(三)发明内容:
本发明的目的是解决上述问题,提供一种配方合理,性能优良,成本低,制备简单,符合环保要求的水性氟树脂、制法及其应用。本发明是这样实现的:水性氟树脂,其特征是:含有如下所示原料单体(A、B)的多元共聚物,其中,乳化剂采用阴离子型乳化剂和非离子型乳化剂按重量比1∶8~10混配,所述的阴离子型乳化剂可选用十二烷基硫酸钠或十二烷基苯磺酸钠,非离子型乳化剂可选用苯乙烯基苯酚聚氧乙烯醚、壬基酚聚氧乙烯醚或脂肪醇聚氧乙烯醚;引发剂选用通用引发剂,水作为介质;各组分重量份比为:A∶B∶水∶乳化剂∶引发剂=15~40∶10~70∶90~160∶0.5~8.0∶0.1~1.0;
F2C=CFCl------------------------------------A
其中R1=C1~C10烷基;
本发明可以是如下所示原料单体A、B、C的三元共聚物,各组分重量份比为:A∶B∶C∶水∶乳化剂∶引发剂=15~30∶15~60∶10~60∶90~160∶0.5~8.0∶0.1~1.0;
F
2C=CFCl------------------------------------A
R2=(CH2)nCH3,n=2~6;
本发明也可以是如下所示原料单体A、B、C、D的四元共聚物,各组分重量份比为:A∶B∶C∶D∶水∶乳化剂∶引发剂=18~28∶16~55∶15~60∶1.0~8.0∶90~160∶0.5~8.0∶0.1~1.0;
F
2C=CFCl------------------------------A
R2=(CH2)nCH3,n=2~6;
CH2=CH-R3-CO2H------------------------D
R3=(CH2)n,n=0~10。
所得聚合乳液固含量为30~50%,平均粒径:180~240nm,分子量分布范围20000~60000,玻璃化温度-30~50℃。
本发明的三氟氯乙烯(A)用量过低,做成的涂料耐候性难以保证;若含量过高,则在水分散中倾向于结晶,分散性差,乳液的稳定性降低,特别适宜的范围在18~30重量份。脂肪族羧酸乙烯基酯(B)可选用醋酸乙烯酯、丙酸乙烯酯、丁酸乙烯酯、己酸乙烯酯、辛酸乙烯酯、癸酸乙烯酯等直链脂肪族羧酸乙烯酯和异丁酸乙烯酯、新戊酸乙烯酯、2-乙基己酸乙烯酯、具有9个或10个碳原子数的支链羧酸的同分异构体混合物的叔碳酸乙烯酯、安息香酸乙烯酯等芳香族羧酸乙烯酯等支链脂肪族羧酸乙烯酯。其中以直链的C2-4羧酸乙烯酯或支链的如C9-10叔碳酸乙烯酯等羧酸乙烯酯为好。醋酸乙烯酯为易得原料,为理想选择。其含量低时,聚合效率降低,效果较差,制得的乳液成膜倾向于硬脆;其含量过高时,做成涂料时成膜温度高,导致成膜性变差,抗水性不良,耐候性降低,适宜用量为16~60重量份。脂肪族烯丙基烷基酯(C)可选用丙烯酸甲酯(MA)、丙烯酸乙酯(EA)、丙烯酸丁酯(BA)、丙烯酸十八酯、丙烯酸-2-乙基己酯等系列单体。该类单体的引入可以改善乳液的柔软性,降低成膜温度,改善成膜性,其用量过多,漆膜发软发粘,耐玷污性较差,适宜用量为15~60重量份。优选丙烯酸丁酯(BA)。脂肪族烯酸(D)有丙烯酸、丁烯酸、甲基丙烯酸、巴豆酸、马来酸、衣康酸、富马酸等,该单体的引入可以提高乳液的稳定性,优选丙烯酸,适宜用量为3~6重量份。
