CN115926192B

CN115926192B - 一种生物基粉末涂料及其制备方法

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Publication number: CN115926192B
Application number: CN202310019083.8A
Authority: CN
Inventors: 刘敬成; 谭增辉; 李小杰; 魏玮; 宋俊玲
Original assignee: Jiangnan University
Current assignee: Jiangnan University
Priority date: 2023-01-06
Filing date: 2023-01-06
Publication date: 2023-07-07
Anticipated expiration: 2043-01-06
Also published as: CN115926192A

Abstract

本发明公开了一种含端羧基木质素的生物基粉末涂料及其制备方法，首先利用木质素与环氧丙醇发生开环反应，制得木质素多元醇；在催化剂下，GL与酸酐反应，制得端羧基木质素；将所述端羧基木质素5‑20份、环氧树脂50‑70份、氧化锌0.5‑1份、硫酸钡10‑15份、钛白粉2‑3份、固化剂5‑10份、安息香0.3‑0.5份、流平剂0.3‑0.5份混合均匀后制得粉末涂料。本发明端羧基木质素添加到粉末涂料中可以实现“死光”的消光效果，既实现了木质素的“废物利用”，也制备出了一种耐紫外老化的高性能环保涂料。

Description

一种生物基粉末涂料及其制备方法

技术领域

本发明涉及功能涂料技术领域，尤其是涉及一种含端羧基木质素的生物基粉末涂料及其制备方法。

背景技术

粉末涂料常以环氧、聚酯、丙烯酸等有机树脂作为基体，通过添加固化剂、颜填料与助剂等原料，经混炼、压片、破碎、研磨、过筛制得粉体涂料，具有节能环保、涂装高效、防护性好、可回收再利用的特点，是一种生态环保涂料。随着粉末涂料生产工艺革新，涂装设备、施工应用取得突破性进展，粉末涂料已经进入各个生产加工行业，行业地位越来越重要，市场发展前景也越来越广阔。

近年来，生物基化学品和可再生资源已经成为研究热点，生物基产品及绿色能源的研究已经成为世界科技领域的前沿，世界各国都在积极推动，也为其市场的拓展创造了有利空间。生物基涂料是利用可再生生物质为原料生产的涂料产品，从源头进行绿色设计，有利于推动行业绿色升级。

木质素作为一种清洁、可再生的生物质资源，对于解决化石燃料的短缺和全球环境问题具有重要的价值。木质素储量丰富，且产量每年还在继续增长，但其仍未得到有效利用。不同于其他生物质资源，木质素是由三种苯丙烷单元构成的三维无定形聚合物，其结构中含有大量的芳香环，具有一定的刚性和耐热性；同时，木质素含有大量的羟基可供化学改性，木质素的这些特性使其成为制备热固性树脂的极佳生物质原料。如果将木质素应用到粉末涂料中，不仅可以降低成本，还能提高涂料的综合性能。

随着人们审美观念的转变，对涂层光泽的要求也发生了变化，人们不仅需要高光泽的涂层，也需要低光泽的涂层。

发明内容

针对现有技术存在的上述问题，本发明提供了一种生物基粉末涂料及其制备方法。本发明以木质素为原料，对其羟基进行化学改性，合成端羧基木质素；将所述端羧基木质素添加到粉末涂料中可以实现“死光”的消光效果，既实现了木质素的“废物利用”，也制备出了一种耐紫外老化的高性能环保涂料。

