CN1474838A - 水性丙烯酸改性醇酸树脂 - Google Patents

水性丙烯酸改性醇酸树脂 Download PDF

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Abstract

一种制备丙烯酸改性醇酸树脂并在此基础上制备水性组合物的方法，以及由上述方法可获得的产物，所述制备丙烯酸改性醇酸树脂的方法包含下列步骤：d)制备一种磺化醇酸树脂产物；e)制备一种丙烯酸酯化脂肪酸产物；及f)让步骤a)的产物与步骤b)的产物在合适的聚合条件下发生反应。

Description

水性丙烯酸改性醇酸树脂
技术领域
本发明涉及一种制备丙烯酸改性醇酸树脂的方法以及由此可获得的产品。
背景技术
近些年来，涂料工业界已作出大量努力来发展低VOC(挥发性有机化合物)含量或零VOC含量的涂料配方。限制工业涂料VOC量的规章已鼓励研发旨在减少基于工业溶剂的涂布操作，如汽车、家电、一般金属、家俱等等中溶剂释出的新技术。有一种技术涉及以水代替有机溶剂，而且因其有效性、成本和环境可接受性等显而易见的理由而引起特别关注。但是，在从有机溶剂基组合物向含水组合物的转移带来安全与健康好处的同时，涂料组合物还必须达到或超过对溶剂基组合物期望的性能标准。为达到或超过这类性能标准的要求引起对含水涂料组合物中所用水性聚合物产物的特点与性能的重视。
业已用以下三类主要成膜聚合物中的每一类制备了水性聚合物产物：聚酯、丙烯酸类和醇酸树脂。在此三类聚合物中，水性醇酸树脂表现出比水性聚酯或丙烯酸树脂高得多的涂料稳定性。此外，醇酸树脂因其分子量低而表现出非常优良的成膜稳定性，这又导致最终涂膜具有很高的光泽度。但是，醇酸树脂“干”得较慢和/或固化时间较长，尤其在室温下。在试图解决这些问题中，改性醇酸树脂受到高度重视。
欧洲专利申请EP 0 267 562 A2描述了醇酸树脂的乳液，在其中，为有助于稳定化乳液，要用胺中和已接枝到脂肪酸上的甲基丙烯酸中的羧基。虽然已避免使用过量的乳化剂，但这类乳液仍含有不希望存在的胺和有机溶剂。
美国专利5,378,757描述了一种通过让至少一种单甘油酯、一种多元酸与一种含至少一个磺酰基的多元醇含硫单体加成物进行反应而制备含磺酰基的水分散醇酸树脂的方法。
PCT申请WO 95/02019描述了一种空气干燥树脂分散在水中的乳液以及制备这种乳液的方法。同时也描述了醇酸树脂与丙烯酸酯树脂的混合乳液。
PCT申请WO 95/05413描述了一种通过烯类不饱和乙烯基单体与聚酯的加聚反应制备可水分散的含磺酰基丙烯酸改性聚酯的方法。
PCT申请WO 99/07759描述了一种由至少一种烯类不饱和单体在带至少一个侧磺酰官能度的水性醇酸树脂存在下聚合而制成的水性丙烯酸改性磺化醇酸树脂分散体。该分散体优选用乳液聚合法制备。
发明内容
本发明的一个目的是提供一种生产丙烯酸改性醇酸树脂的改进方法，该树脂的特性与先有技术中已知的类似并优选更好。
因此，本发明提供一种制备丙烯酸改性醇酸树脂的方法，该方法包含下列步骤：
a)制备一种磺化醇酸树脂产物；
b)制备一种丙烯酸酯化脂肪酸产物；和
c)让步骤a)中的产物与步骤b)中的产物在合适的聚合条件下发生反应。
优选制备步骤a)的产物包含下列步骤：
i)让一种多元醇与一种磺化单体发生反应。以获得一种多元醇磺化单体加成物，和
ii)让包含步骤i)的多元醇磺化单体加成物、至少一种脂肪酸和至少一种多元羧酸或酸酐的混合物发生反应，以获得磺化醇酸树脂产物。
非常优选步骤i)中所用的多元醇是三羟甲基丙烷，以及步骤i)中的磺化单体是5-钠磺基间苯二甲酸。
