CN111440418A - 一种纳米颗粒增强的无皂环氧乳液及其制备方法 - Google Patents
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Abstract
一种纳米颗粒增强的无皂环氧乳液及其制备方法,属于粘结剂、涂料、皮革、纸张、纤维及织物领域。本发明的目的是为了提高现有的环氧乳液粘接性不足、表面能低等问题,所述环氧乳液包括环氧树脂10‑50份、水100份,无机纳米颗粒2‑8份、硅烷偶联剂0.001‑0.4份;将硅烷偶联剂在水中搅动以完成水解;将无机纳米颗粒均匀分散在余量水中;将硅烷偶联剂水解液加入无机纳米颗粒水分散液中,在分散机或乳化机中使无机纳米颗粒表面化学改性;在乳化机中加入环氧树脂即可完成纳米乳液的制备。本发明采用非乳化剂、全过程无有机溶剂的方法制备了环氧乳液,真正实现了零VOC排放;同时该乳液粘接能力强,表面活性高,使得本发明可广泛代替现有乳液。
Description
技术领域
本发明属于涂料、粘结剂、皮革、纸张、纤维及织物领域,具体涉及一种纳米颗粒增强的无皂环氧乳液及其制备方法。
背景技术
环氧乳液以水作溶剂,克服了传统环氧油漆因有机溶剂而带来的VOC问题,同时还具有较好的粘接性能,在纤维浸润剂(上浆剂)、粘结剂、涂料等行业广泛应用。但由于绝大部分环氧树脂在水中不溶解难以分散,要制备乳液必须采用特殊技术。常用制备方法包括外乳化法和化学改性法。外乳化法就是借助于外加的乳化剂,将环氧树脂通过机械作用分散于水中,形成稳定的水包油乳液体系。外加的乳化剂的加入量一般为环氧树脂重量的5%-20%。外加的乳化剂将导致环氧乳液的粘结性和表面能降低,同时还有环境污染问题。而化学改性法是利用环氧树脂活性基团的反应活性将亲水基团或链段引入到环氧树脂分子中,以增加其亲水亲油平衡值(HLB),使其能在水中自乳化分散。化学改性法制备的环氧树脂降低了环氧树脂自身活性基团含量,其粘结性和表面能也较原树脂低。
发明内容
本发明的目的是为了提高现有的环氧乳液粘接性不足、表面能低等问题,提供一种环保高性能、纳米颗粒增强的无皂环氧乳液及其制备方法。
为实现上述目的,本发明采取的技术方案如下:
一种纳米颗粒增强的无皂环氧乳液,所述环氧乳液按照质量分数计,包括环氧树脂10-50份、水100份,无机纳米颗粒2-8份、硅烷偶联剂0.001-0.4份、羟基化合物0-0.1份。
一种上述的纳米颗粒增强的无皂环氧乳液的制备方法,所述方法具体为:
(1)硅烷偶联剂水解:将硅烷偶联剂在水中搅动以完成水解;
(2)无机纳米颗粒分散:使用超声分散设备将无机纳米颗粒均匀分散在余量水中,颗粒数均粒径≤300nm;
(3)无机纳米颗粒表面改性:将水解完成的硅烷偶联剂水解液与无机纳米颗粒水分散液混合,在分散机或乳化机中使无机纳米颗粒表面化学改性,改性温度为20℃-60℃,时间10-480min,线速度2-20m/s;
(4)乳化:设置乳化机的温度为40℃-80℃,线速度5m/s或以上,将环氧树脂缓慢匀速加入进行乳化,乳化完成后再缓慢匀速加入羟基化合物水溶液,继续分散2-30min。
本发明相对于现有技术的有益效果为:本发明采用非乳化剂、全过程也无有机溶剂的方法制备得到了环氧乳液,真正实现了零VOC排放;同时该乳液粘接能力强,表面活性高,使得本发明可广泛代替现有乳液,在纤维浸润剂(上浆剂)、涂料、粘接剂、织物、皮革和纸张等领域应用。
具体实施方式
下面结合实施例对本发明的技术方案作进一步的说明,但并不局限于此,凡是对本发明技术方案进行修改或者等同替换,而不脱离本发明技术方案的精神和范围,均应涵盖在本发明的保护范围中。