本发明的乳化剂采用阴离子型乳化剂和非离子型乳化剂混配,以保证乳化液具有良好的化学稳定性和机械稳定性。上述阴离子型乳化剂可选用十二烷基硫酸钠(SDS)、烷基苯磺酸钠(ABS)、磺化琥珀酸二辛酯钠盐、聚氧乙烯月桂醇醚硫酸钠和全氟辛酸钠(铵)等,非离子型乳化剂可选用烷基聚氧乙烯醚、烷基苯基聚氧乙烯酯、壬基酚聚氧乙烯醚和苯酚基聚氧乙烯醚等。乳化剂用量过多时,涂膜抗水性受到影响,其用量为0.5~8.0重量份。本发明乳化剂优选十二烷基硫酸钠、苯乙烯基苯酚聚氧乙烯醚和壬基酚聚氧乙烯醚按重量比1∶3~10∶4~12混配或十二烷基苯磺酸钠、脂肪醇聚氧乙烯醚和壬基酚聚氧乙烯醚按重量比1∶3~10∶4~12混配。
本发明的引发剂采用通用引发剂,包括热分解引发剂如过硫酸钾、过硫酸钠,过硫酸铵、过氧化氢、异丙苯过氧化氢以及还原引发剂如过氧化氢—氯化亚铁、过硫酸钾—氯化亚铁、过硫酸钾—亚硫酸氢钠和异丙苯过氧化氢—氯化亚铁等,本发明优选热分解引发剂过硫酸钾(KPS,它在水中溶解度最小,即2.0~4.0%),对现有聚合体系的高温引发效果比较理想,加入量过多时,可以引起含氟聚合物分子量的降低,从而影响聚合物性能,其用量为0.1~1.0重量份。
本发明采用pH值调节剂,以提供稳定的pH值聚合体系,有利于聚合的进行,可以选用的pH值调节剂有碳酸氢铵、磷酸氢二钠、磷酸二氢钠、碳酸钠、碳酸钾和碳酸氢钠等,其用量为0.1~0.9重量份,本发明优选碳酸氢钠,最佳用量为0.2~0.5重量份。
本发明水性氟树脂的玻璃化温度范围在-30~50℃,最好在0~30℃,低于0℃时,涂膜发软发粘,易玷污;高于50℃时,涂膜发脆易裂,成膜性不好,需填加较多助成膜剂,而且提高了VOC含量。水性氟树脂的理想分子量范围10000~100000,最佳范围在20000~70000,使共聚物机械性能和成膜性能达到平衡。水性氟树脂的非挥发份在30~50(重量)范围为好。
本发明水性氟树脂的制法:其特征是:按重量比1∶8~12将乳化剂和水混合,搅拌均匀得乳化剂水溶液,备用;将引发剂和水按重量比1∶40~60混合配制成水溶液,再分成三份(I、II、III),备用;将原料单体和大部分乳化剂水溶液混合搅拌下进行预乳化,得乳化单体,备用;在耐压反应釜中加入剩余的乳化剂水溶液和pH调节剂水溶液,脱气、充N2气、脱气反复三次后,取少量乳化单体加入耐压反应釜中,搅拌升温;当反应釜温度达55~65℃时加入引发剂水溶液(I),聚合开始,反应放热升温,平缓后,同时滴加剩余乳化单体和引发剂水溶液(II),2~4小时内滴加完毕,维持反应15~30min后,将引发剂水溶液(III)加入反应釜中继续反应,温度控制在70~90℃,整个反应历时8~14小时,将反应体系冷却到20~40℃出料,得水性氟树脂。
本发明水性氟树脂的应用:作为涂料基料制备水性氟涂料的应用。
本发明的优点是:水性氟树脂,具有良好的化学稳定性和机械稳定性,采用小分子单体直接乳液聚合,工艺简单,成本低,作涂料基料使用时,形成涂膜具有好的表面特性和耐候性,VOC排放量低于5%,符合环保要求。本发明的氟树脂根据不同的要求制备成多种涂料,可广泛用于建筑、工业、木器、纸张等领域。
(四)具体实施方式:
实施例1