在该方法的一个优选实施方案中，制备步骤b)的产物包含让至少一种脂肪酸与至少一种丙烯酸官能化的单体发生反应。
优选制备步骤c)的产物包含让步骤a)的产物和步骤b)的产物与一种合适的催化剂一起在缩聚条件下发生反应。
而且，本发明还涉及一种由本发明的方法可获得的水性丙烯酸改性醇酸树脂，优选其特征在于：酸值为10-50mg KOH/g，合油率为5-70％，含硫单体含量为2-7％，丙烯酸官能化单体的含量为2-45％，以及固体含量为20-60％。
此外，本发明还涉及一种制备水性丙烯酸改性醇酸树脂在水中的组合物的方法，以及由此可获得的组合物，在所述方法中，要将本发明的醇酸树脂溶于水和一种中和剂中。
最后，本发明涉及一种涂料组合物，它包含本发明的水性树脂组合物和至少一种选自下列一组的添加剂：调整流变与流动的控制剂、扩链剂、反应性助凝聚剂、增塑剂、平光剂、颜料湿润与分散剂及表面活性剂、紫外线吸收剂、紫外光稳定剂、着色颜料、着色剂、脱泡剂与抑泡剂、防沉降剂、防流挂与稠化剂、防结皮剂、防泛色与防浮剂、生物杀伤剂、杀菌剂、防霉剂、缓蚀剂、增稠剂和凝聚剂。
本发明提供一种制备新颖丙烯酸改性醇酸树脂的方法，在其中，让两种初级产物发生聚合，然后溶于水中。虽然我们无意受任何理论的限制，但我们假设本发明树脂出奇的水溶性源于树脂中醇酸部分的硫酸官能度与丙烯酸部分的羧酸官能度的组合作用。
在本发明方法的第一步中，磺化醇酸树脂基本上按先有技术如美国专利5,378,757和WO 99/07759中所述的方法制备。
一般而言，磺化醇酸树脂可以由一种脂肪酸、一种多元醇；一种多元羧酸；和一种磺化单体反应而成。
为本发明的目的，在第一步中让多元醇与磺化单体发生反应，以获得一种初级树脂产物，而在第二步中，让一种包含初级树脂产物、脂肪酸和多元羧酸或酸酐的混合物发生反应。
优选多元醇选自脂族、脂环族和芳基烷基多元醇。适用多元醇的实例包括，但不限于，乙二醇、丙二醇、二甘醇、三甘醇、四甘醇、五甘醇、六甘醇、七甘醇、八甘醇、九甘醇、十甘醇、1，3-丙二醇、2，4-二甲基-2-乙基-1，3-己二醇、2，2-二甲基-1，2-丙二醇、2-乙基-2-丁基-1，3-丙二醇、2-乙基-2-异丁基-1，3-丙二醇、1，3-丁二醇、1，4-丁二醇、1，5-戊二醇、1，6-己二醇、2，2，4-四甲基-1，6-己二醇、硫代二乙醇、1，2-环己烷二甲醇、1，3-环己烷二甲醇、1，4-环己烷二甲醇、2，2，4-三甲基-1，3-戊二醇、2，2，4-四甲基-1，3-环丁二醇、对-二甲苯二醇、羟基新戊酸羟基新戊酯、1，10-癸二醇、氢化双酚A、三羟甲基丙烷、三羟甲基乙烷、季戊四醇、赤藓醇、苏糖醇、二季戊四醇、山梨糖醇、甘油、二羟甲基丙酸等等。最优选的多元醇是三羟甲基丙烷或新戊二醇。
磺化单体是一种含一个结合在芳核上的SO3M-基团的二官能度或单官能度单体，其中M是氢或一个金属离子，如Na+、Li+、K+、Ca2+、Cu2+、Fe2+或Fe3+。结合-SO3M的芳核的适用实例包括，但不限于，苯、萘、蒽、联苯、氧联苯、磺酰基联苯和亚甲基联苯。
当双官能度单体是一种磺基间苯二甲酸的钠盐，非常优选5-钠磺基间苯二甲酸或一种衍生物如5-钠磺基间苯二甲酸二甲酯时，会得到特别好的结果。
为获得多元醇磺化单体加成物，多元醇与磺化单体的反应优选在作为反应介质并含适当催化剂如次磷酸的水中进行。
在制备磺化醇酸树脂的第二步中，让多元醇磺化单体加成物，通常在水蒸发后，与至少一种脂肪酸、至少一种多元羧酸或酸酐和任选地其它多元醇发生反应。
脂肪酸可以是任何适用的脂肪酸或脂肪酸的混合物。