具体实施方式一:本实施方式记载的是一种纳米颗粒增强的无皂环氧乳液,所述环氧乳液按照质量分数计,包括环氧树脂10-60份、水100份、无机纳米颗粒2-8份、硅烷偶联剂0.001-0.4份、羟基化合物0-0.1份。在制备过程中,为提高水解效率,还可加入有机酸0-0.05份以调节pH值为3-5。所述有机酸为醋酸、草酸、苹果酸或柠檬酸中的一种或多种。
具体实施方式二:具体实施方式一所述的一种纳米颗粒增强的无皂环氧乳液,所述硅烷偶联剂与无机纳米颗粒的投料质量比为0.0005-0.05:1。
具体实施方式三:具体实施方式一或二所述的一种纳米颗粒增强的无皂环氧乳液,所述环氧树脂为双酚A型环氧树脂、双酚F型环氧树脂、双酚S型环氧树脂、氢化双酚A型环氧树脂、脂环族环氧树脂、脂肪族环氧树脂或酚醛型环氧树脂中的一种或多种的组合。
具体实施方式四:具体实施方式一或二所述的一种纳米颗粒增强的无皂环氧乳液,所述无机纳米颗粒为比表面积大于50m2/g的表面富含羟基的亲水性纳米颗粒。
具体实施方式五:具体实施方式四所述的一种纳米颗粒增强的无皂环氧乳液,所述亲水性纳米颗粒为二氧化硅、三氧化二铝、碳酸钙、二氧化钛、氧化锌、玻璃粉、蒙脱土或羟基磷酸钙中的一种或多种的组合。
具体实施方式六:具体实施方式一或二所述的一种纳米颗粒增强的无皂环氧乳液,所述硅烷偶联剂为γ-氨丙基三乙氧基硅烷、γ-巯丙基三甲氧基硅烷、γ-巯丙基三乙氧基硅烷、γ-(2,3-环氧丙氧)丙基三甲氧基硅烷、γ-(2,3-环氧丙氧)丙基三乙氧基硅烷、γ-(2,3-环氧丙氧)丙基甲氧二甲氧基硅烷、γ-(甲基丙烯酰氧)丙基三甲氧基硅烷、乙烯基三甲氧基硅烷、乙烯基三乙氧基硅烷、丙基三甲氧基硅烷、丁基三甲氧基硅烷。
具体实施方式七:具体实施方式一所述的一种纳米颗粒增强的无皂环氧乳液,所述羟基化合物为聚乙烯醇、聚乙二醇、聚乙二醇酯或羟基封端的水溶性聚合物中的任意一种。其与纳米颗粒形成氢键,以增加环氧乳液的粘度而提高乳液的稳定性。
具体实施方式八:一种具体实施方式一至七任一具体实施方式所述的纳米颗粒增强的无皂环氧乳液的制备方法,所述方法具体为:
(1)硅烷偶联剂水解:将硅烷偶联剂在水中搅动以完成水解,水解完成后表面无油珠,水解液清澈;
(2)无机纳米颗粒分散:使用超声分散设备将无机纳米颗粒均匀分散在余量水中(为了提高超声分散效果可在超声时采用冰水浴或常温循环水浴冷却分散液),超声完成后无机纳米颗粒均匀分散在水中,颗粒数均粒径≤300nm,超声分散设备为频率大于15KHZ的超声波分散机或超声波细胞破碎机;
(3)无机纳米颗粒表面改性:将水解完成的硅烷偶联剂水解液与无机纳米颗粒水分散液混合,在分散机或乳化机中使无机纳米颗粒表面化学改性,改性温度为20℃-60℃,时间10-480min,线速度2-20m/s;
(4)乳化:设置乳化机的温度为40℃-80℃,线速度为5m/s或以上,将环氧树脂缓慢匀速加入进行乳化,乳化完成后再缓慢匀速加入羟基化合物水溶液,继续分散2-30min。该步骤中,应注意羟基化合物应在环氧树脂乳化完成后再加入,其目的是增大环氧乳液的粘度以提高其稳定性。
具体实施方式九:具体实施方式八所述的纳米颗粒增强的无皂环氧乳液的制备方法,步骤(1)中,向水中预先加入有机酸。作用是调节pH值为3.0-5.0,以提高硅烷偶联剂的水解效率。
具体实施方式十:具体实施方式八所述的纳米颗粒增强的无皂环氧乳液的制备方法,所述方法还包括步骤(5)降温:停止对乳化机加热,夹套内通入水,使环氧乳液温度降为15℃-40℃,停止乳化机,环氧乳液制备完成。
实施例1:
一种纳米颗粒增强的无皂环氧乳液,其原料按照质量分数计,包括30份台湾南亚双酚F型环氧树脂NPEF-170、100份去离子水,5份德固赛气相二氧化硅AEROSIL 380、0.01份德固赛硅烷偶联剂A-187和0.02份冰醋酸(工业级);
具体工艺流程为:
(1)硅烷偶联剂水解:将0.02份冰醋酸加入10份去离子水中,启动电动搅拌器(20rpm),匀速加入0.01份A-187硅烷偶联剂,并常温下水解45分钟。
(2)无机纳米颗粒分散:将5份AEROSIL 380气相二氧化硅加入到90份去离子水中,再使用频率为20KHZ的超声波分散机分散2分钟。
(3)无机纳米颗粒表面改性:将已完成超声分散的二氧化硅水分散液加入电动强力分散机的带夹套分散罐内,设定温度为40℃,调节分散机线速度为5m/s,再加入已完成水解的硅烷偶联剂水解液,反应时间60分钟。
(4)乳化:将已完成表面改性的纳米颗粒水分散液加入乳化机乳化罐内,升高乳化罐温度为60℃,调节乳化机乳化头线速度为15m/s,将30份NPEF-170环氧树脂从进料口匀速加入乳化罐内(加入速度约为2份/分钟),再继续乳化15分钟。
(5)降温:停止对乳化罐加热,并往乳化罐的夹套内连续通入常温水,使分散液温度降到30℃,停止乳化机,环氧乳液制备完成。
实施例2:
一种纳米颗粒增强的无皂环氧乳液,其原料按照质量分数计,包括40份蓝星新材料双酚A型环氧树脂0161、100份去离子水,6份广东吉必盛气相三氧化二铝Aluna-100、0.008份南京曙光硅烷偶联剂γ-巯丙基三甲氧基硅烷(KH-590)、0.005份冰醋酸(工业级)和0.1份聚乙二醇PEG1000(工业级);
具体工艺流程为:
(1)硅烷偶联剂水解:将0.005份冰醋酸加入5份去离子水中并搅拌均匀,启动电动搅拌器(50rpm)滴入0.008份硅烷偶联剂KH-590,并常温下水解30分钟。
(2)无机纳米颗粒分散:将6份气相三氧化二铝Aluna-100加入到90份去离子水中,使用频率为20KHZ的超声波细胞破碎机(冰水浴)超声分散5分钟。
(3)无机纳米颗粒表面改性:将已完成分散的二氧化硅水分散液加入带夹套的乳化机乳化罐内,设定乳化罐温度为60℃,调节乳化头线速度为20m/s,再加入已完成水解的硅烷偶联剂水解液,反应10分钟。
(4)乳化:升高乳化罐温度为80℃,调节乳化机乳化头线速度为30m/s,将40份双酚A型环氧树脂0161从进料口匀速加入乳化罐内(加入速度约为1份/分钟),继续乳化15分钟;再从进料口加入0.1份聚乙二醇PEG1000的水分散液(预先使用5份水溶解),继续分散5分钟。
(5)降温:停止对乳化罐加热,分散液自然冷却到室温后,停止乳化机,环氧乳液制备完成。
实施例3:
一种纳米颗粒增强的无皂环氧乳液,其原料按照质量分数计,包括35份烟台奥利福化工有限公司的氢化双酚A型环氧树脂AL-3040、100份去离子水、8份德固赛气相二氧化钛Aeroxide TiO2 P25、0.2份西斯博硅烷偶联剂丁基三甲氧基硅烷(PC5941)、0.05份冰醋酸(工业级)和0.2份硬脂酸聚乙二醇酯PEG 400MS(工业级);
具体工艺流程为:
(1)硅烷偶联剂水解:将0.05份冰醋酸加入10份去离子水中并搅拌均匀,启动电动搅拌器(10rpm),滴入0.2份硅烷偶联剂,并常温下水解90分钟。
(2)无机纳米颗粒分散:将8份气相二氧化钛Aeroxide TiO2 P25加入到85份去离子水中,使用频率为20KHZ的超声波分散机(冰水浴)超声分散5分钟。
(3)无机纳米颗粒表面改性:将已完成分散的二氧化钛水分散液加入带夹套的乳化机乳化罐内,设定乳化罐温度为25℃,调节乳化头线速度为20m/s,再加入已完成水解的硅烷偶联剂水解液,反应480分钟。