在混合罐中加入57.0g去离子水及0.5g十二烷基硫酸钠,2.5g壬基酚聚氧乙烯醚和2.3g苯乙烯基苯酚聚氧乙烯醚,混合搅拌均匀制得乳化剂水溶液,待用;将0.5g过硫酸钾溶于40g水中,再分成三等份,待用;将0.4g碳酸氢钠溶于10g水中,待用;向预乳化釜中加入30g三氟氯乙烯、70g乙酸乙烯酯和2/3乳化剂水溶液,混合搅拌进行预乳化,得乳化单体,待用;
在带有搅拌和加热装置的1L高压反应釜中加入剩余的乳化剂水溶液和碳酸氢钠水溶液,脱气、充N2气、脱气反复三次后,取1/3乳化单体加入反应釜中,开始搅拌升温;当温度达60℃时,加入一份引发剂水溶液,聚合反应开始,放热升温到72~80℃,反应平缓后,同时滴加剩余乳化单体和另一份引发剂水溶液,2小时内滴加完毕,维持反应20min后,将最后一份引发剂水溶液加入,继续反应,整个反应历时10小时,压力降到0.20~0.25MPa时,反应结束;将反应体系冷却到20~40℃出料,得水性氟树脂。其性能见表2。
实施例2
在混合罐中加入64.0g水及0.6g十二烷基硫酸钠,2.7g壬基酚聚氧乙烯醚和2.5g苯乙烯基苯酚聚氧乙烯醚,混合搅拌均匀制得乳化剂水溶液,待用;将0.6g过硫酸钾溶于30g水中,再分成三份(I)5.8g、(II)19.0g、(III)5.6g,待用;将0.3g碳酸氢钠溶于50.0g水中,得碳酸氢钠水溶液,待用;将25.0g三氟氯乙烯、57.0g乙酸乙烯酯、18.0g丙烯酸丁酯和9/10乳化剂水溶液在预乳化釜中混合搅拌30分钟,进行预乳化,得乳化单体,待用。
在1L耐压反应釜中加入剩余的乳化剂水溶液和碳酸氢钠水溶液,脱气、充N2气、脱气反复三次后,取7%乳化单体加入反应釜中,搅拌升温;当反应釜温度达55℃时加入引发剂水溶液(I),聚合开始,自动放热升温,待温度达到75℃时,维持15分钟,开始滴加剩余乳化单体和引发剂水溶液(II),3小时内滴加完毕,反应温度控制在75~90℃范围,补加引发剂水溶液(III),继续反应,维持整个反应10小时,将反应体系冷却到20~40℃出料,得性能如表2的水性氟树脂。
实施例3
在混合罐中,将56g水0.6g十二烷基硫酸钠,2.6g壬基酚聚氧乙烯醚和2.4g苯乙烯基苯酚聚氧乙烯醚混合,搅拌均匀制得乳化剂水溶液,备用;将0.6g过硫酸钾溶于30g水中,再分成三份,(I)1/5份、(II)3/5份、(III)1/5份,备用;将0.3g碳酸氢钠溶于56g水中,备用;将25.0g三氟氯乙烯、56.0g乙酸乙烯酯、15.0g丙烯酸丁酯、4.0g丙烯酸和5/6乳化剂水溶液,混合搅拌下进行预乳化30分钟,得乳化单体,备用。
在1L耐压反应釜中加入剩余的乳化剂水溶液和碳酸氢钠水溶液,脱气、充N2气、脱气反复三次后,取1/10~1/20乳化单体加入反应釜中,搅拌升温;当反应釜温度达55~60℃时加入引发剂水溶液(I),反应开始,由于放热,温度可自动升到75~90℃,待反应平缓后,开始同时滴加剩余乳化单体和引发剂水溶液(II),2~4小时内滴加完毕,维持反应15~30min后,将引发剂水溶液(III)加入,继续反应,整个反应历时10~13小时,将反应体系冷却到20~40℃出料,得水性氟树脂,性能见表2。
实施例4~7为三氟氯乙烯、丙烯酸和其他两种单体四元共聚,配方见表1,制备方法及工艺条件同实施例3,水性氟树脂性能见表2。