优选多元羧酸或酸酐选自下列一组：间苯二甲酸、对苯二甲酸、邻苯二甲酸酐、己二酸、四氯代邻苯二甲酸酐、四氢化邻苯二甲酸酐、十二烷双酸、癸二酸、acelaic acid、1，4-环己烷二羧酸、1，3-环己烷二羧酸、马来酸酐、富马酸、丁二酸酐、偏苯三酸酐、1，2，4，5-苯四酸二酐、2，6-萘二羧酸和戊二酸。
此外，还可加入少量一种或多种一元羧酸。
多元醇优选是与制备多元醇磺化单体加成物中所用的同种多元醇。
反应通常在适当的溶剂如二甲苯中进行，溶剂中含一种合适的聚合催化剂，如FASCAT 4100，一种单丁基锡组合物，可购自ELF ATOCHEM公司。
本发明丙烯酸改性醇酸树脂的第二组分是一种由至少一种脂肪酸与至少一种丙烯酸官能化单体发生反应所获得的丙烯酸酯化脂肪酸。
脂肪酸的适用实例包括，但不限于，牛脂酸、大豆酸、肉豆蔻酸、亚麻子酸、巴豆酸、versatic酸、椰子酸、高脂肪酸、松香酸、新癸酸、新戊酸、异硬脂酸、12-羟基硬脂酸、棉籽酸等等。
丙烯酸官能化单体包括，但不限于，丙烯酸、甲基丙烯酸、甲基丙烯酸甲酯、甲基丙烯酸异丁酯等等。优选用丙烯酸官能化单体的混合物，任选地还与不饱和单体如乙烯基官能化单体如苯乙烯进一步混合。
但是，脂肪酸的丙烯酸酯化通常在无任何溶剂下和有适当引发剂与适当电荷转移剂存在下进行。
对该反应为良好引发剂的实例是过氧化二-叔-戊基。但也能用已知对该反应是活性的其它引发剂。
一种优选的电荷转移剂是正十二烷基硫醇，但其它物质也能适用。
在制备本发明的丙烯酸改性醇酸树脂的最后一步中，磺化醇酸树脂与丙烯酸酯化脂肪酸，在高温下和有适当催化剂如次磷酸存在下，被转化为最终产物。
为获得本发明的水性丙烯酸改性醇酸树脂组合物，缩聚产物通常不经任何进一步纯化就直接溶于水与中和剂如氨的混合物中。
本发明的水性丙烯酸改性醇酸树脂组合物可用作具有优良特性的涂料组合物的基础，如实施例中更详细地所述。本发明的涂料组合物还可以含涂料添加剂。这类涂料添加剂的实例包括，但不限于，一种或多种调整流变与流动的控制剂，如硅氧烷、氟碳化合物或纤维素；扩链剂；反应性助凝聚剂，如美国专利号5,349,026所述；增塑剂；平光剂；颜料湿润与分散剂及表面活性剂；紫外线吸收剂；紫外光稳定剂；着色颜料；着色剂；脱泡剂与抑泡剂；防沉降剂、防流挂与稠化剂；防结皮剂；防泛色与防浮剂；生物杀伤剂；杀菌剂；防霉剂；缓蚀剂；增稠剂或凝聚剂。这类添加剂的具体实例可见诸于NationalPaint & Coatings Association，1500 Rhode Island Avenue，N.W.，Washington，D.C.20005出版的Raw Materials Index。这类添加剂的其它实例和乳液聚合方法可见诸于美国专利5,371,148。
平光剂的实例包括，但不限于，合成二氧化硅，可购自DavisonChemical Division of W.R.Grace & Company，商品名为SYLOID；聚丙烯，可购自Hercules公司，商品名为HERCOFLAT；合成硅酸盐，可购自J.M.Huber公司，商品名为ZEOLEX。
分散剂和表面活性剂的实例包括，但不限于，二(三癸基)硫代丁二酸钠、二(2-乙基己基)硫代丁二酸钠、二己基硫代丁二酸钠、二环己基硫代丁二酸钠、二戊基硫代丁二酸钠、二异丁基硫代丁二酸钠、异癸基硫代丁二酸二钠、硫代丁二酸的乙氧基化醇半酯二钠、烷基酰胺聚乙氧基硫代丁二酸二钠、N-(1，2-二羧基乙基)-N-十八烷基硫代丁二酸四钠、N-八硫代丁酸二钠、硫酸化乙氧基化壬基苯基2-氨基-2-甲基-1-丙醇等等。
