CN1817931A - 脲－异丁醛－甲醛共聚树脂的制备方法 - Google Patents
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Abstract
本发明涉及一种涂料助剂脲－异丁醛－甲醛共聚树脂的制备方法，包括将脲加入到异丁醛中，逐渐滴加催化剂，至pH值达到2－4，在40－90℃下搅拌2－8h；依次加入甲醛，异丁醛，再加入催化剂，至pH值达到1－3，在40－90℃下搅拌2－8h；加入有机溶剂，搅拌后静置分层，去除下层水相；在温度为40－80℃下，用去离子水洗；真空蒸发去除小分子物质，得到脲－异丁醛－甲醛共聚树脂。制备的树脂与溶剂相溶性好，溶液粘度低，能够有效提高涂料/油墨的抗黄变性、附着力，光泽，硬度。
Description
技术领域
本发明涉及涂料/油墨助剂技术领域，更具体地说，涉及一种用作涂料/油墨助剂的脲-异丁醛-甲醛共聚树脂的制备方法。
背景技术
涂料/油墨助剂是涂料/油墨产品中的一类重要组成材料，尽管它们在涂料/油墨中的用量不大，却对提高和改善涂料/油墨涂膜的性能起到十分关键的作用，因此越来越受到业界人士的重视，在某些产品中甚至已到了离不开它们的程度。目前许多涂料/油墨生产厂商都纷纷把配方中助剂的应用作为本公司产品的技术诀窍和技术秘密。涂料/油墨助剂的应用水平，已成为衡量涂料/油墨生产技术水平的标志之一。
涂料/油墨涂膜的附着力，抗黄变性，硬度，丰满度，光泽都是衡量涂料/油墨涂膜性能的重要指标，一般用来提高这一类指标的助剂为分子结构中含有羰基、端基为羟基的一类聚合物，其软化点在80-120度左右；由于这一类聚合物中羰基的存在使其具有良好的相容性；端羟基能够增强其与颜、填料以及极性基材的亲和力，使涂膜性能得以提高，并且羟基具有活性使其能够部分参与成膜固化，提高涂膜的耐久性能；因此这一类聚合物作为涂料/油墨的多功能助剂，受到人们的普遍重视。
目前使用较多的是环己酮-甲醛树脂，它是环己酮和甲醛在碱的催化作用下缩聚而成的含有羰基、端基为羟基的聚合物。这种树脂具有与其它树脂良好的相容性，在涂料、油墨中应用时，可以有效提高其光泽、附着力、硬度等性能，如林杨等申请的中国专利CN1281867A“一种酮醛树脂的制造方法”和胡学武等申请的中国专利CN1397574A“一种环己酮-甲醛树脂的生产方法”发明的方法制备的产物就是这一类树脂。另外用其它酮类，如取代环己酮(3，3，5-三甲基环己酮)，苯乙酮、4-叔丁基环己酮等与甲醛进行反应得到的酮醛树脂，其与溶剂的相溶性较环己酮-甲醛树脂更好，如希尔斯公司在中国申请的专利CN1112571A“相溶性宽的酮醛树脂，其制备方法和应用所描述的树脂”。但是，这一类树脂由于其分子结构的原因，在贮存与使用过程中，会逐渐黄变，限制了其应用范围。
氨基树脂色泽浅，抗黄变性能优异，传统的氨基树脂在涂料中使用已经有了很长的历史，其合成方法是用含氨基的化合物，如脲、三聚氰胺和甲醛反应后再经过醚化而得到氨基树脂。而丁醛与甲醛相比，在物理化学性质上有很多不同，用丁醛或者异丁醛替代或者部分替代甲醛来合成聚合物，得到的产物具有不同的性能。如Petersen等申请的US Patent4276209“Co-condensates based on phenol-butyraldehyde resins，their preparation and theiruse”和Nieberle等申请的US Patent 4395535“Process for the manufacture ofphenol-isobutyraldehyde condensation products”中报道了异丁醛和苯酚在酸催化下，制备出热塑性的树脂产物，该产物可以用作热熔胶粘剂和用作无纺布的粘接剂，Pusch申请的US Patent 4102840“Process for the manufacture of Urea HCHO Isobutyraldehydecondensation products and compositions thereof”报道了一种用异丁醛，脲与甲醛在酸性条件下共缩聚而成的一种聚合物，该聚合物经过醚化处理后可以用来作为织物防皱剂。