本发明的技术方案如下：

本发明的第一个目的是提供了一种端羧基木质素，所述端羧基木质素的制备方法为：

(1)木质素与环氧丙醇发生开环反应，制得木质素多元醇(GL)；

(2)在催化剂下，步骤(1)制得的木质素多元醇(GL)与酸酐反应，制得所述端羧基木质素；其中羧基含量≥15wt％。

在本发明的一个实施例中，步骤(1)中，所述木质素为碱木质素、酸水解木质素、酶解木质素、木质素磺酸盐中的一种或多种。

优选地，所述木质素为酶解木质素，酚羟基含量≥3wt％。

在本发明的一个实施例中，步骤(1)中，木质素中酚羟基与环氧丙醇的摩尔比为1:1-1.5；

优选地，开环反应的条件为：NaOH水溶液调节pH为7.5-8.5，50-70℃反应12 -20h。

在本发明的一个实施例中，步骤(2)中，所述催化剂为N,N-二甲基苄胺，用量为木质素多元醇与酸酐总质量的2-5％；

优选地，所述酸酐为马来酸酐、丁二酸酐、己二酸酐、戊二酸酐中的一种或多种；

优选地，所述木质素多元醇中醇羟基与酸酐的摩尔比为1:1.2-1.5；

优选地，反应条件为75-90℃下反应6-12h。

本发明的第二个目的是提供一种含有所述端羧基木质素的生物基粉末涂料，所述生物基粉末涂料由以下重量份数的原料组成：

环氧树脂50-70份、所述端羧基木质素5-20份、氧化锌0.5-1份、硫酸钡10-15份、钛白粉2-3份、固化剂5-10份、安息香0.3-0.5份、流平剂0.3-0.5份。

在本发明的一个实施例中，所述环氧树脂为美国陶氏化学的DER 671、DER662E、DER 663U、DER 663UE、DER 664UE、DER 667E、DER 667-20、DER 669E、DER 669-20中的一种或多种。

在本发明的一个实施例中，所述固化剂为美国亨斯迈的

2844、/>

3082、/>

3086中的一种或多种；

优选地，氧化锌、钛白粉或硫酸钡的粒径为0.5-5μm；

优选地，所述流平剂为埃斯特伦化学的P-67A、PL-200、PL-210、PV-88、PH-240、P-64F中的一种或多种。

本发明的第三个目的是提供一种所述生物基粉末涂料的制备方法，所述制备方法包括如下步骤：

按照各原料的重量份数称料后加入高速混合机中分散均匀，得到混合粉末；

将制得的混合粉末加入双螺杆挤出机中混炼挤出，之后双辊压片，冷却至室温后粉碎、过筛，制得所述生物基粉末涂料。

在本发明的一个实施例中，高速混合机中分散的条件为1000-3000rpm的转速下混合5-10min；

在本发明的一个实施例中，所述双螺杆挤出机挤出的温度为100-120℃。

优选地，所述生物基粉末涂料的粒径为80-200目。

本发明有益的技术效果在于：

本发明端羧基木质素可以提高环氧树脂的涂层性能、热机械性能、力学性能、耐热性、化学降解性等性能。

本发明将端羧基木质素添加到粉末涂料中可以实现“死光”的消光效果，同时耐紫外老化性优异。

附图说明

图1为实施例1中端羧基木质素的合成意图；

图2为实施例1中L、GL和MGL的傅立叶红外谱图；

图3为实施例1中L、GL和MGL的核磁氢谱图；

图4为实施例1中L、GL和MGL的核磁碳谱图；

图5为实施例4制得生物基粉末涂料制得涂层的防腐效果图。

具体实施方式

下面结合附图和实施例，对本发明进行具体描述。

实施例1

一种端羧基木质素的制备方法，包括如下步骤：

(1)木质素多元醇(GL)的合成

在配备磁力搅拌子的单口烧瓶中加入16.84gNaOH(0.421mol)和600g去离子水，完全溶解后缓慢加入100g(0.421mol酚羟基)木质素，充分搅拌0.5小时后，调节溶液pH为8.0，之后加入37.4g(0.505mol)环氧丙醇，加热到60℃反应12小时，反应结束后，将反应液滴加到大量的稀盐酸溶液中沉降，真空抽滤除去溶液，并使用去离子水多次洗涤布氏漏斗中的固体粉末，将滤饼在60℃下真空干燥48小时后得到126g深黄色粉末，产率为91.7％。

(2)端羧基木质素(MGL)的合成

在配备磁力搅拌子和冷凝回流管的单口烧瓶中使用300mL DMSO溶解50g步骤(1)制得的木质素多元醇(0.249mol醇羟基)，随后依次加入1.68gN,N-二甲基苄胺(0.01245mol)和29.4g马来酸酐(0.3mol)，将反应温度升到80℃反应6小时，反应结束后，将反应液滴加到大量的去离子水中沉降，真空抽滤除去溶液，并使用去离子水多次洗涤滤饼，将滤饼在60℃真空烘箱中干燥24小时；用乙醇萃取上述干燥得到的粉末，充分搅拌，过滤除去不溶部分，将滤液减压蒸馏，并在45℃真空烘箱中干燥24小时以除去乙醇，得到60g深褐色粉末，产率为75.6％。反应示意图如图1所示。端羧基木质素(MGL)的羧基含量为3.50mmol/g。

