CN112321753B - 环糊精基水性uv树脂的制备方法及其应用 - Google Patents

环糊精基水性uv树脂的制备方法及其应用 Download PDF

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Abstract

本发明属于涂料技术领域。解决将环糊精用于水性UV涂料的问题，提供一种环糊精基水性UV树脂的制备方法及应用。将环糊精溶于有机溶剂，加入丁二酸酐以及碱性催化剂；反应结束后过滤，除杂，水溶液萃取，洗涤，取水相溶液，烘干得中间产物；将上述中间产物溶于去离子水；将卤代烯烃溶解于有机溶液，中间产物的溶液滴加到该溶液中，升温反应；冷却至室温，分液，取水相溶液，用溶剂萃取，将水相产物干燥；将干燥产物溶于去离子水，得到环糊精水性UV树脂。通过环糊精和丁二酸酐开环反应得到端羧基且水性化的环糊精酯类衍生物，并进一步和卤代烯烃进行醚化反应制备出含双键的水性环糊精树脂，基于此树脂配制出木器漆配方，具有优异的涂装性能。

Description

环糊精基水性UV树脂的制备方法及其应用
技术领域
本发明属于涂料技术领域，具体涉及一种环糊精基水性UV树脂的制备方法及其应用。
背景技术
传统家具行业使用到的涂料通常为油性涂料，且原材料来源于石油、煤炭能源，虽然给家具涂料行业带来巨大的发展机会，但是却由于原材料属于不可再生资源，目前面临巨大的行业转型；同时石化能源大肆使用也给环境、健康带来巨大损害，尤其是传统油性涂料涉及到严重的VOC问题，释放出的甲醛、苯类致癌挥发性溶剂严重危害到人们的健康。
UV光固化和水性涂料是环保型涂料，UV涂料是在光引发剂的作用下，经过紫外线的照射可以激发出活性自由基从而促使分子之间的交联成膜，具有固含高、低能耗、交联密度高、高效、绿色环保等优势；而水性涂料则具有多种固化方式，以水作为稀释剂，具有绿色环保、低/无VOC排放明显优势。通过将UV和水性化结合来制备出水性UV涂料是日后的研究趋势。
生物质能源是一种可持续、可再生的能源，主要包括农作物秸杆、木材、玉米芯、农林废弃物等等，目前商业化的燃料乙醇和生物柴油可以替代由石油制取的汽油和柴油，同时生物基来源的乙二醇，丙二醇，呋喃基单体、聚乳酸同样具有巨大潜在商业价值。环糊精是一种生物质能源，由直链淀粉在由芽孢杆菌产生的环糊精葡萄糖基转移酶作用下生成的一系列环状低聚糖的总称，目前广泛用于医药辅料和食品添加剂，如何将环糊精用于水性UV涂料是一个需要解决的问题。
发明内容
针对如何将环糊精用于水性UV涂料的问题，本发明提供一种环糊精基水性UV树脂的制备方法以及使用该环糊精基水性UV树脂的涂料。本发明通过环糊精和丁二酸酐开环反应得到端羧基且水性化的环糊精酯类衍生物，并进一步和卤代烯烃进行醚化反应制备出含双键的水性环糊精树脂，基于此树脂配制出木器漆配方，具有优异的涂装性能。
本发明是通过以下技术方案实现的：
本发明一方面提供一种环糊精基水性UV树脂的制备方法，包括以下步骤：
A、将环糊精溶于有机溶剂中，加入丁二酸酐以及碱性催化剂，搅拌反应，丁二酸酐和环糊精羟基摩尔比为1:1至5:1，碱性催化剂添加量为环糊精中羟基的摩尔量的0.01％-5％，反应温度为30-90℃，反应时间为4-36h；
B、反应结束后过滤，除去杂质，溶剂稀释后，再用水溶液萃取，洗涤，取水相溶液，烘干得中间产物；
C、将上述中间产物溶于去离子水中；
D、将卤代烯烃溶解于有机溶液，将步骤C得到的溶液滴加到上述溶液中，升温至30-80℃反应一段时间；所述卤代烯烃和环糊精上羟基的摩尔比例为0.3:1至2:1；
E、冷却至室温，分液，取水相溶液，用溶剂萃取数次，将水相产物干燥；
F、将步骤E得到的干燥产物溶于去离子水，得到环糊精水性UV树脂；
所述卤代烯烃选自以下化合物的至少一种：
(a)具有一个双键的卤代烯烃：XCnH2n-1，其中：X＝Cl，Br，I；3≤n≤20；X的优选位置在端基；
(b)含有两个双键的卤代烯烃：XCnH2n-3，其中：X＝Cl，Br，I；5≤n≤20；X的优选位置在端基；