本发明描述的制备方法制备的脲-异丁醛-甲醛树脂是一种非醚化、油溶性氨基树脂，其耐气候性能、抗黄变性能优良。它是用脲、异丁醛和甲醛在催化剂的作用下得到共聚的树脂产物，端基为羟基，树脂分子结构中，含有胺基与羰基，能够有效提高涂料的附着力、抗黄变性、硬度、光泽等；另外，其树脂颜色浅，与各种树脂和溶剂的相容性好，因此在涂料/油墨行业将得到非常广泛的应用。不但能够用来作为涂料/油墨的色料分散剂，还可以增加涂料、油墨的附着力、光泽及硬度，有效地提高涂料/油墨的耐候性能与抗黄变性能，在涂料/油墨行业中有着较大的市场前景。
另外，异丁醛是大型乙烯联合化工装置中丙烯经羰基合成丁、辛醇的副产物，国内一套生产能力为30万吨/年的乙烯联合化工装置，每年可副产异丁醛1万吨左右。2005年，我国乙烯的年产量已经突破600万吨，异丁醛产量达到20万吨以上。而异丁醛作为一种石油化工的副产品，却没有能够得到很好的利用，以前当废物烧掉；近年来，尽管有很多研究人员在开发异丁醛的下游产品方面进行了大量的研究工作，但是有的工艺复杂，不易产业化，有的附加价值低，开发意义不大。而利用异丁醛合成脲-异丁醛-甲醛树脂，不但得到了较高附加价值的树脂产品，满足涂料/油墨行业对助剂的需求，也为异丁醛的增值找到了更好的途径。
发明内容
本发明的目的在于针对目前用于涂料/油墨通用色浆、改善涂料/油墨的性能的树脂存在的问题，提供一种涂料多功能助剂脲-异丁醛-甲醛共聚树脂的制备方法。制备得到的树脂是一种非醚化、油溶性固体氨基树脂。该树脂具有优良的耐气候性，抗黄变性，树脂颜色浅，与其它涂料用树脂相容性能好。可用作制造涂料/油墨通用色浆，还可以用来提高涂料/油墨的快干性，改善流动性，有效提高涂料/油墨的固体份含量，提高涂膜的附着力，硬度，丰满度，光泽等性能。
本发明所述脲-异丁醛-甲醛共聚树脂的制备方法包括：将脲与异丁醛混合后，在催化剂存在下，脲与异丁醛加成反应，然后加入甲醛，异丁醛，进行聚合反应，用溶剂提取树脂，蒸发分离得到产物；所述的催化剂包括硫酸、磷酸、乙酸，对甲苯磺酸，十二烷基苯磺酸或者它们的混合物；所述的溶剂包括：石油醚、甲苯、二甲苯、醋酸丁酯、环己酮或者它们的混合物。
本发明所述脲-异丁醛-甲醛共聚树脂的制备方法包括下列步骤：
(1)将脲加入到异丁醛中，逐渐滴加催化剂，至PH值达到2-4，在40-90℃下搅拌2-8h；
(2)依次加入甲醛，异丁醛，再加入催化剂，至PH值达到1-3，在40-90℃下搅拌2-8h；
(3)加入有机溶剂，搅拌后静置分层，去除下层水相；
(4)在温度为40-80℃下，用去离子水洗；
(5)真空蒸发去除小分子物质，得到脲-异丁醛-甲醛共聚树脂产物；
上述原料的质量份数组成如下：
脲 15-30
异丁醛 80-160
甲醛 60-100
有机溶剂 120-200
催化剂 4-50；
采用的催化剂由硫酸、磷酸、乙酸、对甲苯磺酸、十二烷基苯磺酸、水组成，其质量份组成如下：
硫酸 10-60
磷酸 0-20
对甲苯磺酸 0-10
乙酸 0-10
十二烷基苯磺酸 0-10
水 30-80。
采用的有机溶剂可以是本领域通用的有机溶剂，本发明优选石油醚、二甲苯、甲苯、醋酸丁酯、环己酮中的一种或一种以上混合物，其质量份数组成如下：
石油醚 0-200
二甲苯 0-300
甲苯 0-250
醋酸丁酯 0-100
环己酮 0-100
上述有机溶剂质量份数至少一种不为0。
本发明方法制备出的脲-异丁醛-甲醛共聚树脂，颜色浅，抗黄变性能好，用于涂料/油墨时，可有效提高涂料/油墨的附着力，光泽性，硬度和干性；由于其与溶剂相溶性好，溶液粘度低，与绝大多数涂料用树脂相容性能良好，特别适合作为涂料/油墨通用色浆的研磨树脂，是一种多功能的涂料/油墨助剂。
