JP4046451B2 - Aqueous dispersion, method for producing the same, and coating composition - Google Patents

Aqueous dispersion, method for producing the same, and coating composition Download PDF

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Description

【0001】
【発明の属する技術分野】
本発明は、無機又は有機粒子をコアとし、有機重合体をシェルとする複合粒子で構成された水性分散体およびその製造方法、並びに前記水性分散体で構成され、被膜形成性、耐汚染性が高く、かつ光沢、機械的特性などをコントロール可能な塗料組成物に関する。
【0002】
【従来の技術】
コロイド状シリカは、硬度,機械的強度,帯電防止性,耐薬品性,耐候性に優れ、有機ポリマーは、柔軟性、密着性、耐水性などに優れており、両者を複合化した有機・無機複合水性組成物が知られている。例えば、酢酸ビニルエマルジョン,アクリル系エマルジョン、アクリル−スチレン系エマルジョンと、コロイド状シリカ,水硬化性結合剤などとの混合物を主成分とする水性被覆材が知られている。しかし、これらの水性被覆剤では、有機ポリマーと無機物との結合力が小さく、長期間に亘る耐久性、被膜形成性、耐水性などが十分でない。また、前記コロイド状シリカと有機ポリマーとのブレンド系をバインダーとする塗料組成物では、コロイド状シリカの量を多くすると被膜形成性が低下し、コロイド状シリカによる汚染性と被膜形成性とを高いレベルでバランスよく両立させることが困難である。さらに、塗膜の光沢を調整する際、シリカ、炭酸カルシウムなどのツヤ消し剤を使用すると、耐水性、耐候性、機械物性がツヤ消し剤の増量に伴って低下する。
【0003】
無機物としてのコロイド状シリカと有機ポリマーとを化学結合させるため、特開昭59−71316号公報、特開昭63−37168号公報には、シラン系モノマー及びコロイド状シリカを共重合して得られる水性樹脂分散体が開示されている。この分散体では、コロイド状シリカとシラン系モノマーとの間で化学結合が形成されるので、無機物と有機ポリマーとの相溶性や親和性が良好で、耐水性、耐アルカリ性、耐汚染性に優れている。しかし、得られた水性分散体や塗料の安定性が低く、塗膜が不均一性であるため、塗膜の収縮、凝集力が強く、塗膜にクラックが発生する場合があり、耐久性に難点がある。
【0004】
特開平9−194208号公報には、コロイド状シリカとオルガノアルコキシシランとをカップリングさせた後、ビニルモノマーを重合し、コア−シェル状複合粒子の水性分散体を製造することが提案されている。しかし、塗膜として良好な強度、外観、及び透明性を発現する平均粒子径が50nm以下のコロイド状シリカを使用した場合、固形分40重量%以上の水性分散体を得ることが困難であり、高固形分では粘度が著しく増加するとともに、成膜性が劣る。また、安定したコア−シェル状複合粒子を得るには、メタクリロイル基を有する特殊なシラン化合物を多く使用する必要があり、コスト的に不利である。さらには、全反応時間が10時間以上となり、塗料用の水性分散体やバインダーを工業的に有利に製造することができない。
【0005】
さらに、従来の方法では、コロイド状シリカだけでなく、無機又は有機粒子をコアとし、有機ポリマーをシェルとする安定なコア−シェル複合粒子を得ることができない。
【0006】
【発明が解決しようとする課題】
従って、本発明の目的は、分散安定性、貯蔵安定性が良好で、固形分濃度が高く成膜性の高い水性分散体およびその製造方法を提供することにある。
【0007】
本発明の他の目的は、特殊なシラン化合物を用いることなく、経済的に有利に優れた特性を有する水性分散体およびその製造方法を提供することにある。