(c)含有三个双键的卤代烯烃：XCnH2n-5，其中：X＝Cl，Br，I；5≤n≤20；X的优选位置在端基；
(d)含有双键的芳香基烯烃：
Figure BDA0002792807070000021
进一步的，在步骤A中，所述有机溶剂选自二甲基亚砜(DMSO)，N，N-二甲基甲酰胺(DMF)和四氢呋喃(THF)中的至少一种；所述碱性催化剂为4-二甲氨基吡啶(DMAP)或者三乙胺。
进一步的，在步骤D中，所述溶剂为1,4-二氧六环、二甲基亚砜(DMSO)、N-甲基吡咯烷酮(NMP)、N,N-二甲基甲酰胺及N,N-二甲基乙酰胺中的至少一种。
进一步的，在步骤A中，所述反应温度为40-60℃之间，反应时间为12-24h，碱性催化剂添加量为环糊精中羟基的摩尔量的0.1％-1％。
进一步的，所述环糊精为α-环糊精、β-环糊精和γ-环糊精中的至少一种。
本发明还提供一种环糊精水性UV涂料，采用所述的环糊精基水性UV树脂，涂料配方以重量百分数计，包括以下组分；
Figure BDA0002792807070000022
Figure BDA0002792807070000031
进一步的，所述pH调节剂为2-氨基-2甲基-1-丙醇。
进一步的，所述增稠剂为聚氨酯基增稠剂、丙烯酸酯类增稠剂或者纤维素类增稠剂中的至少一种。
进一步的，所述杀菌剂为氯甲基异噻唑啉酮，甲基异噻唑啉酮和溴硝基丙二醇中的至少一种。
进一步的，所述光引发剂选自2-羟基-2-甲基-1-苯基-1-丙酮(1173引发剂)，1-羟基环已基苯基甲酮(184引发剂)，苯基双(2,4,6-三甲基苯甲酰基)氧化膦(819引发剂)，2,4,6-三甲基苯甲酰二苯基氧化膦(TPO引发剂)中的至少一种。
进一步的，所述消泡剂为丙烯酸酯基消泡剂、有机硅类消泡剂、氟碳类消泡剂中的至少一种；所述润湿分散剂为高分子量嵌段聚合物和/或有机硅类润湿分散剂。
进一步的，所述流平剂为聚丙烯酸酯类以及聚硅氧烷类的一种或两类混合物。
进一步的，所述颜、填料选自滑石粉、碳酸钙、钛白粉和透明粉中的至少一种。
有现有技术相比，本发明具有以下有益效果：
(a)环糊精基水性UV树脂的结构上同时具有酯键和醚键，在性能上综合了酯基耐化学性、可调控的硬度以及醚键耐黄变的优点，而且产物的制备工艺以及后处理简单方便。
(b)环糊精基水性UV树脂的双键部分的结构可调，可以根据需要来制备出一般柔性的短碳链、中等柔性的中碳链、高度柔性的长碳链，以及带刚性芳香基团的碳链，具有选择多样性，构效关系可控的优点。
(c)环糊精基水性UV树脂在水性UV涂料中作为基体树脂，具有绿色环保、树脂刚性/柔性可调控，结构多样性、反应快速的优点。
具体实施方式
下面结合具体实施例对本发明做进一步详细说明。
实施列1
一种环糊精基水性UV树脂的制备方法，步骤如下：
A、将环糊精溶于有机溶剂中，加入丁二酸酐以及4-二甲氨基吡啶，搅拌反应，丁二酸酐和环糊精羟基摩尔比为1:1，催化剂添加量为0.01％，反应温度为30℃，反应时间为4h；
B、反应结束后过滤，除去杂质，溶剂稀释后，再用水溶液萃取，洗涤，取水相溶液，烘干得中间产物；
C、将上述中间产物溶于去离子水中，装好搅拌器、回流冷凝设备以及恒压滴液漏斗；
D、将氯丙烯烃
Figure BDA0002792807070000041
溶解于有机溶剂1,4-二氧六环，将步骤C得到的溶液滴加到上述溶液中，控制卤代烯烃和环糊精上羟基的摩尔比例为0.3:1，升温至50℃，反应一段时间；
E、冷却至室温，分液，取水相溶液，用溶剂萃取数次，将水相产物干燥；
F、将步骤E得到的干燥产物溶于去离子水，得到环糊精水性UV树脂；
实施例2
一种环糊精基水性UV树脂的制备方法，步骤如下：
A、将环糊精溶于有机溶剂中，加入丁二酸酐以及碱性催化剂三乙胺，搅拌反应，丁二酸酐和环糊精羟基摩尔比为3:1，催化剂添加量为2％，反应温度为60℃，反应时间为20h；
B、反应结束后过滤，除去杂质，溶剂稀释后，再用水溶液萃取，洗涤，取水相溶液，烘干得中间产物；
