聚合体系压力基本不变,补加完毕后继续反应至体系压力下降2.0kg/cm2时,冷却结束聚合,脱除未反应氯乙烯、氯丙烯和异丁基乙烯基醚,得到固含量为36.9%的改性氯醚共聚物乳液。
实施例11
在耐压反应器中加入150g去离子水、35g氯乙烯、25g氯丙烯和异丁基乙烯基醚(氯丙烯和异丁基乙烯基醚质量比为1:1.5)、2g马来酸酐、3.0g十二烷基硫酸钠和0.5g的α-丙烯基烷基酚聚氧乙烯醚硫酸铵复合乳化剂、0.5g亚硫酸钠还原剂,升温到50℃,以3g/h的速度滴加5%浓度的过硫酸铵水溶液,开始聚合,并在聚合过程中连续补加38g氯乙烯单体,维持聚合体系压力基本不变,补加完毕后继续反应至体系压力下降2.0kg/cm2时,冷却结束聚合,脱除未反应氯乙烯、氯丙烯和异丁基乙烯基醚,得到固含量为36.7%的改性氯醚共聚物乳液。
实施例12
在耐压反应器中加入150g去离子水、35g氯乙烯、25g氯丙烯和异丁基乙烯基醚(氯丙烯和异丁基乙烯基醚质量比为1:1.5)、2g马来酸酐、3.0g十二烷基硫酸钠和0.6g的α-丙烯基烷基酚聚氧乙烯醚硫酸铵复合乳化剂、0.35g亚硫酸钠还原剂,升温到50℃,以3.5g/h的速度滴加5%浓度的过硫酸铵水溶液,开始聚合,并在聚合过程中连续补加38g氯乙烯单体,维持聚合体系压力基本不变,补加完毕后继续反应至体系压力下降1.0kg/cm2时,冷却结束聚合,脱除未反应氯乙烯、氯丙烯和异丁基乙烯基醚,得到固含量为35.8%的改性氯醚共聚物乳液乳液。
比较例1
在耐压反应器中加入150g去离子水、35g氯乙烯、25g异丁基乙烯基醚、3.5g十二烷基硫酸钠、0.35g亚硫酸钠还原剂,升温到50℃,以3.5g/h的速度滴加5%浓度的过硫酸铵水溶液,开始聚合,并在聚合过程中连续补加40g氯乙烯单体,维持聚合体系压力基本不变,补加完毕后继续反应至体系压力下降1.0kg/cm2时,冷却结束聚合,脱除未反应氯乙烯和异丁基乙烯基醚,得到固含量为36.5%的氯醚共聚物乳液。
比较例2
在耐压反应器中加入150g去离子水、35g氯乙烯、35g异丁基乙烯基醚、3.5g十二烷基硫酸钠、0.35g亚硫酸钠还原剂,升温到50℃,以3.5g/h的速度滴加5%浓度的过硫酸铵水溶液,开始聚合,并在聚合过程中连续补加30g氯乙烯单体,维持聚合体系压力基本不变,补加完毕后继续反应至体系压力下降1.0kg/cm2时,冷却结束聚合,脱除未反应氯乙烯和异丁基乙烯基醚,得到固含量为36.8%的氯醚共聚物乳液。
采用MFFT-60型成膜温度测定仪,按国标GB/T 9267-1988测定各实施例和比较例所得的共聚物乳液最低成膜温度。
各实施例和比较例所得的共聚物乳液按以下配方制得水性涂料,其中苯乙烯-丙烯酸酯共聚物乳液为巴斯夫公司产品,滑石粉、钛白粉、磷酸锌、铁红粉由苏州吉人高新材料股份有限公司提供,丁二酸二异丁酯成膜助剂和聚丙烯酸钠水性润湿分散剂由上海文华化工颜料有限公司、聚硅氧烷水性消泡剂由广州泰瑞新材料公司、非离子缔合型聚氨酯增稠剂由上海固本实业有限公司提供。
静置24h后,分别用100μm线棒制膜,然后分别置于室温10±2℃和烘箱30℃条件下成膜,观察成膜情况。烘箱30℃成膜样板于30℃条件下养护5天后,按国标GB/T 13451.2-1992测定膜层厚度、按国标GB/T 6739-1996测定硬度、按国标GB/T 9286-1998测定附着力、按国标GB/T 1771-2007和耐盐雾性能。
有关评价结果或性能如表1所示。
表1各比较例和实施例共聚物乳液的最低成膜温度和配置成涂料后的性能
此外应理解,在阅读了本发明的上述描述内容之后,本领域技术人员可以对本发明作各种改动或修改,这些等价形式同样落于本申请所附权利要求书所限定的范围。