【0008】
本発明の別の目的は、無機又は有機粒子をコア、有機ポリマーをシェルとするコア−シェル状複合粒子を主成分とする水性分散体およびその製造方法を提供することにある。
【0009】
本発明のさらに別の目的は、ポリマー単独粒子の生成量、無機又は有機粒子の表面被覆度をコントロール可能な水性分散体の製造方法を提供することにある。
【0010】
本発明の他の目的は、被膜形成性、耐汚染性、外観および耐候性を高いレベルに維持でき、耐久性の高い塗膜を形成できる塗料組成物を提供することにある。
【0011】
本発明のさらに別の目的は、ツヤ消し剤を使用することなく、塗膜の光沢を調整できる塗料組成物を提供することにある。
【0012】
【課題を解決するための手段】
本発明者らは、前記課題を解決するため、鋭意検討の結果、ノニオン界面活性剤の存在下、無機又は有機粒子が水性媒体中に分散した系において、前記ノニオン界面活性剤の曇点以上の温度でビニル単量体を重合すると、無機又は有機粒子表面にビニル重合体が有効に結合し、分散安定性、成膜性の高い水性分散体が得られることを見いだし、本発明を完成した。
【0013】
すなわち、本発明の水性分散体は、無機又は有機粒子が水性媒体中に分散した系で、界面活性剤の存在下、ビニル単量体を重合することにより得られる水性分散体であって、前記界面活性剤が、重合温度以下の温度の曇点を有する第1のノニオン界面活性剤と、重合温度を超える温度の曇点を有する第2のノニオン界面活性剤及びアニオン界面活性剤から選択された少なくとも一種の界面活性剤とで構成され、前記第1のノニオン界面活性剤の曇点以上の温度であって、第2のノニオン界面活性剤を用いる場合には第2のノニオン界面活性剤の曇点未満の温度でビニル単量体を重合することにより得られる分散体であり、直接又はノニオン界面活性剤を介して、無機又は有機粒子表面にビニル重合体が結合して前記無機又は有機粒子をコアとし、前記ビニル重合体をシェルとするコア−シェル構造を有する複合粒子が、水性媒体中に分散している。無機又は有機粒子は、コロイド状シリカ又は顔料であってもよい。前記第1のノニオン界面活性剤としては、ポリオキシアルキレンエーテル又はその誘導体などが利用でき、第1のノニオン界面活性剤の曇点は、0〜80℃であってもよい。第1のノニオン界面活性剤は、少なくとも1つのエチレン性不飽和基を有していてもよい。ビニル重合体は、(メタ)アクリル系単量体、芳香族ビニル系単量体、ビニルエステル系単量体などで形成できる。ビニル重合体100重量部に対する無機又は有機粒子と第1のノニオン界面活性剤の割合は、無機又は有機粒子3〜500重量部、第1のノニオン界面活性剤0.1〜20重量部であってもよい。前記粒子の80重量%以上が無機又は有機粒子をコアとし、ビニル重合体をシェルとするコア−シェル構造の球状複合粒子であってもよい。このような水性分散体において、前記複合粒子の平均粒子径は10μm以下である。無機又は有機粒子の平均粒子径は5nm〜1μmであってもよく、複合粒子の平均粒子径は10nm〜5μmであってもよい。
【0014】
前記水性分散体は、ノニオン界面活性剤の存在下,無機又は有機粒子が水性媒体中に分散した系において、前記ノニオン界面活性剤の曇点以上の温度でビニル単量体を重合することにより製造できる。
より詳細には、無機又は有機粒子が水性媒体中に分散した系で、界面活性剤の存在下、ビニル単量体を重合することにより水性分散体を製造する方法であって、前記界面活性剤を、重合温度以下の温度の曇点を有する第1のノニオン界面活性剤と、重合温度を超える温度の曇点を有する第2のノニオン界面活性剤及びアニオン界面活性剤から選択された少なくとも一種の界面活性剤とで構成し、前記第1のノニオン界面活性剤の曇点以上の温度であって、第2のノニオン界面活性剤を用いる場合には第2のノニオン界面活性剤の曇点未満の温度でビニル単量体を重合することにより、前記無機又は有機粒子をコアとし、前記ビニル重合体をシェルとするコア−シェル構造を有する複合粒子が水性媒体中に分散した水性分散体を製造できる。この方法において、第1のノニオン界面活性剤の曇点以上の温度に昇温して無機又は有機粒子表面に、第1のノニオン界面活性剤を吸着させてビニル単量体を重合してもよい。重合温度は、ノニオン界面活性剤の曇点を超える温度(例えば、20〜110°、特に60〜100℃)であってもよい。第1のノニオン界面活性剤の使用量を、
