CN115605434A - 碳酸铈（iii）分散体的制备 - Google Patents
碳酸铈（iii）分散体的制备 Download PDFInfo
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Abstract
本发明涉及一种制备纳米级碳酸铈(III)颗粒的水性分散体的方法，包括在水中混合a)水溶性铈(III)铵盐、b)水溶性碳酸盐、和c)封端配体，以形成具有在5nm至500nm范围内的所得z‑平均粒径的碳酸铈(III)颗粒的水性分散体的步骤。该方法用于制备添加剂，该添加剂用于包含聚合物、颜料、染料或色调剂或它们的组合的制剂中，以促进颜色保留并减弱由这些制剂形成的涂层中的不期望的颜色形成。
Description
相关申请的引证
本申请要求于2020年3月20日提交的美国临时申请号62/992,393的优先权。
背景技术
在外部漆领域中，期望在延长的时间段内保持新鲜外观的漆涂覆的基底。这种“新鲜涂漆的(freshly painted)”外观可以通过三种相互关联的特性来测量：耐沾污性(Dirt-pickup resistance)(DPUR)、光泽保持性(gloss retention)、以及色调保持性(tintretention)。其中，色调保持性尤为突出，因为较暗和较深的颜色在外部应用中变得更为流行。
色调保持性的损失，也称为褪色，被认为由介导的光催化聚合物和由TiO2引起的着色剂降解引起，TiO2在大多数漆制剂中用作不透明颜料。TiO2颗粒吸收UV光，并且在水存在下生成高反应性羟基，其反应性地降解聚合物主链和着色剂，从而引起光泽降低、褪色和不期望的颜色形成。
通过在聚合物或着色剂降解发生之前使用UV吸收剂通过阻挡UV光来防止自由基形成和抗氧化剂来猝灭自由基，已很大程度上实现了减轻外部涂层降解的尝试。不幸的是，UV吸收剂需要足够长的路径长度以发生吸收并且因此仅在透明顶部涂层中有效。抗氧化剂(如受阻胺、受阻酚、碳中心自由基、亚磷酸酯和硫化物)倾向于从涂覆的基底浸出，因此仅提供短期保护。因此，在外部涂层领域中发现更有效的方式以实现颜色保留并减少在涂覆的表面中不期望的颜色形成将是有利的。
发明内容
本发明通过提供一种用于制备纳米级碳酸铈(III)颗粒的水性分散体的方法来解决本领域的需要，该方法包括在水中混合a)水溶性铵铈(III)盐、b)水溶性碳酸盐、和c)封端配体的步骤，该封端配体是胺羧酸或其盐、胺膦酸或其盐、或用羧酸基团官能化的聚合物或其盐；其中，a)、b)、和c)的相对比例使得所得碳酸铈(III)颗粒的z-平均粒径在5nm至500nm的范围内。
具体实施方式
在第一方面，本发明是一种用于制备纳米级碳酸铈(III)颗粒的水性分散体的方法，该方法包括在水中混合a)水溶性铵铈(III)盐、b)水溶性碳酸盐、和c)封端配体的步骤，该封端配体是胺羧酸或其盐、胺膦酸或其盐、或用羧酸基团官能化的聚合物或其盐；其中，a)、b)、和c)的相对比例使得所得碳酸铈(III)颗粒的z-平均粒径在5nm至500nm的范围内。
如在本文所使用的，“纳米级碳酸铈(III)颗粒”是指具有如通过动态光散射测量的不大于500nm的z-平均粒径的碳酸铈(III)颗粒。术语“纳米分散体”是指纳米级碳酸铈(III)颗粒的水性分散体。在另一方面中，纳米级碳酸铈(III)颗粒具有不大于300nm的z-平均粒径；在另一方面中，不大于200nm；在另一方面中，不小于50nm。
如在本文所使用的，“水溶性铈(III)铵盐”是指按所使用的比例在水中至少10％可溶的铈(III)铵盐。优选的水溶性铈(III)铵盐是硝酸铈(III)铵。类似地，术语“水溶性碳酸盐”是指按所使用的比例在水中至少10％可溶的碱金属或铵的碳酸盐或碳酸氢盐。水溶性碳酸盐的实例包括碳酸钠、碳酸钾、碳酸铵、碳酸氢钠和碳酸氢钾，其中碳酸铵是优选的。