粘度、悬浮和流动控制剂的实例包括，但不限于，聚氨基酰胺磷酸酯、聚胺酰胺的高分子量羧酸盐和不饱和脂肪酸的亚烷基胺盐，全都可购自美国BYK Chemie公司，商品名为ANTI TERRA。另一些实例包括聚硅氧烷共聚物、聚丙烯酸酯溶液、纤维素酯、羟乙基纤维素、疏水改性羟乙基纤维素、羟丙基纤维素、聚酰胺蜡、聚烯烃蜡、羧甲基纤维素、聚丙烯酸铵、聚丙烯酸钠、羟丙基甲基纤维素、乙基羟乙基纤维素、聚环氧乙烷、瓜耳胶等等。增稠剂的其它实例包括氧乙环/氧丙环组合增稠剂和水溶性羧酸酯化增稠剂，如Union Carbide公司的UCAR POLYPHOBE。
几种专利性抑泡剂有商品可购，包括例如Buckman Laboratories公司的BUBREAK、美国BYK Chemie公司的BYK、Henkel公司/Coating Chemicals的FOAMASTER和NOPCO、Ashland Chemical公司Drew Industrial Division的DREWPLUS、Troy Chemical公司的TRYSOL与TROYKYD以及Union Carbide公司的SAG。
杀菌剂、防霉剂和生物杀伤剂的实例包括，但不限于，4，4-二甲基噁唑烷、3，4，4-三甲基噁唑烷、改性偏硼酸钡、N-羟基-甲基-N-甲基二硫代碳酸钾、2-(硫代氰基-甲基硫)苯并噻唑、二甲基二硫代碳酸钾、金刚烷、N-(三氯甲基硫)苯邻二甲酰亚胺、2，4，5，6-四氯代间苯二氰、邻苯基苯酚、2，4，5-三氯苯酚、脱氢乙酸、萘酸铜、辛酸铜、有机砷、氧化三丁基锡、萘酸锌和8-喹啉酸铜。
紫外线吸收剂和紫外光稳定剂的实例，除其它取代苯酮外，还包括取代苯并三唑、受阻胺和受阻苯甲酸酯、可购自American Cyanamid公司，商品名CYASORB UV，和二乙基-3-乙酰基-4-羟基-苄基-磷酸酯、4-十二烷基氧基-2-羟基-苯酮以及间苯二酚单苯甲酸酯。
溶剂和凝聚剂的实例是共知的，包括，但不限于，乙醇、正丙醇、异丙醇、正丁醇、仲丁醇、异丁醇、乙二醇单丁基醚、丙二醇正丁基醚、丙二醇甲基醚、丙二醇单丙基醚、二丙二醇甲基醚、二甘醇单丁基醚、单异丁酸三甲基戊二醇酯、乙二醇单辛基醚、二丙酮醇、TEXANOL酯醇(Eastman Chemical公司)等等。这类溶剂和助凝聚剂也可包括反应性溶剂与助凝聚剂，如邻苯二甲酸二烯丙酯、购自Monsanto的SANTOLINK XI-100聚缩水甘油基烯丙基醚，以及美国专利5,349,026和5,371,148中所述的其它溶剂与助凝聚剂。
本发明预期适用于涂料组合物的颜料是表面涂料技术领域中一般技术人员所共知的典型有机与无机颜料，特别是1982年Society ofDyers and Colourists与American Association of TexileChemists and Colorists联合出版的Colour Index第3版第2修订本中所述的那些。实例包括，但不限于，如下化合物：二氧化钛、氧化钡、粘土或碳酸钙、CI颜料白6(二氧化钛)；CI颜料红101(红色氧化铁)；CI颜料黄42；CI颜料蓝15、15∶1、15∶2、15∶3、15∶4(铜酞菁)；CI颜料红49∶1和CI颜料红57∶1。着色剂如酞菁蓝、钼铬红或炭黑也适用于本发明的涂料组合物。
下面给出实例以进一步说明本发明。但应理解，本发明不限于这些实施例中所述的具体细节。而保护范围仅由所附权利要求规定。
                        实施例
低含油率水性丙烯酸改性醇酸树脂的制备
磺化醇酸树脂(1)+丙烯酸酯化脂肪酸(2)→+水/NH3→终产物(3)。