(a-1) 臨界ミセル濃度未満であり、かつ無機又は有機粒子の飽和吸着量未満、
(a-2) 臨界ミセル濃度未満であり、かつ無機又は有機粒子の飽和吸着量以上、
(b-1) 臨界ミセル濃度以上であり、かつ無機又は有機粒子の飽和吸着量未満、又は
(b-2) 臨界ミセル濃度以上であり、かつ無機又は有機粒子の飽和吸着量以上とし、ビニル単量体を重合してもよい。
本発明は、前記水性分散体を含む塗料組成物も開示する。この塗料組成物は、コア−シェル構造の複合粒子と無機又は有機粒子との割合が、固形分換算で、前者/後者=100/0〜50/50(重量比)である水性分散体で構成されていてもよい。
【0015】
【発明の実施の形態】
本発明の水性分散体を構成する複合粒子は、無機又は有機粒子と、無機又は有機粒子表面に直接又はノニオン界面活性剤を介して結合したビニル重合体とで構成されており、水性媒体中に分散している。この分散系の複合粒子は、曇点以上の温度で、ノニオン界面活性剤が粒子表面に吸着して、ビニル単量体の重合の場を提供することを利用している。
【0016】
本発明において、粒子としては、通常、微粒子が使用される。
【0017】
複合粒子において、無機又は有機粒子はコアを構成し、ビニル重合体であるポリマーはシェルを構成している。このような水性分散体のシェル部分には、他のノニオン界面活性剤やアニオン界面活性剤を含有させてもよい。
【0018】
[無機粒子]
無機粒子としては、種々の機能性粒子、例えば、シリカ、無機顔料、導電体(例えば、金、銀、白金、アルミニウム又はこれらの合金など)、磁性体(例えば、フェライトなど)などが使用できる。これらの機能性粒子は、コロイド状(例えば、コロイド状シリカ)であってもよい。
【0019】
(コロイド状シリカ粒子)
コロイド状シリカ粒子(コロイダルシリカ)としては、平均粒径5nm〜1μm、好ましくは10〜100nm程度の無水珪酸の微粒子のコロイド(膠質)が使用でき、コロイダルシリカについては、特開昭53−112732号公報、特公昭57−9051号公報、同57−51653号公報などを参照できる。
【0020】
コロイド状シリカはゾル−ゲル法で調製して使用することもでき、市販品を利用することもできる。コロイド状シリカをゾル−ゲル法で調製する場合には、Werner Stober et al;J.Colloid and Interface Sci., 26, 62-69 (1968)、Rickey D.Badley et al;Langmuir 6, 792-801 (1990)、色材協会誌,61 [9] 488-493 (1988) などを参照できる。
【0021】
コロイド状シリカの市販品は、日産化学(株)から、スノーテックス−XL(平均粒径40〜60nm)、スノーテックス−YL(平均粒径50〜80nm)、スノーテックス−ZL(平均粒径70〜100nm)、PST−2(平均粒径21nm)、スノーテックス20(平均粒径10〜20nm、SiO2/Na2O>57)、スノーテックス30(平均粒径10〜20nm、SiO2/Na2O>50)、スノーテックスC(平均粒径10〜20nm、SiO2/Na2O>100)、スノーテックスO(平均粒径10〜20nm、SiO2/Na2O>500)、スノーテックス50(平均粒径20〜30nm)などとして入手でき、旭電化工業(株)から、アデライトAT−40(平均粒径10〜20nm,固形分40重量%)、アデライトAT−50(平均粒径20〜30nm,固形分50重量%)などとして入手できる(なお、SiO2/Na2Oは、二酸化ケイ素と水酸化ナトリウム(Na2Oに換算)の含有重量比を示し、カタログに記載されている)。市販品を利用する場合、アデライトAT−40,AT−50,スノーテックス40,50などが好ましい。