如在本文所使用的，“胺羧酸”是包含至少一个胺基团和至少一个羧酸基团的化合物。优选地，胺羧酸是氨基乙酸或其盐；优选地，氨基乙酸包括至少两个羧酸基团；更优选地，氨基乙酸是二乙酸胺、三乙酸胺、或四乙酸胺，其实例包括乙二胺四乙酸(EDTA)、乙二胺二乙酸(EDDA)、以及氮川三乙酸(nitrolotriacetic acid,NTA，氨三乙酸)。
用羧酸基团官能化的聚合物可以是例如由含羧酸(如丙烯酸)单体的均聚反应产生的均聚物，或由含羧酸单体与一种或多种另外的单体(其不需要羧酸官能化)的共聚反应产生的共聚物。用羧酸基团官能化的均聚物的实例是聚丙烯酸(PAA)。
“胺膦酸”是指包含至少一个胺基团和至少一个膦酸基团的化合物。封端配体可以包括一个或多个膦酸以及一个或多个羧酸基团、以及其盐。胺膦酸的实例包括氨基三甲基膦酸(ATMP)、6-氨基-2-[双(羧甲基)氨基]己酸、以及N-(膦酰甲基)亚氨基二乙酸(PIDA)。
水溶性铈(III)铵盐(优选硝酸铈(III)铵)、水溶性碳酸盐(优选碳酸铵)、以及封端配体有利地在足以产生碳酸铈(III)颗粒的纳米分散体的条件下在水中在8(优选9)至12(优选11)的范围内的pH下混合在一起。水溶性铈(III)铵盐与水溶性碳酸盐的摩尔：摩尔比优选在2：1、更优选1：1至优选1：20、更优选1：10的范围内；水溶性铈(III)铵盐与封端配体的摩尔：摩尔比优选在50：1、更优选30：1至1：1的范围内。反应通常在环境温度或环境温度附近进行，并且反应通常在一小时内完成。
在另一方面中，本发明是一种组合物，该组合物包含具有在5nm至500nm范围内的z-平均粒径的碳酸铈(III)颗粒的水性分散体。分散体优选还包含封端配体，被认为其促进纳米分散颗粒的形成，同时稳定颗粒以防聚集。
基于水和碳酸铈(III)的重量，碳酸铈(III)在水中的浓度优选在0.2重量％、更优选0.5重量％、最优选1重量％至25重量％、更优选21重量％的范围内。更典型地，调节反应物的浓度以形成1至5重量％固体的最终分散体；更高固体含量的组合物可以通过离心、随后去除上清液或真空去除水来制备。
在另一方面中，本发明是一种包含聚合物和碳酸铈(III)颗粒的组合物。在这一方面，聚合物优选与液体形成溶液或分散体。在本发明的这一方面的一个实施方式中，组合物是聚合物颗粒(胶乳，latex)和碳酸铈(III)颗粒的水性分散体。在这一方面，分散的碳酸铈(III)颗粒的粒径不受限制。较大的碳酸铈(III)颗粒、尤其具有如通过DLS测量的在2μm至20μm范围内的z-平均粒径的颗粒可以基本上如以上描述来制备，但是不具有封端配体。
包含胶乳和碳酸铈(III)颗粒的组合物在涂料组合物、尤其是包含颜料或着色剂或两者的涂料组合物的领域中是有用的。颜料包括不透明颜料和增量剂(extender)。不透明颜料包括TiO2、BaSO4和有机中空球聚合物颗粒(HSP)。TiO2可以是锐钛矿或金红石，并且是被钝化或未钝化的。TiO2的商业实例为Ti-Pure-R706 TiO2和DeGussa P25 TiO2光催化剂。组合物可以包括锐钛矿和金红石的组合、钝化和未钝化的TiO2。
合适的增量剂包括碳酸盐、二氧化硅、硅酸盐、铝硅酸盐、磷酸盐、以及非中空有机微球。增量剂的更具体实例包括滑石、粘土、云母、绢云母(sericite)、CaCO3、霞石(nepheline)、长石、硅灰石、高岭石、磷酸二钙、以及硅藻土。