(1)磺化醇酸树脂初级产物的制备
磺化醇酸树脂分两步制备：
在第一步中，按标准方法生成多元醇磺化单体加成物。
为此，将44.2g 5-钠磺基间苯二甲酸和61.8g三羟甲基丙烷与8.2g含0.07g 50％次磷酸为催化剂的水一起混合。在反应终点，蒸去水(和一些多元醇)，留下100g多元醇磺化单体加成物。
在第二步中，在反应器内装入8.5g第-步中所得的多元醇磺化单体加成物、22.3g购自Henkel公司的一种以共轭脂肪酸含量为48-54％的葵花籽油为基础的脂肪酸混合物UKD Edonor 5020、34g邻苯二甲酸酐、6.4g苯甲酸、35g三羟甲基丙烷、0.1g催化剂FASCAT 1400和4.7g溶剂二甲苯。将反应器加热到190-210℃，维持3小时，收集馏出物。当AV(按DIN 53183测定的酸值)达到约5mg KOH/g时，将反应器冷却到170℃，在真空下除去二甲苯。
终产物(100g)的酸值为4.1mg KOH/g，20℃在50％二甲苯中的粘度(按Nouri Lande测定)为8dPa·s。
(2)丙烯酸酯化脂肪酸产物
在一个反应器内装入26.3g高脂肪酸并加热到160℃。在6小时内滴加入组成如下的混合物：6.1g丙烯酸、7.5g甲基丙烯酸、42.2g甲基丙烯酸甲酯、7.9g甲基丙烯酸异丁酯、8.8g苯乙烯单体、1.01g过氧化二-叔-戊基为引发剂和0.23g正十二烷基硫醇为电荷转移剂。测得(按DIN 57216测定：1g，1小时，120℃)终产物的固体含量为97.5％，AV值为132mg KOH/g及20℃在40％二甲苯中的粘度(按NouriLande测定)为19dPa·s。
(3)水性丙烯酸改性醇酸树脂
将23.6g磺化醇酸树脂(1)、14.8g丙烯酸酯化脂肪酸(2)和0.03g50％次磷酸为催化剂装入一个反应器，并在160-170℃温度下转化为终产物。当AV值达到30-33mgKOH/g时，将反应混合物冷却到140℃并加入2.9g丁二醇作为共溶剂。接着，将产物溶于58.1g含1g25％氨为中和剂的水中。
测得终产物的固体含量为38％，PH值(按DIN 19263测定)为7.3以及20℃的粘度为70dPa·s。评价试验
用按上述方法获得的低含油率水性丙烯酸改性醇酸树脂和购自Vianova的Resydrol AY241，即一种无磺化官能度的低含油率水性丙烯酸改性醇酸树脂商品，进行试验。
吸水性
吸水率按DIN 53495测定。吸水率用钢片上的透明涂膜(40-50μm)经24小时和8天干燥后以双重试验测定试样经24小时浸水后的增重。试验结果示于下表1。
                  表1  吸水性
    本发明     Resydrol AY241
    24小时干燥     27％/40％     34％/33％
    8天干燥     30％/36％     -
由表可见，吸水性落在类似范围内。低吸水率表示良好的vesirability、力学强度及良好的保护功能，特别对金属。
力学性能
力学性能按Koenig法试验摆测硬度(DIN 53157)，按ECCA测定铅笔硬度并用玻璃板上40-50μm厚的涂层试验干燥度(DIN 53150)。
各测定值如下表2所示。
                                                           表2
 摆测硬度  铅笔硬度   干燥度
 24h  48h   144h    192h   216h  24h  48h   192h   216h   1h   24h   48h   144h   192h 216h