【0022】
コロイド状シリカは、主成分が二酸化ケイ素であり、少量成分として、アルミナ、アルミン酸ナトリウムなどを含んでいてもよい。また、コロイド状シリカは、安定剤として無機塩基(水酸化ナトリウム、水酸化カリウム、水酸化リチウム、アンモニアなど)や有機塩基(テトラメチルアンモニウムなど)を含んでいてもよい。
【0023】
(無機顔料)
無機顔料としては、白色顔料(例えば、酸化亜鉛、リトポン、酸化チタンなど)、黄色顔料(例えば、クロムエロー、ニッケルチタンエロー、酸化鉄黄、黄色酸化鉛など)、赤色顔料(例えば、酸化鉄赤、赤色酸化鉛、モリブデンレッドなど)、橙色顔料(例えば、モリブデートオレンジなど)、緑色顔料(例えば、クロムグリーン、酸化クロムなど)、青色顔料(例えば、紺青、群青、コバルトブルー)、紫色顔料(例えば、マンガンバイオレットなど)、黒色顔料(例えば、チャンネルブラック、ファーネスブラックなどのカーボンブラック、黒色酸化鉄など)などが挙げられる。
【0024】
さらに、体質顔料(例えば、炭酸カルシウム、硫酸バリウム、水酸化アルミニウムなど)を使用してもよい。
【0025】
[有機粒子]
有機粒子としては、有機顔料、有機ポリマー粒子(例えば、シリコーン系樹脂、ポリメタクリル酸メチル系樹脂、メラミン系樹脂、架橋スチレン系樹脂など)などが使用できる。
【0026】
(有機顔料)
有機顔料としては、アゾ顔料(例えば、ハンザイエロー、ベンジジンイエロー、バルカンファストイエロー、パーマネントイエローなどの黄色顔料、ピラゾロンオレンジ、バルカンオレンジ、パーマネントオレンジなどの橙色顔料、トルイジンレッド、パーマネントレッド、ブリリアントファストスカーレット、バルカンファストレッド、ピラゾロンレッド、ウォッチングレッド、リソ−ルレッド、レーキレッド、ブリリアントカーミン、レーキボルドーなどの赤色顔料など)、フタロシアニン顔料(例えば、フタロシアニンブルー、ファストスカイブルーなどの青色顔料、フタロシアニングリーンなどの緑色顔料)、レーキ顔料(例えば、ローダミンレーキなどの赤色顔料、メチルバイオレットレーキ、ビクトリアピュアーブルーレーキなどの青色顔料、ファイナルイエローグリーンなどの緑色顔料)などが挙げられる。また、有機顔料として、キナクリドン系、ペリレン系、イソインドリノン系、ジオキサジン系、スレン系顔料などの有機顔料を使用してもよい。
【0027】
これらの無機又は有機粒子は、単独で又は二種以上組み合わせて使用してもよい。通常、無機又は有機粒子としては、コロイド状シリカ、顔料(無機又は有機顔料)が使用される。
【0028】
前記無機又は有機粒子の平均粒子径は、5μm以下(例えば、5nm〜1μm)、好ましくは10nm〜0.5μm、さらに好ましくは20nm〜0.2μm程度の範囲から選択できる。なお、無機又は有機粒子がコロイド状シリカの場合、平均粒子径は、5〜100nm、好ましくは10〜80nm、さらに好ましくは10〜50nm程度である。また、カーボンブラックの場合には、平均粒子径は、10〜300nm、好ましくは20〜100nm、さらに好ましくは30〜80nm程度である。
【0029】
また、これらの無機又は有機粒子は、必要により、表面処理されていてもよい。
【0030】
[ノニオン界面活性剤]
前記複合粒子において、無機又は有機粒子表面には、直接又はノニオン界面活性剤を介してビニル重合体が結合している。前記無機又は有機粒子は、通常、水性媒体中で負に帯電して分散安定化されている。そのため、本発明では、曇点未満の温度でノニオン界面活性剤と無機又は有機粒子分散液とを混合した後、曇点以上の温度にすることにより、ノニオン界面活性剤を無機又は有機粒子表面に吸着させて、ビニル単量体の重合の場を提供する。なお、無機又は有機粒子表面は、通常、親水性であるが、ノニオン界面活性剤の吸着により、粒子表面を疎水化できる。