C、将上述中间产物溶于去离子水中，装好搅拌器、回流冷凝设备以及恒压滴液漏斗；
D、将卤代烯烃
Figure BDA0002792807070000042
溶解于有机溶剂二甲基亚砜，将步骤C得到的溶液滴加到上述溶液中，升温至50℃反应一段时间；所述卤代烯烃和环糊精上羟基的摩尔比例为1:1；
E、冷却至室温，分液，取水相溶液，用溶剂萃取数次，将水相产物干燥；
F、将步骤E得到的干燥产物溶于去离子水，得到环糊精水性UV树脂；
实施例3
一种环糊精基水性UV树脂的制备方法，步骤如下：
A、将环糊精溶于有机溶剂中，加入丁二酸酐以及碱性催化剂三乙胺，搅拌反应，丁二酸酐和环糊精羟基摩尔比为5:1，催化剂添加量为5％，反应温度为90℃，反应时间为36h；
B、反应结束后过滤，除去杂质，溶剂稀释后，再用水溶液萃取，洗涤，取水相溶液，烘干得中间产物；
C、将上述中间产物溶于去离子水中，装好搅拌器、回流冷凝设备以及恒压滴液漏斗；
D、将卤代烯烃
Figure BDA0002792807070000043
溶解于有机溶剂N-甲基吡咯烷酮，将步骤C得到的溶液滴加到上述溶液中，升温至60℃反应一段时间；所述卤代烯烃和环糊精上羟基的摩尔比例为2:1；
E、冷却至室温，分液，取水相溶液，用溶剂萃取数次，将水相产物干燥；
F、将步骤E得到的干燥产物溶于去离子水，得到环糊精水性UV树脂。
实施例4
一种环糊精基水性UV树脂的制备方法，步骤如下：
A、将环糊精溶于有机溶剂中，加入丁二酸酐以及碱性催化剂三乙胺，搅拌反应，丁二酸酐和环糊精羟基摩尔比为2:1，催化剂添加量为1％，反应温度为50℃，反应时间为14h；
B、反应结束后过滤，除去杂质，溶剂稀释后，再用水溶液萃取，洗涤，取水相溶液，烘干得中间产物；
C、将上述中间产物溶于去离子水中，装好搅拌器、回流冷凝设备以及恒压滴液漏斗；
D、将卤代烯烃
Figure BDA0002792807070000051
溶解于有机溶剂N,N-二甲基乙酰胺，将步骤C得到的溶液滴加到上述溶液中，升温至50℃反应一段时间；所述卤代烯烃和环糊精上羟基的摩尔比例为0.5:1；
E、冷却至室温，分液，取水相溶液，用溶剂萃取数次，将水相产物干燥；
F、将步骤E得到的干燥产物溶于去离子水，得到环糊精水性UV树脂。
实施例5-9
一种环糊精水性UV涂料，以重量百分数计，配方如下表所示。
表1环糊精水性UV涂料配方
Figure BDA0002792807070000052
实施例5采用实施例1制备的环糊精基水性UV树脂，实施例6采用实施例2制备的环糊精基水性UV树脂，实施例7采用实施例3制备的环糊精基水性UV树脂，实施例8-9采用实施4制备的环糊精基水性UV树脂。
将实施例5按照机械臂喷涂方法将涂料喷涂于水曲柳木材表面，经紫外光快速固化，可极大的提高生产效率，其性能检测结果如下表所示。
将实施例6按照静电喷涂方法将涂料喷涂于水曲柳木材表面，经紫外光快速固化，可极大的提高生产效率，其性能检测结果如下表所示。
将实施例7按照机械臂喷涂方法将涂料喷涂于水曲柳木材表面，经紫外光快速固化，可极大的提高生产效率，其性能检测结果如下表所示。
将实施例8按照机械臂喷涂方法将涂料喷涂于黑胡桃木材表面，经紫外光快速固化，可极大的提高生产效率，其性能检测结果如下表所示。
将实施例9按照辊涂方法将涂料辊涂在黑胡桃木材表面，经紫外光快速固化，可极大的提高生产效率，其性能检测结果如下表所示(参考GB/T 23999-2009)。
表2喷涂效果
Figure BDA0002792807070000061
耐酸碱性*：酸性条件为乙酸溶液，浓度为0.1％；碱性条件为碳酸钠溶液，浓度为0.1％，测试24h；1级水平为漆膜无损无痕；2级水平为漆膜有痕迹，但可恢复；3级水平为有痕迹不可恢复；4级水平为漆膜破损。
以上所述的实施例仅是对本发明的优选实施方式进行描述，并非对本发明的范围进行限定，在不脱离本发明设计精神的前提下，本领域普通技术人员对本发明的技术方案作出的各种变形和改进，均应落入本发明权利要求书确定的保护范围内。