着色剂可以是有机或无机的、可分散的(色调剂，tint)或可溶的(染料)。合适的着色剂的实例包括亚甲基蓝、酞菁蓝、酞菁绿、单芳基黄(monoarylide yellow)、二芳基黄(diarylide yellow)、苯并咪唑酮黄、杂环黄、DNA橙、吡咯橙、喹吖啶酮品红、喹吖啶酮紫、二噁嗪紫、喹吖啶酮红、萘酚红、吡咯红、金属化偶氮红、非金属化偶氮红、炭黑、油烟(lampblack)、黑色氧化铁、黄色氧化铁、棕色氧化铁、以及红色氧化铁。
在另一方面中，本发明是一种组合物，该组合物包含在分散的碳酸铈(III)颗粒的存在下溶解在溶剂(如氯仿)中的聚合物(如聚(甲基丙烯酸甲酯)(PMMA))。本发明的这一方面的组合物可用于例如汽车前灯的外壳。
在另一方面中，本发明是包含碳酸铈(III)颗粒和纯聚合物的组合物。这种组合物可以通过混合碳酸铈(III)颗粒与挤出的聚合物熔体来制备。
合适的聚合物的实例包括聚丙烯酸酯、聚(苯乙烯-丙烯酸酯)、聚苯乙烯、聚乙酸乙烯酯、聚氨酯、聚(乙酸乙烯酯-丙烯酸酯)、硅酮、环氧树脂、聚烯烃、纤维素、以及聚硅酸盐。
碳酸铈(III)纳米级分散体在如乳胶漆制剂的应用中尤其有用，其中颜色和光泽保持是期望的。
实施例1-4-制备碳酸铈(III)颗粒的水性纳米分散体
在以下实施例中，通过动态光散射测定z-平均粒径。
实施例1-制备通过EDTA稳定的纳米级碳酸铈(III)颗粒的水性分散体
将硝酸铈(III)铵四水合物的水溶液(2g在100mL去离子水中)添加到250mL塑料瓶中。将EDTA(50mg)和碳酸铵(1g)分别溶解在水(50mL)中，然后在搅拌(600rpm)10min的情况下，在25s内添加到硝酸铈(III)铵四水合物的溶液中。观察到混合物的pH值为8.0±0.3。
将产物混合物分到四个40mL离心管中，随后以20,000rpm进行离心6min。收集每个管中的白色产物并用25mL水洗涤，包括5min涡旋混合，以确保去除可溶性硝酸盐和过量碳酸铵。洗涤和离心后的最终产物作为具有20wt％固体含量的湿糊状物而获得。
为了研究EDTA的负载对碳酸铈(III)特性的影响，使用100mg和500mg的EDTA将该实施例重复两次。发现碳酸铈颗粒的z-平均粒径是125nm(50mg EDTA)、118nm(100mgEDTA)、以及114nm(500mg EDTA)。
实施例2-制备通过NTA稳定的纳米级碳酸铈(III)颗粒的水性分散体
除了使用NTA(65mg)代替EDTA作为封端配体之外，基本上遵循实施例1中所描述的程序。洗涤和离心后的最终产物作为具有20wt％固体含量的湿糊状物而获得。
用32.5mg的NTA重复该实施例。发现碳酸铈(III)颗粒的z-平均粒径是157nm(32.5mg NTA)和115nm(65mg NTA)。
实施例3-制备通过PIDA稳定的纳米级碳酸铈(III)颗粒的水性分散体
将硝酸铈(III)铵四水合物的水溶液(2g在100mL去离子水中)添加到250mL塑料瓶中。将PIDA(72mg)和碳酸铵(1g)分别溶解在水(50mL)中，然后在搅拌(600rpm)10min的情况下，在25s内添加到硝酸铈(III)铵四水合物的溶液中。观察到混合物的pH值为8.0±0.3。
将产物混合物分到四个40mL离心管中，随后以20,000rpm进行离心6min。收集每个管中的白色产物并用25mL水洗涤，包括5min涡旋混合，以确保去除可溶性硝酸盐和过量碳酸铵。洗涤和离心后的最终产物作为具有20wt％固体含量的湿糊状物而获得。发现碳酸铈颗粒的z-平均粒径是105nm。
实施例4-制备通过PAA稳定的纳米级碳酸铈(III)颗粒的水性分散体