【0031】
なお、本発明において、ノニオン界面活性剤の曇点とは、ノニオン界面活性剤の存在下、無機又は有機粒子が水性媒体中に分散した系において、昇温過程で前記分散系に白濁が生じる温度を意味する。曇点は、ノニオン界面活性剤の濃度、電解質の影響などを受けることから各反応条件において測定できる。ノニオン界面活性剤の曇点は、例えば、0〜80℃、好ましくは10〜70℃、さらに好ましくは20〜60℃程度である。
【0032】
ノニオン界面活性剤(分散剤又は分散安定剤)としては、例えば、蛋白質(ゼラチン、コロイド状アルブミン、カゼイン、レシチンなど)、糖誘導体(寒天、デンプン誘導体等)、セルロース誘導体(ヒドロキシメチルセルロースなど)、多価アルコールのエステル類[エチレングリコールモノ脂肪酸エステル(例えば、オレイン酸のモノグリコールエステル、ステアリン酸のモノグリコールエステルなど)、ポリエチレングリコールモノ脂肪酸エステル、プロピレングリコールモノ脂肪酸エステル、グリセリンモノ脂肪酸エステル(例えば、ステアリン酸モノグリセリドなど)、グリセリンジ脂肪酸エステル、ショ糖脂肪酸エステル、ソルビタン脂肪酸エステル(商品名スパン)など]、合成親水性高分子、例えば、ポリビニルアルコール、末端長鎖アルキル基変性ポリビニルアルコール、ビニル重合体[(メタ)アクリル酸ヒドロキシアルキルエステル、アルキルビニルエーテル、酢酸ビニル、(メタ)アクリルアミド、ジアセトンアクリルアミドなどの少なくとも1つのエチレン性不飽和基を有する単量体を構成要素として含む単独又は共重合体]、ポリオキシアルキレン(ポリオキシエチレン、ポリオキシプロピレン)又はその誘導体[ポリオキシエチレンアルキルエーテル、ポリオキシエチレンアルキルアリールエーテル、前記脂肪酸エステルのアルキレンオキサイド付加体(例えば、ポリオキシエチレングリセリン脂肪酸エステル、ポリオキシエチレンショ糖脂肪酸エステル、ポリオキシエチレンソルビタン脂肪族エステル(商品名トウィーン)など)]などが挙げられる。分散剤としては、アンカー基と分散安定化基とが分離した、グラフトポリマー,ブロックポリマーやマクロマーを用いてもよい。これらのノニオン界面活性剤は、単独で又は二種以上組み合わせて使用できる。
【0033】
不飽和結合(例えば、ビニル、イソプロペニル、(メタ)アクリロイルなど)を有するノニオン界面活性剤を用いると、無機又は有機粒子表面に吸着したノニオン界面活性剤とビニル単量体とを重合できる。
【0034】
好ましいノニオン性界面活性剤には、ポリオキシエチレンアルキルエーテル[例えば、ポリオキシエチレンラウリルエーテル(花王(株)製、エマルゲン108、曇点40℃)、ポリオキシエチレンステアリルエーテル(花王(株)製、エマルゲン409P、曇点55℃)などのポリオキシエチレンC6-20アルキルエーテル]、ポリオキシエチレンアルキルフェニルエーテル[例えば、ポリオキシエチレンオクチルフェニルエーテル、ポリオキシエチレンラウリルフェニルエーテル、ポリオキシエチレンノニルフェニルエーテル(花王(株)製,エマルゲン909、曇点40℃)などのポリオキシエチレンC6-20アルキルフェニルエーテルなど]、ポリオキシエチレンショ糖C12-20脂肪酸エステル、ポリオキシエチレンソルビタンC12-20脂肪酸エステル、ポリオキシアルキレンブロック共重合体[例えば、ポリオキシエチレン−ポリオキシプロピレンブロック共重合体(旭電化工業(株)製,プルロニックL61、曇点24℃、プルロニックL−64、曇点58℃)など]、アリル基などのエチレン性不飽和基(重合性不飽和合)を少なくとも1つ有するポリオキシエチレンC6-20アルキルフェニルエーテル[例えば、1−アリルオキシメチル−2−ノニルフェニルオキシエタノールエチレンオキサイド付加体(旭電化工業(株)製,NE−10、曇点40℃)など]などが含まれる。