本发明与现有技术相比具有如下的优点：
(1)本发明所用原料来源广泛，成本低，制备的树脂在涂料/油墨行业有广泛的应用，具有较高的附加价值；
(2)本发明制备工艺简单，制备条件温和，条件易控制，工艺操作弹性大，能够较快实现产业化；
(3)本发明树脂收率高，易通过调整原料配比与工艺条件，制备出性能不同的脲-异丁醛-甲醛共聚树脂，以满足不同用途的需要；
(4)本发明制备所得的树脂溶剂相溶性好，溶液粘度低，能够有效提高涂料/油墨中的固体份含量，降低涂料/油墨中的VOC含量；
(5)本发明制备的树脂，分子中含有极性基团，与各种涂料/油墨树脂的相容性良好，抗黄变，树脂颜色浅，是制备通用色浆的理想材料；
(6)本发明制备的树脂能够有效提高涂料/油墨的附着力，提高涂膜的硬度、光泽与干性，能够提高涂膜的丰满度，是一种多功能的涂料/油墨助剂。
具体实施方式
实施例1
(1)催化剂
在50克去离子水中，加入50克硫酸，10克磷酸，2克十二烷基苯磺酸，搅拌均匀备用。
(2)有机溶剂
将100克石油醚，100克二甲苯混合均匀备用。
(3)树脂的制备
将25克脲与70克异丁醛投入到500ml四口烧瓶中，不断搅拌情况下，加入一定量的催化剂，至体系PH值达到3，在60℃下反应4h；加入40克异丁醛和80克甲醛，再逐渐滴加催化剂，至PH值为1后，在温度90℃反应4h；加入有机溶剂150克，搅拌20分钟，静置30分钟后，用分液漏斗分出下层水相，在60℃下用去离子水洗10遍；真空蒸发去除小分子，当压力达到2000Pa，树脂温度达到150℃时，趁热将树脂倒出，冷却即得无色透明的脲-异丁醛-甲醛共聚树脂。以异丁醛质量计算收率。树脂收率与性能见表1。
表1
| 性能 | 测试方法 | 指标 |
| 密度g/cm3 | ISO 2811 | 1.10 |
| 软化点℃ | ISO 4625-1 | 95 |
| 羟基值mgKOH/g | ISO 4629 | 30 |
| 酸值mgKOH/g | ISO 2114 | 1.30 |
| 色 度 | ISO 4630(50％丁酮溶液) | ＜1 |
| 水 分 | ISO 760 | 0.38％ |
| 收 率 | 以异丁醛计算 | 121％ |
| 粘度mPa·s | 固含量70％醋酸丁酯溶液(NDJ-1) | 22.5 |
实施例2：
(1)催化剂
在30克去离子水中，加入10克硫酸，10克磷酸，搅拌均匀备用。
(2)有机溶剂
二甲苯
(3)树脂的制备
将30克脲与90克异丁醛投入到500ml四口烧瓶中，不断搅拌情况下，加入一定量的催化剂，至体系PH值达到2，保持温度90℃下反应2h；加入70克异丁醛和100克甲醛，再逐渐滴加催化剂，至PH值为1，在90℃温度下反应2h；加入有机溶剂200克，搅拌20分钟，静置30分钟后，用分液漏斗分出下层水相，在80℃下用去离子水洗10遍；真空蒸发去除小分子，当压力达到2000Pa，树脂温度达到150℃时，趁热将树脂倒出，冷却即得无色透明的脲-异丁醛-甲醛共聚树脂。以异丁醛质量计算收率。树脂收率与性能见表2。
表2
| 性能 | 测试方法 | 指标 |
| 密度g/cm3 | ISO 2811 | 1.10 |
| 软化点℃ | ISO 4625-1 | 94 |
| 羟基值mgKOH/g | ISO 4629 | 31 |
| 酸值mgKOH/g | ISO 2114 | 1.45 |
| 色 度 | ISO 4630(50％丁酮溶液) | ＜1 |
| 水 分 | ISO 760 | 0.43％ |
| 收 率 | 以异丁醛计算 | 116％ |
| 粘度mPa·s | 固含量70％醋酸丁酯溶液(NDJ-1) | 21.4 |
比较表1与表2数据可见，少量十二烷基苯磺酸的加入，对提高产率有一定的帮助。另外石油醚的加入可增加水洗时的分相效果，改善工艺性能。
实施例3
(1)催化剂
80克水中去离子水中，加入10克硫酸，20克磷酸，10克乙酸搅拌均匀后，备用