L、GL和MGL的傅立叶红外谱图如图2所示，为了便于比较，对在约1500cm^-1处属于木质素苯环骨架的振动吸收峰进行归一化处理。由图可知，在使用环氧丙醇对木质素进行第一步改性后，红外谱图没有明显变化，但GL在2930cm^-1和2845cm^-1处分别属于-CH₃和-CH₂-的伸缩振动峰的吸收峰强度都有明显的增强，从侧面证明了木质素成功开环了环氧丙醇。而改性前后在1695cm^-1处属于木质素上羧基C＝O的伸缩振动峰的强度基本没有变化，说明主要是木质素上的酚羟基发生了开环反应。一般来说，羧酸与环氧反应的活性比酚羟基高，这里羧基含量未发生明显变化，是因为羧基在NaOH作用下生成了没有反应活性的羧酸盐。使用马来酸酐改性GL后，出现了在1637cm^-1、1726cm^-1和2600cm^-1处新的吸收峰，分别属于马来酸酐上碳碳双键、酯键C＝O和羧基的伸缩振动峰。由此可以证明马来酸酐成功单酯化了木质素多元醇，得到了木质素基多元羧酸MGL。

L、GL和MGL的核磁氢谱图如图3所示，由图可知，化学位移为4.65ppm和4.92ppm分别是环氧丙醇被开环形成的仲羟基和伯羟基上氢原子的特征峰。同时化学位移为8-10ppm属于木质素上酚羟基中氢原子的特征峰基本消失，而羧基峰依旧存在，说明了步骤(1)中，主要是酚羟基和环氧丙醇发生了开环反应，和前面红外表征的结果呼应。步骤(2)中，使用马来酸酐改性GL后，伯羟基和仲羟基上氢原子的特征峰基本消失，化学位移为6.37ppm是马来酸酐双键上两个氢原子的特征峰。证明了端羧基木质素的成功制备。

L、GL和MGL的核磁碳谱图如图4所示，由图可知，步骤(1)中，使用环氧丙醇改性木质素后，化学位移为70.16ppm是GL中靠近醚键第一个碳原子的特征峰；化学位移为70.69ppm是连着仲羟基的碳原子的特征峰；化学位移为63.04ppm是连着伯羟基的碳原子的特征峰，这些新峰表明了木质素成功开环环氧丙醇。步骤(2)中，使用马来酸酐改性木质素多元醇后，之前三个碳原子的特征峰基本消失，化学位移为128.47ppm是碳碳双键上靠近酯键碳原子的特征峰；化学位移为131.89ppm是碳碳双键上靠近羧基碳原子的特征峰；化学位移为164-168.4ppm是酯键和羧基中碳原子的特征峰。表明了马来酸酐单酯化GL，成功合成了端羧基木质素。

实施例2

一种端羧基木质素的制备方法，包括如下步骤：

(1)木质素多元醇(GL)的合成

在配备磁力搅拌子的单口烧瓶中加入18gNaOH(0.45mol)和600g去离子水，完全溶解后缓慢加入100g(0.421mol酚羟基)木质素，充分搅拌0.5小时后，调节溶液pH为8.0，之后加入43.66g(0.59mol)环氧丙醇，加热到50℃反应20小时。反应结束后，将反应液滴加到大量的稀盐酸溶液中沉降，真空抽滤除去溶液，并使用去离子水多次洗涤布氏漏斗中的固体粉末。将滤饼在60℃下真空干燥48小时后得到129.3g深黄色粉末，产率为90％。

(2)端羧基木质素(MGL)的合成

在配备磁力搅拌子和冷凝回流管的单口烧瓶中使用300mL DMSO溶解50g木质素多元醇(0.26mol醇羟基)。随后依次加入1.754gN,N-二甲基苄胺(0.013mol)和30g丁二酸酐(0.3mol)，将反应温度升到75℃反应12小时。反应结束后，将反应液滴加到大量的去离子水中沉降，真空抽滤除去溶液，并使用去离子水多次洗涤滤饼，将滤饼在60℃真空烘箱中干燥24小时。用乙醇萃取上述干燥得到的粉末，充分搅拌，过滤除去不溶部分。将滤液减压蒸馏，并在45℃真空烘箱中干燥24小时以除去乙醇，得到57.2g深褐色粉末，产率为70％。端羧基木质素(MGL)的羧基含量为4.10mmol/g。