Claims (9)

1.一种环糊精水性UV涂料，其特征在于，以重量百分数计，包括以下组分；
Figure FDA0003628764780000011
所述颜、填料为颜料和/或填料；
所述环糊精基水性UV树脂的制备方法包括以下步骤：
A、将环糊精溶于有机溶剂中，加入丁二酸酐以及碱性催化剂，搅拌反应，丁二酸酐和环糊精羟基摩尔比为1:1至5:1，碱性催化剂添加量为环糊精中羟基的摩尔量的0.01％-5％，反应温度为30-90℃，反应时间为4-36h；
B、反应结束后过滤，除去杂质，溶剂稀释后，再用水溶液萃取，洗涤，取水相溶液，烘干得到中间产物；
C、将上述所得的中间产物溶于去离子水中；
D、将卤代烯烃溶解于有机溶液，将步骤C得到的溶液滴加到上述溶液中，升温至30-80℃反应一段时间；所述卤代烯烃和环糊精上羟基的摩尔比例为0.3:1至2:1；
E、冷却至室温，分液，取水相溶液，用溶剂萃取，将水相产物干燥；
F、将步骤E得到的干燥产物溶于去离子水，得到环糊精水性UV树脂；
所述卤代烯烃选自以下化合物的至少一种：
(a)具有一个双键的卤代烯烃：XCnH2n-1，其中：X＝Cl，Br或I；3≤n≤20；
(b)含有两个双键的卤代烯烃：XCnH2n-3，其中：X＝Cl，Br或I；5≤n≤20；
(c)含有三个双键的卤代烯烃：XCnH2n-5，其中：X＝Cl，Br或I；5≤n≤20；
(d)含有双键的芳香基烯烃：
Figure FDA0003628764780000012
2.根据权利要求1所述的涂料，其特征在于：在步骤A中，所述有机溶剂为二甲基亚砜，N，N-二甲基甲酰胺，四氢呋喃中的至少一种；所述碱性催化剂为4-二甲氨基吡啶或者三乙胺。
3.根据发明内容1所述的涂料，其特征在于：在步骤D中，所述有机溶液为1,4-二氧六环、二甲基亚砜、N-甲基吡咯烷酮、N,N-二甲基甲酰胺及N,N-二甲基乙酰胺中的至少一种。
4.根据权利要求1所述的涂料，其特征在于：所述pH调节剂为2-氨基-2甲基-1-丙醇。
5.根据权利要求1所述的涂料，其特征在于：所述增稠剂为聚氨酯基增稠剂、丙烯酸酯类增稠剂或者纤维素类增稠剂中的至少一种。
6.根据权利要求1所述的涂料，其特征在于：所述杀菌剂为氯甲基异噻唑啉酮，甲基异噻唑啉酮和溴硝基丙二醇中的至少一种。
7.根据权利要求1所述的涂料，其特征在于：所述光引发剂选自2-羟基-2-甲基-1-苯基-1-丙酮、1-羟基环已基苯基甲酮、苯基双(2,4,6-三甲基苯甲酰基)氧化膦和2,4,6-三甲基苯甲酰二苯基氧化膦中的至少一种。
8.根据权利要求1所述的涂料，其特征在于：所述消泡剂为丙烯酸酯基消泡剂、有机硅类消泡剂、氟碳类消泡剂中的至少一种；所述润湿分散剂为高分子量嵌段聚合物和/或有机硅类润湿分散剂。
9.根据权利要求1所述的涂料，其特征在于：所述流平剂为聚丙烯酸酯类以及聚硅氧烷类的一种或两类混合物。
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