(4)乳化:升高乳化罐温度为50℃,调节乳化机乳化头线速度为50m/s,将35份氢化双酚A型环氧树脂AL-3040从油料进料口匀速加入乳化罐内(加入速度约为1份/分钟),继续乳化30分钟;再从水料进料口加入0.2份PEG 400MS的水分散液(预先使用5份水溶解),继续分散5分钟。
(5)冷却:停止对乳化罐加热,分散液自然冷却到室温后,停止乳化机,环氧乳液制备完成。
本实施方式中,对于环氧乳液制备的性能做了如下测试:
注:对比例为40份蓝星新材料双酚A型环氧树脂0161,6份BASF公司F108乳化剂,100份水,采用通用的相反转乳化法,使用乳化机在70℃乳化制备而成。
Claims (10)
1.一种纳米颗粒增强的无皂环氧乳液,其特征在于:所述环氧乳液按照质量分数计,包括环氧树脂10-50份、水100份,无机纳米颗粒2-8份、硅烷偶联剂0.001-0.4份、羟基化合物0-0.1份。
2.根据权利要求1所述的一种纳米颗粒增强的无皂环氧乳液,其特征在于:所述硅烷偶联剂与无机纳米颗粒的投料质量比为0.0005-0.05:1。
3.根据权利要求1或2所述的一种纳米颗粒增强的无皂环氧乳液,其特征在于:所述环氧树脂为双酚A型环氧树脂、双酚F型环氧树脂、双酚S型环氧树脂、氢化双酚A型环氧树脂、脂环族环氧树脂、脂肪族环氧树脂或酚醛型环氧树脂中的一种或多种的组合。
4.根据权利要求1或2所述的一种纳米颗粒增强的无皂环氧乳液,其特征在于:所述无机纳米颗粒为比表面积大于50m2/g的表面富含羟基的亲水性纳米颗粒。
5.根据权利要求4所述的一种纳米颗粒增强的无皂环氧乳液,其特征在于:所述亲水性纳米颗粒为二氧化硅、三氧化二铝、碳酸钙、二氧化钛、氧化锌、玻璃粉、蒙脱土或羟基磷酸钙中的一种或多种的组合。
6.根据权利要求1或2所述的一种纳米颗粒增强的无皂环氧乳液,其特征在于:所述硅烷偶联剂为γ-氨丙基三乙氧基硅烷、γ-巯丙基三甲氧基硅烷、γ-巯丙基三乙氧基硅烷、γ-(2,3-环氧丙氧)丙基三甲氧基硅烷、γ-(2,3-环氧丙氧)丙基三乙氧基硅烷、γ-(2,3-环氧丙氧)丙基甲氧二甲氧基硅烷、γ-(甲基丙烯酰氧)丙基三甲氧基硅烷、乙烯基三甲氧基硅烷、乙烯基三乙氧基硅烷、丙基三甲氧基硅烷、丁基三甲氧基硅烷。
7.根据权利要求1所述的一种纳米颗粒增强的无皂环氧乳液,其特征在于:所述羟基化合物为聚乙烯醇、聚乙二醇、聚乙二醇酯或羟基封端的水溶性聚合物中的任意一种。
8.一种权利要求1~7任一权利要求所述的纳米颗粒增强的无皂环氧乳液的制备方法,其特征在于:所述方法具体为:
(1)硅烷偶联剂水解:将硅烷偶联剂在水中搅动以完成水解;
(2)无机纳米颗粒分散:使用超声分散设备将无机纳米颗粒均匀分散在余量水中,颗粒数均粒径≤300nm;
(3)无机纳米颗粒表面改性:将水解完成的硅烷偶联剂水解液与无机纳米颗粒水分散液混合,在分散机或乳化机中使无机纳米颗粒表面化学改性,改性温度为20℃-60℃,时间10-480min,线速度2-20m/s;
(4)乳化:设置乳化机的温度为40℃-80℃,线速度为5m/s或以上,将环氧树脂匀速加入进行乳化,乳化完成后再匀速加入羟基化合物水溶液,继续分散2-30min。
9.根据权利要求8所述的纳米颗粒增强的无皂环氧乳液的制备方法,其特征在于:步骤(1)中,向水中预先加入有机酸,调节pH为3.0~5.0。
10.根据权利要求8所述的纳米颗粒增强的无皂环氧乳液的制备方法,其特征在于:所述方法还包括步骤(5)降温:停止对乳化机加热,夹套内通入水,使环氧乳液温度降为15℃-40℃,停止乳化机,环氧乳液制备完成。
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