实施例3

一种端羧基木质素的制备方法，包括如下步骤：

(1)木质素多元醇(GL)的合成

在配备磁力搅拌子的单口烧瓶中加入18gNaOH(0.45mol)和600g去离子水，完全溶解后缓慢加入100g(0.421mol酚羟基)木质素，充分搅拌0.5小时后，调节溶液pH为8.0，之后加入43.66g(0.59mol)环氧丙醇，加热到70℃反应12小时。反应结束后，将反应液滴加到大量的稀盐酸溶液中沉降，真空抽滤除去溶液，并使用去离子水多次洗涤布氏漏斗中的固体粉末。将滤饼在60℃下真空干燥48小时后得到130.5g深黄色粉末，产率为90.84％。

(2)端羧基木质素(MGL)的合成

在配备磁力搅拌子和冷凝回流管的单口烧瓶中使用300mL DMSO溶解50g木质素多元醇(0.32mol醇羟基)。随后依次加入1.754g N,N-二甲基苄胺(0.013mol)和38.44g己二酸酐(0.3mol)，将反应温度升到90℃反应6小时。反应结束后，将反应液滴加到大量的去离子水中沉降，真空抽滤除去溶液，并使用去离子水多次洗涤滤饼，将滤饼在60℃真空烘箱中干燥24小时。用乙醇萃取上述干燥得到的粉末，充分搅拌，过滤除去不溶部分。将滤液减压蒸馏，并在45℃真空烘箱中干燥24小时以除去乙醇，得到59.6g深褐色粉末，产率为66％。端羧基木质素(MGL)的羧基含量为4.20mmol/g。

实施例4

一种生物基粉末涂料，其原料按重量份包括：环氧树脂DER 663U 50份、实施例1合成的端羧基木质素5份、氧化锌0.5份、硫酸钡10份、钛白粉2份、固化剂

3082 5份、安息香0.4份、流平剂PA-67A0.4份。上述各原料称量后加入高速混合机2000rpm下混合8分钟，得到混合粉末；将制得的混合粉末加入双螺杆挤出机中110℃混炼挤出，之后双辊压片，冷却至室温后粉碎、过100目筛，制得所述生物基粉末涂料。

实施例5

一种生物基粉末涂料，其原料按重量份包括：环氧树脂DER 663U 60份、实施例1合成的端羧基木质素10份、氧化锌0.5份、硫酸钡10份、钛白粉2份、固化剂

3082 7份、安息香0.4份、流平剂PA-67A 0.4份。上述各原料称量后加入高速混合机2000rpm下混合8分钟，得到混合粉末；将制得的混合粉末加入双螺杆挤出机中110℃混炼挤出，之后双辊压片，冷却至室温后粉碎、过150目筛，制得所述生物基粉末涂料。

实施例6

一种生物基粉末涂料，其原料按重量份包括：环氧树脂DER 663U 70份、实施例1合成的端羧基木质素20份、氧化锌0.5份、硫酸钡10份、钛白粉2份、固化剂

3082 10份、安息香0.4份、流平剂PA-67A 0.4份。上述各原料称量后加入高速混合机2000rpm下混合8分钟，得到混合粉末；将制得的混合粉末加入双螺杆挤出机中110℃混炼挤出，之后双辊压片，冷却至室温后粉碎、过100目筛，制得所述生物基粉末涂料。

对比例1

一种粉末涂料，其原料按重量份包括：环氧树脂DER 663U 50份、氧化锌0.5份、硫酸钡10份、钛白粉2份、固化剂

3082 5份、安息香0.4份、流平剂PA-67A 0.4份。上述各原料称量后加入高速混合机2000rpm下混合8分钟，得到混合粉末；将制得的混合粉末加入双螺杆挤出机中110℃混炼挤出，之后双辊压片，冷却至室温后粉碎、过100目筛，制得所述粉末涂料。

对比例2

一种粉末涂料，其原料按重量份包括：环氧树脂DER 663U 50份、木质素(山东龙力生物科技股份有限公司，LIG-I型)5份、氧化锌0.5份、硫酸钡10份、钛白粉2份、固化剂