表1 实施例4~7配方表(重量份)
原料配方 |
例4 |
例5 |
例6 |
例7 |
去离子水 |
151 |
155 |
138 |
124 |
三氟氯乙烯 |
20 |
18 |
30 |
25 |
醋酸乙烯酯 |
16 |
37 | |
55 |
新壬酸乙烯酯 | | |
50 | |
丙烯酸丁酯 |
60 |
41 |
17 | |
丙烯酸乙酯 | | | |
18 |
丙烯酸 |
4 |
4 |
3 |
2 |
十二烷基硫酸钠 |
0.6 |
0.6 |
0.5 |
0.5 |
壬基酚聚氧乙烯醚 |
2.8 |
2.9 |
2.4 |
2.4 |
苯乙烯基苯酚聚氧乙烯醚 |
2.6 |
2.7 |
2.3 |
2.2 |
过硫酸钾 |
0.6 |
0.6 |
0.6 |
0.6 |
碳酸氢钠 |
0.3 |
0.3 |
0.2 |
0.3 |
表2 实施例1~7水性氟树脂性能
|
例1 |
例2 |
例3 |
例4 |
例5 |
例6 |
例7 |
非挥发份(%) |
48.2 |
41.4 |
42.1 |
40.8 |
40.2 |
43.0 |
45.1 |
氟元素含量(%) |
14.5 |
12.2 |
12.2 |
9.8 |
9.9 |
14.6 |
12.3 |
粘度(mPa·s) |
12.6 |
6.6 |
7.2 |
7.3 |
8.0 |
5.9 |
8.1 |
玻璃化温度(℃) |
38 |
16 |
21 |
-22 |
-6 |
-29 |
26 |
平均粒径(nm) |
200 |
180 |
121 |
192 |
189 |
178 |
210 |
贮存稳定性 |
通过 |
通过 |
通过 |
通过 |
通过 |
通过 |
通过 |
钙离子稳定性 |
通过 |
通过 |
通过 |
通过 |
通过 |
通过 |
通过 |
机械稳定性 |
通过 |
通过 |
通过 |
通过 |
通过 |
通过 |
通过 |
冻融稳定性 |
通过 |
通过 |
通过 |
通过 |
通过 |
通过 |
通过 |
稀释稳定性 |
通过 |
通过 |
通过 |
通过 |
通过 |
通过 |
通过 |
应用:取实施例1水性氟树脂100重量份,添加助成膜剂5~10重量份,加入颜料60~70重量份,再添加一定量的助剂分散均匀做成水性氟涂料。用同样的方法取实施例2~7的水性氟树脂做成涂料,所得涂料性能测定结果见表3。
表3 水性氟涂料性能测定结果
测定项目 |
例1 |
例2 |
例3 |
例4 |
例5 |
例6 |
例7 |
耐水性 |
通过 |
通过 |
通过 |
通过 |
通过 |
通过 |
通过 |
耐碱性 |
通过 |
通过 |
通过 |
通过 |
通过 |
通过 |
通过 |
耐洗刷性 |
5000 |
5000 |
10000 |
10000 |
10000 |
10000 |
10000 |
耐候性 |
800h不起泡不剥落无裂纹 |
800h不起泡不剥落无裂纹 |
1000h不起泡不剥落无裂纹 |
1000h不起泡不剥落无裂纹 |
1000h不起泡不剥落无裂纹 |
1000h不起泡不剥落无裂纹 |
1000h不起泡不剥落无裂纹 |