(2)有机溶剂
将200克石油醚，100克醋酸丁酯混合均匀，备用。
(3)树脂的制备
将25克脲与70克异丁醛投入到500ml四口烧瓶中，不断搅拌情况下，加入一定量的催化剂，至体系PH值达到3，保持温度60℃下反应2h；加入40克异丁醛和80克甲醛，再逐渐滴加催化剂，至PH值为1，在40℃下反应8h；加入有机溶剂120克，搅拌20分钟，静置30分钟后，用分液漏斗分出下层水相；在80℃下用去离子水洗4遍；真空蒸发去除小分子，当压力达到2000Pa，树脂温度达到170℃时，趁热将树脂倒出，冷却即得无色透明的脲-异丁醛-甲醛共聚树脂。以异丁醛质量计算收率。树脂收率与性能见表3。
表3
| 性能 | 测试方法 | 指标 |
| 密度g/cm3 | ISO 2811 | 1.11 |
| 软化点℃ | ISO 4625-1 | 112 |
| 羟基值mgKOH/g | ISO 4629 | 25 |
| 酸值mgKOH/g | ISO 2114 | 3.47 |
| 色 度 | ISO 4630(50％丁酮溶液) | ＜1 |
| 水 分 | ISO 760 | 0.23％ |
| 收 率 | 以异丁醛计算 | 95％ |
| 粘度mPa·s | 固含量70％醋酸丁酯溶液(NDJ-1) | 26.8 |
蒸发温度对树脂的性能有一定的影响，树脂的软化点、密度随蒸发温度增加而增加，羟值、水分含量则随蒸发温度增加而减小；蒸发温度超过170℃时，树脂会发生不同程度的黄变，温度越高，黄变程度越高。另外，水洗次数越少，树脂的酸值越高。
实施例4
(1)催化剂
30克去离子水中，加入60克硫酸，10克对甲苯磺酸搅拌均匀，备用。
(2)有机溶剂
将300克二甲苯与100克环己酮混合均匀。
(3)树脂的制备
将15克脲与50克异丁醛投入到500ml四口烧瓶中，不断搅拌情况下，加入一定量的催化剂，至体系PH值达到4，保持温度60℃下反应4h；加入40克异丁醛和80克甲醛，再逐渐滴加催化剂，至PH值为3，在90℃下反应6h；加入有机溶剂150克，搅拌20分钟，静置30分钟后，用分液漏斗分出下层水相，在60℃下用去离子水洗12遍；真空蒸发去除小分子，当压力达到2000Pa以下，树脂温度达到150℃时，趁热将树脂倒出，冷却即得无色透明的脲-异丁醛-甲醛共聚树脂。以异丁醛质量计算收率。树脂性能见表4。
表4
| 性能 | 测试方法 | 指标 |
| 密度g/cm3 | ISO 2811 | 1.08 |
| 软化点℃ | ISO 4625-1 | 78 |
| 羟基值mgKOH/g | ISO 4629 | 39 |
| 酸值mgKOH/g | ISO 2114 | 1.18 |
| 色 度 | ISO 4630(50％丁酮溶液) | ＜1 |
| 水 分 | ISO 760 | 0.56％ |
| 收 率 | 以异丁醛计算 | 102％ |
| 粘度mPa·s | 固含量70％醋酸丁酯溶液(NDJ-1) | 14.5 |
脲的用量对树脂性能影响较大，其用量越小，树脂的软化点、密度、产率越低，而羟基值却越高；用量过高时，树脂在有机溶剂中的溶解时会产生白色絮状沉淀。
实施例5
(1)催化剂
30克去离子水中，加入10克硫酸，20克磷酸，10克对甲苯磺酸，搅拌均匀，备用。
(2)有机溶剂
将250克甲苯，100克醋酸丁酯混合均匀。
(3)树脂的制备
将25克脲与90克异丁醛投入到500ml四口烧瓶中，不断搅拌情况下，加入一定量的催化剂，至体系PH值达到2，保持温度40℃下反应8h；加入70克异丁醛和100克甲醛，再逐渐滴加催化剂，至PH值为1，在70℃下反应3h；加入有机溶剂120克，搅拌20分钟，静置30分钟后，用分液漏斗分出下层水相，在80℃下用去离子水洗10遍；真空蒸发去除小分子，当压力达到2000Pa，树脂温度达到150℃时，趁热将树脂倒出，冷却即得无色透明的脲-异丁醛-甲醛共聚树脂。以异丁醛质量计算收率。树脂性能见表5。
表5