将硝酸铈(III)铵四水合物的水溶液(2g在100mL去离子水中)添加到250mL塑料瓶中。将PAA(500mg的50％水溶液，MW＝2000g/mol)和碳酸铵(1g)分别溶解在水(50mL)中，然后在搅拌(600rpm)10min的情况下，在25s内添加到硝酸铈(III)铵四水合物的溶液中。观察到混合物的pH值为8.0±0.3。
将产物混合物分到四个40mL离心管中，随后以20,000rpm进行离心6min。收集每个管中的白色产物并用25mL水洗涤(包括5min涡旋混合)，以确保去除可溶性硝酸盐和过量碳酸铵。洗涤和离心后的最终产物作为具有20wt％固体含量的湿糊状物而获得。
使用1.1g和2.2g 50％水溶液PAA重复实施例两次。发现通过动态光散射(DLS)测定的碳酸铈颗粒的z-平均粒径是105nm(0.5g PAA)、105nm(1.1g PAA)、以及20nm(2.2gNTA)。
实施例5-7-用染料和色调剂制备涂层制剂
在以下制备中，丙烯酸粘合剂具有以下特征：(49BA/50MMA/1MAA)，z-平均粒径＝98nm，固体含量为40.2wt.％。
用染料制备漆制剂：
如下制备两种单独的分散体：
A.将Ti-Pure-R706 TiO2(3.5g)、任选的基于Ti-Pure-R706 TiO2重量的10％DeGussa P25 TiO2光催化剂、TAMOLTM1124分散剂(Dow Chemical Company或其附属公司的商标，相对于颜料重量0.3wt.％)、1M NH4OH(10μL)和3.5x 10-4M刚果红染料或亚甲基蓝染料(0.7mL)的水溶液在1700rpm在ZrO2珠(10mm)的存在下混合，以形成TiO2浆料。从浆料中去除ZrO2珠，随后随时间将另外量的染料溶液(1.27mL)添加到浆料中。然后将混合物混合(3500rpm持续3min)以获得4.65g的75wt.％颜料浆料。
B.将2wt.％至5wt.％碳酸铈(III)(相对于在步骤A中的Ti-Pure-R706的重量)的固体(如以上描述的在不具有封端配体或具有封端配体的情况下制备的20％固体的湿糊剂，如实施例2中所描述)与水(0.86mL至0.44mL，取决于固体)组合。用1M NH4OH将所得溶液的pH调节至pH 9。剪切混合物(3500rpm持续4min)，随后超声处理(10min)。
在搅拌下将来自步骤A的浆料与丙烯酸粘合剂(12.79g)进行混合。将来自步骤B的分散体与来自步骤A的浆料混合并且剪切混合物(3500rpm持续1min)。随后，将ACRYSOLTM2020E增稠剂(陶氏化学公司或其附属公司的商标，0.6g)添加到混合物中并且混合(3500rpm持续3min)以获得在约16％颜料体积浓度(PVC)下的最终漆制剂。
用色调剂(tint)制备漆制剂：
将Ti-Pure-R706 TiO2(4.6g)、TAMOLTM1124分散剂(相对于颜料重量0.3wt.％)、1MNH4OH(10μL)、DeGussa P25 TiO2光催化剂(0.36g)、Colorprove有机红色808着色剂(0.44g)和水(1.53g)在2100rpm下在ZrO2珠的存在下混合。从浆料中去除ZrO2珠并再次混合(3500rpm，3min)浆料以获得7g的75wt.％颜料浆料。将浆料与步骤B中描述的分散体混合(除了仅根据实施例2制备碳酸铈(III))以形成具有约16％的PVC的最终漆制剂。
涂层的UV诱导的光降解
漆制剂使用3密耳棒涂膜器施加在聚丙烯酸基底上。将施加的涂层在环境条件下干燥72h。然后将干燥涂层在254-nm UV光(140-150Lux)下照射4h。
将一部分涂层(200mg)从聚丙烯酸基底刮下，与1mL乙醇组合，并且超声处理15min。然后将混合物涡旋5min，并且通过UV-vis光谱分析含有残留染料的上清液，以确定染料降解程度。