本发明  30  35   49    -   65  5B  5B   -   3B   TG4   TG4   TG4   TG4+   - TG4++
ResydrolAY241  23  35   -    51   -  6B  6B   4-5B   -   -   TG4   TG4   -   TG5
本发明树脂的力学性能即使不比商品树脂的更好，至少也旗鼓相当。
耐水性
为试验耐水性，在一块钢片上涂布一层厚度为1.75×10-4m的薄膜，然后在板上于室温下干燥24小时。在涂层上滴上一滴直径约3cm的水滴，盖上一块表玻璃，12小时后进行评价。根据褪色、锈蚀和起泡作出评价。对于本发明的样品和用Resydrol AY241涂布的样品，两者结果相同。
但是，由本发明的醇酸树脂和由已知醇酸树脂制成的涂层，在吸水速率方面有所不同。本发明涂层的吸水速率比已知醇酸树脂涂层的快得多，但两者的吸水总量差不多。尽管两种涂膜的吸水率都较快，但本发明的产品没有因任何腐蚀过程而出现的斑点。这一特性在特定应用中可能有用。
对金属的粘合性
对金属的粘合性按DIN 53151的正交设计法进行试验。由本发明产物制成的薄膜对金属的粘合性明显大于由耐水性对比试验中所用的已知醇酸树脂所制成的薄膜。
贮存稳定性
贮存稳定性在40℃恒温老化箱中进行试验。本发明的产物在12周后仍是稳定的。
在以上描述和/或权利要求中公开的特点，单独或任何组合，都可以是以各种形式实现本发明的材料。

Claims (10)

1.一种制备丙烯酸改性醇酸树脂的方法，该方法包含下列步骤：
a)制备一种磺化醇酸树脂产物；
b)制备一种丙烯酸酯化脂肪酸产物；和
c)让步骤a)的产物与步骤b)的产物在合适的聚合条件下发生反应。
2.按照权利要求1的方法，其中制备步骤a)的产物包含下列步骤：
i)让一种多元醇与一种磺化单体发生反应，以获得一种多元醇磺化单体加成物，和
ii)让包含步骤i)的多元醇磺化单体加成物、至少一种脂肪酸和至少一种多元羧酸或酸酐的混合物发生反应，以获得磺化醇酸树脂产物。
3.按照权利要求2的方法，其中，步骤i)中所用的多元醇是三羟甲基丙烷及步骤i)中的磺化单体是5-钠磺基间苯二甲酸。
4.按照前述权利要求中任何一项的方法，其中，制备步骤b)的产物包含让至少一种脂肪酸与至少一种丙烯酸官能化的单体发生反应。
5.按照前述权利要求中任何一项的方法，其中，制备步骤c)的产物包含让步骤a)的产物和步骤b)的产物与一种合适的催化剂一起在缩聚条件下发生反应。
6.按照前述权利要求中任何一项的方法可获得的一种丙烯酸改性醇酸树脂。
7.按照权利要求6的醇酸树脂，其特征在于酸值为10-50mgKOH/g，含油率为5-70％，含硫单体的含量为2-7％，丙烯酸官能化单体的含量为2-45％，以及固体含量为20-60％。
8.一种制备水性丙烯酸改性醇酸树脂组合物的方法，其中，将权利要求6和7中任何一项的产物溶于水和氨中。
9.按照权利要求8的方法可获得的一种水性丙烯酸改性醇酸树脂组合物。
10.一种涂料组合物，它包含权利要求9的组合物和至少一种选自下列一组的添加剂：调整流变与流动的控制剂、扩链剂、反应性助凝聚剂、增塑剂、平光剂、颜料湿润与分散剂及表面活性剂、紫外线吸收剂、紫外光稳定剂、着色颜料、着色剂、脱泡剂和抑泡剂、防沉降剂、防流挂与稠化剂、防结皮剂、防泛色与防浮剂、生物杀伤剂、杀菌剂、防霉剂、缓蚀剂、增稠剂和凝聚剂。
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