测试例

(1)将实施例1-3及对比例1-2制得的粉末涂料，分别用静电喷涂在镀锌板上，于180℃固化20min，形成涂膜的厚度为300μm，各涂膜的性能测试如表1所示。

表1

项目	人工加速老化实验	铅笔硬度	划格附着力	光泽度(60°)
					实施例4	360小时	2H	0级	17
实施例5	500小时	2H	0级	12
					实施例6	720小时	3H	0级	9
对比例1	300小时	2H	1级	47
					对比例2	320小时	2H	1级	34
标准	GT/T 14522-2008	GB/T6739-2006	GB/T9286-1988	GB 1743-1979(1989)

由表1可以看出，随着端羧基木质素加入量的提高，涂层的耐老化性提高，光泽度下降，附着力为0级，而未加入木质素或加入的木质素没有经过化学改性，光泽度较高，无法起到消光的作用，耐老化性能相对较差，附着力也仅能达到1级。

(2)根据ISO 9227-2017标准中盐雾测试的方法评价涂层的防腐性能。首先在试样表面交叉划痕，划痕深入金属基体。然后将样品在放置在5wt％的氯化钠溶液的盐雾箱中测试。通过拍照观察试样在盐雾测试400小时后的变化。通过拍照观察涂层试样在不同时间的腐蚀情况，结果如图5所示。没有添加木质素的涂层被划破后，屏蔽作用遭到破坏，水和氧分子在划痕区域直接接触裸露的金属表面，可以观察到在盐雾中暴露400小时后，涂层划痕处有明显的锈斑。当添加木质素后，涂层在盐雾测试中呈现出不同的腐蚀现象。添加木质素后涂层的腐蚀情况相较于未加木质素的涂层明显减轻。实验结果表明：在被划痕后，添加木质素的涂层表现出更优异的耐腐蚀性能，且耐腐蚀性能随木质素含量的增加而提高。

Claims

1.一种端羧基木质素，其特征在于，所述端羧基木质素的制备方法为：

（1）木质素与环氧丙醇发生开环反应，制得木质素多元醇；

（2）在催化剂下，步骤（1）制得的木质素多元醇与酸酐反应，制得所述端羧基木质素；其中羧基含量≥15wt%。

2.根据权利要求1所述的端羧基木质素，其特征在于，步骤（1）中，所述木质素为碱木质素、酸水解木质素、酶解木质素、木质素磺酸盐中的一种或多种。

3.根据权利要求2所述的端羧基木质素，其特征在于，所述木质素为酶解木质素，酚羟基含量≥3wt%。

4.根据权利要求1所述的端羧基木质素，其特征在于，步骤（1）中，木质素中酚羟基与环氧丙醇的摩尔比为1:1-1.5；

开环反应的条件为：NaOH 水溶液调节pH为7.5-8.5，50-70 °C 反应 12 -20h。

5.根据权利要求1所述的端羧基木质素，其特征在于，步骤（2）中，所述催化剂为N,N-二甲基苄胺，用量为木质素多元醇与酸酐总质量的2-5%；

所述酸酐为马来酸酐、丁二酸酐、己二酸酐、戊二酸酐中的一种或多种；

所述木质素多元醇中醇羟基与酸酐的摩尔比为1:1.2-1.5；

反应条件为 75-90 °C 下反应 6-12 h。

6.一种含有权利要求1所述端羧基木质素的生物基粉末涂料，其特征在于，所述生物基粉末涂料由以下重量份数的原料组成：

7.根据权利要求6所述的生物基粉末涂料，其特征在于，所述环氧树脂为美国陶氏化学的DER 671、DER 662E、DER 663U、DER 663UE、DER 664UE、DER 667E、DER 667-20、DER 669E、DER 669-20中的一种或多种。

8.根据权利要求6所述的生物基粉末涂料，其特征在于，所述固化剂为美国亨斯迈的Aradur®2844、Aradur®3082、Aradur®3086中的一种或多种；

氧化锌、钛白粉或硫酸钡的粒径为0.5-5μm；

所述流平剂为埃斯特伦化学的P-67A、PL-200、PL-210、PV-88、PH-240、P-64F中的一种或多种。

9.一种权利要求6所述生物基粉末涂料的制备方法，其特征在于，所述制备方法包括如下步骤：

10.根据权利要求9所述的制备方法，其特征在于，高速混合机中分散的条件为1000-3000 rpm的转速下混合5-10min；

所述双螺杆挤出机挤出的温度为100-120℃；

所述生物基粉末涂料的粒径为80-200目。