实施例5-通过UV-vis的染料降解，含P25
如上所描述的，当含有Ti-R706-TiO2、DeGussa P25、丙烯酸粘合剂、刚果红染料和碳酸铈(III)，不含封端配体的样品暴露于UV光时，染料降解程度为8％。相比之下，不含碳酸铈(III)的降解程度是40％。
实施例6-通过UV-vis的染料降解，不含P25
如上所描述的，当含有Ti-R706-TiO2、丙烯酸粘合剂、亚甲基蓝染料和碳酸铈(III)，不含封端配体的样品暴露于UV光时，染料降解程度为0％。相比之下，不含碳酸铈(III)的降解程度是15％。
实施例7-通过UV-vis的色调剂降解，含P25
如上所描述的，当使含有Ti-R706-TiO2、DeGussa P25、丙烯酸粘合剂、有机红色调剂和碳酸铈(III)，具有封端配体(如实施例2所描述)的样品暴露于UV光时，发现颜色保留是完全保留的。相比之下，没有碳酸铈(III)的样品显示出显著的颜色损失。
聚甲基丙烯酸甲酯的UV诱导的光降解：
将a)溶解在CHCl3中的PMMA和b)碳酸铈(III)颗粒(如在实施例1或3中制备的；基于PMMA的重量2或5wt.％)的混合物倒入表面皿(watch glass)中并且允许在环境条件下干燥16h。在干燥16h后，然后将PMMA膜在254-nm UV光(140-150Lux)下照射4h。
实施例8-用EDTA封端的碳酸铈(III)进行的PMMA的UV光降解
对于含有用EDTA封端的碳酸铈(III)(基于PMMA的重量为2重量％)的照射的PMMA膜，没有观察到黄化。相比之下，不含碳酸铈(III)的浇铸膜展现出显著的黄化。
实施例9-用PIDA封端的碳酸铈(III)进行的PMMA的UV光降解
对于含有用PIDA封端的碳酸铈(III)(基于PMMA的重量为5重量％)的照射的PMMA膜，没有观察到黄化。相比之下，不含碳酸铈(III)的浇铸膜展现出显著的黄化。
这些研究证明，碳酸铈(III)实质性地改善了在由涂料制剂制备的涂层中的褪色并且显著地减弱了不期望的颜色形成。
Claims (8)
1.一种用于制备纳米级碳酸铈(III)颗粒的水性分散体的方法，包括在水中混合a)水溶性铈(III)铵盐、b)水溶性碳酸盐、和c)封端配体的步骤，所述封端配体是胺羧酸或其盐、胺膦酸或其盐、或用羧酸基团官能化的聚合物或其盐；其中，a)、b)、和c)的相对比例使得所得碳酸铈(III)颗粒的z-平均粒径在5nm至500nm的范围内。
2.根据权利要求1所述的方法，其中，所述水溶性铈(III)铵盐是硝酸铈(III)铵。
3.根据权利要求2所述的方法，其中，所述水溶性碳酸盐是碳酸钠、碳酸钾、碳酸铵、碳酸氢钠或碳酸氢钾。
4.根据权利要求2所述的方法，其中，所述水溶性碳酸盐是碳酸铵。
5.根据权利要求4所述的方法，其中，所述封端配体是乙二胺四乙酸或其盐、乙二胺二乙酸或其盐、氮川三乙酸或其盐、聚丙烯酸或其盐、氨基三甲基膦酸或其盐、6-氨基-2-[双(羧甲基)氨基]己酸或其盐、或者N-(膦酰甲基)亚氨基二乙酸或其盐。
6.根据权利要求4所述的方法，其中，所述封端配体是乙二胺四乙酸或其盐、乙二胺二乙酸或其盐、氮川三乙酸或其盐、聚丙烯酸或其盐、或者N-(膦酰甲基)亚氨基二乙酸或其盐。
7.根据权利要求3所述的方法，其中，所述硝酸铈(III)铵与所述水溶性碳酸盐的摩尔：摩尔比是在2：1至1：20的范围内。
8.根据权利要求6所述的方法，其中，所述硝酸铈(III)铵与所述碳酸铵的摩尔：摩尔比是在1：1至1：10的范围内；并且硝酸铈铵与所述封端配体的摩尔：摩尔比是在50：1至1：1的范围内。
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