| 性能 | 测试方法 | 指标 |
| 密度g/cm3 | ISO 2811 | 1.08 |
| 软化点℃ | ISO 4625-1 | 80 |
| 羟基值mgKOH/g | ISO 4629 | 32 |
| 酸值mgKOH/g | ISO 2114 | 1.32 |
| 色 度 | ISO 4630(50％丁酮溶液) | ＜1 |
| 水 分 | ISO 760 | 0.32％ |
| 收 率 | 以异丁醛计算 | 107％ |
| 粘度mPa·s | 固含量70％醋酸丁酯溶液(NDJ-1) | 15.0 |
异丁醛的用量增加，树脂的软化点会下降，但对产率与羟值的影响不大；但当异丁醛总用量过高时，树脂的收率和羟基值会迅速下降，而总用量过少，则树脂溶于有机溶剂时，会产生絮状白色沉淀。
实施例6
(1)催化剂
80克水去离子水中，加入60克硫酸
(2)有机溶剂
将100克环己酮与200克石油醚混合均匀。
(3)树脂的制备
将20克脲与60克异丁醛投入到500ml四口烧瓶中，不断搅拌情况下，加入一定量的催化剂，至体系PH值达到4，在90℃下，反应8h；加入30克异丁醛和70克甲醛，再逐渐滴加催化剂，至PH值为1，在温度90℃下反应8h；加入有机溶剂150克，搅拌20分钟，静置30分钟后，用分液漏斗分出下层水相，在80℃下用去离子水洗10遍；真空蒸发去除小分子，当压力达到2000Pa，树脂温度达到150℃时，趁热将树脂倒出，冷却即得无色透明的脲-异丁醛-甲醛共聚树脂。以异丁醛质量计算收率。树脂性能见表6。
表6
| 性能 | 测试方法 | 指标 |
| 密度g/cm3 | ISO 2811 | 1.09 |
| 软化点℃ | ISO 4625-1 | 83 |
| 羟基值mgKOH/g | ISO 4629 | 29 |
| 酸值mgKOH/g | ISO 2114 | 1.61 |
| 色 度 | ISO 4630(50％丁酮溶液) | ＜1 |
| 水 分 | ISO 760 | 0.29％ |
| 收 率 | 以异丁醛计算 | 97％ |
| 粘度mPa·s | 固含量70％醋酸丁酯溶液(NDJ-1) | 15.7 |
反应时间的长短对树脂质量也有一定的影响，时间太短、太长都会引起树脂的软化点、收率下降。
本发明制备的树脂与乙醇，丁醇，乙酸丁酯，乙酸乙酯，环己醇，丙酮，丁酮，环己酮，甲苯，二甲苯按质量比2∶1混合充分搅拌后，放置24小时不分相。可见与上述溶剂相溶性良好。
本发明制备的树脂在室温下放置一年未见变化，而环己酮-甲醛树脂放置3个月后，明显变黄。
Claims (2)
1、一种脲-异丁醛-甲醛共聚树脂的制备方法，其特征在于包括如下步骤：
(1)将脲加入到异丁醛中，逐渐滴加催化剂，至PH值达到2-4，在40-90℃下搅拌2-8h；
(2)依次加入甲醛，异丁醛，再加入催化剂，至PH值达到1-3，在40-90℃下搅拌2-8h；
(3)加入有机溶剂，搅拌后静置分层，去除下层水相；
(4)在温度为40-80℃下，用去离子水洗；
(5)真空蒸发去除小分子物质，得到脲-异丁醛-甲醛共聚树脂产物；
上述原料的质量份数组成如下：
脲 15-30
异丁醛 80-160
甲醛 60-100
有机溶剂 120-200
催化剂 4-50；
采用的催化剂由硫酸、磷酸、乙酸、对甲苯磺酸、十二烷基苯磺酸、水组成，其质量份组成如下：
硫酸 10-60
磷酸 0-20
对甲苯磺酸 0-10
乙酸 0-10
十二烷基苯磺酸 0-10
水 30-80。
2、根据权利1所述的制备方法，其特征在于采用的有机溶剂是石油醚、二甲苯、甲苯、醋酸丁酯、环己酮中的一种或一种以上混合物，其质量份数组成如下：
石油醚 0-200
二甲苯 0-300
甲苯 0-250
醋酸丁酯 0-100
环己酮 0-100
上述有机溶剂质量份数至少一种不为0。
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