【0035】
また、ノニオン界面活性剤の親水性−親油性バランス(HLB)は、広い範囲で選択でき、例えば、1〜30、好ましくは3〜25、さらに好ましくは5〜20程度である。
【0036】
ノニオン性界面活性剤の使用量は、固形分換算で、後述のビニル重合体100重量部に対して0.1〜20重量部、好ましくは0.5〜15重量部、さらに好ましくは1〜10重量部程度である。
なお、前記ノニオン界面活性剤を第1のノニオン界面活性剤という場合がある。
【0037】
[ビニル重合体]
ビニル重合体は、慣用の重合性単量体で形成でき、単独又は共重合体であってもよい。ビニル重合体を形成する単量体(ビニル単量体)には、少なくとも1つのエチレン性不飽和基を有するラジカル重合性単量体、例えば、(メタ)アクリル系単量体、芳香族ビニル系単量体、ビニルエステル系単量体などが含まれる。これらの単量体は単独で又は二種以上組合わせて使用できる。
【0038】
ビニル単量体としては、例えば、(メタ)アクリル酸アルキルエステル類[メチル(メタ)アクリレート、エチル(メタ)アクリレート、n−又はi−プロピル(メタ)アクリレート、2−メチル−2−ニトロプロピル(メタ)アクリレート、n−,i−,s−又はt−ブチル(メタ)アクリレート、n−又はt−ペンチル(メタ)アクリレート、3−ペンチル(メタ)アクリレート、2,2−ジメチルブチル(メタ)アクリレート、n−ヘキシル(メタ)アクリレート、セチル(メタ)アクリレート、n−オクチル(メタ)アクリレート、2−エチルヘキシル(メタ)アクリレート、4−メチル−2−プロピルペンチル(メタ)アクリレート、n−オクタデシル(メタ)アクリレートなどの(メタ)アクリル酸C1-20アルキルエステル類]、シクロアルキル(メタ)アクリレート[シクロヘキシル(メタ)アクリレート、シクロペンチル(メタ)アクリレートなど]、アラルキル(メタ)アクリレート[ベンジル(メタ)アクリレートなど]、多環式(メタ)アクリレート[2−イソボルニル(メタ)アクリレート、2−ノルボルニルメチル(メタ)アクリレート、5−ノルボルネン−2−イル−メチル(メタ)アクリレート、3−メチル−2−ノルボルニルメチル(メタ)アクリレートなど]、ヒドロキシル基含有(メタ)アクリル酸エステル類[ヒドロキシエチル(メタ)アクリレート、2−ヒドロキシプロピル(メタ)アクリレート、2,3−ジヒドロキシプロピルメチル−ブチル(メタ)メタクリレートなど]、アルコキシ基又はフェノキシ基含有(メタ)アクリル酸エステル類[2−メトキシエチル(メタ)アクリレート、2−エトキシエチル(メタ)アクリレート、2−メトキシメトキシエチル(メタ)アクリレート、3−メトキシブチル(メタ)アクリレート、エチルカルビトール(メタ)アクリレート、フェノキシエチル(メタ)アクリレートなど]、エポキシ基含有(メタ)アクリル酸エステル類[グリシジル(メタ)アクリレートなど]、ハロゲン含有(メタ)アクリル酸エステル類[2,2,2−トリフルオロエチル(メタ)アクリレート、2,2,2−トリフルオロエチルエチル(メタ)アクリレート、テトラフルオロプロピル(メタ)アクリレート、ヘキサフルオロプロピル(メタ)アクリレート、オクタフルオロペンチル(メタ)アクリレート、ヘプタデカフルオロデシル(メタ)アクリレートなど]、(メタ)アクリルアミド類[例えば、(メタ)アクリルアミド、N−メチル(メタ)アクリルアミド、N−n−ブチル(メタ)アクリルアミド、N−i−プロピル(メタ)アクリルアミド、N−t−ブチル(メタ)アクリルアミド、N,N−ジメチル(メタ)アクリルアミド、2−(メタ)アクリルアミド−2−メチルプロパンスルホン酸、(メタ)アクリルアミドプロピルトリメチルアンモニウムクロライド、ジアセトン(メタ)アクリルアミド、(メタ)アクリロイルモルホリン、N−メチロール(メタ)アクリルアミドなど]、アルキルアミノアルキル(メタ)アクリレート[ジメチルアミノエチル(メタ)アクリレートなど]、シアン化ビニル類[(メタ)アクリロニトリルなど]、ビニルエステル類(例えば、酢酸ビニルなど)、芳香族ビニル化合物(例えば、スチレン、p−クロロスチレン、t−ブチルスチレン、α−メチルスチレン、スチレンスルホン酸ナトリウムなど)、カルボキシル基含有単量体又はその塩[(メタ)アクリル酸,イタコン酸,マレイン酸,フマル酸又はその塩など]、スルホン酸基含有単量体又はその塩[ビニルスルホン酸、ビニルスルホン酸ナトリウム、アリルスルホン酸ナトリウム、メタリルスルホン酸ナトリウムなど]、不飽和多価カルボン酸誘導体(マレイン酸ジメチル、マレイン酸ジブチル、フマル酸ジエチルなどのエステル類、N−フェニルマレイミドなどのN−置換マレイミドなど)、N−ビニル多価カルボン酸イミド[N−ビニルスクシンイミドなど]、ジエン類(例えば、ブタジエン、シクロペンタジエン、イソプレン)、複素環式ビニル単量体(N−ビニルピロリドン、N−ビニルオキサゾリドン、1−ビニルイミダゾール、4−ビニルピリジンなど)、N−ビニルアミド類(N−ビニルホルムアミド、N−ビニル−N−メチルホルムアミド、N−ビニルアセトアミド、N−ビニル−N−メチルアセトアミドなど)、ハロゲン含有ビニル単量体(ビニルクロライド,ビリデンクロライドなど)、ビニルアルキルエーテル類(例えば、メチルビニルエーテルなど)、オレフィン類(エチレン、プロピレン、1−ブテン、イソブテンなど)などが例示できる。これらのビニル単量体は単独で又は二種以上組合わせて使用できる。
【0039】
好ましいビニル単量体には、(メタ)アクリル系単量体、芳香族ビニル系単量体、ビニルエステル系単量体などが含まれる。特に、少なくとも(メタ)アクリル系単量体を用いる場合が多い。
【0040】
ビニル単量体は2個以上の不飽和基を有する多官能性ビニル単量体と併用してもよい。多官能性ビニル単量体としては、例えば、ジビニルベンゼン、4,4’−イソプロピリデンジフェニレンジ(メタ)アクリレート、1,3−ブチレンジ(メタ)アクリレート、1,4−シクロヘキシレンジメチレン(メタ)アクリレート、エチレングリコールジ(メタ)アクリレート、ジエチレングリコールジ(メタ)アクリレート、トリエチレングリコールジ(メタ)アクリレート、テトラエチレングリコールジ(メタ)アクリレート、テトラメチレンジ(メタ)アクリレート、ジイソプロピリデングリコールジ(メタ)アクリレート、ジビニルオキシメタン、エチリデンジ(メタ)アクリレート、アリル(メタ)アクリレート、1,6−ジ(メタ)アクリルアミドヘキサン、N,N’−メチレンビス(メタ)アクリルアミド、N,N−(1,2−ジヒドロキシ)エチレンビス(メタ)アクリルアミド、2,2−ジメチル−1,3−トリメチレンジ(メタ)アクリレート、フェニルエチレンジ(メタ)アクリレート、2,2,2−トリクロロエチリデンジ(メタ)アクリレート、ペンタエリスリトールトリ(メタ)アクリレート、トリメチロールプロパントリ(メタ)アクリレート、テトラメチロールメタンテトラ(メタ)アクリレート、1,3,5−トリ(メタ)アクリロイルヘキサヒドロ−s−トリアジン、ビス(メタ)アクリルアミド酢酸、エチリジントリ(メタ)メタクリレート、プロピリジントリ(メタ)アクリレート、ビニルアリルオキシアセテートなどが挙げられる。これらの多官能性ビニル単量体も単独で又は組合わせて使用できる。これらの多官能性ビニル単量体のうち、ジビニルベンゼン,2以上の(メタ)アクリロイル基を有する単量体(エチレングリコールジ(メタ)アクリレートなど)が一般に使用される。
【0041】
前記分散系において、ビニル単量体が重合する過程で、ノニオン界面活性剤が無機又は有機粒子表面に吸着していることが好ましい。従って、ビニル単量体の重合温度は、ノニオン界面活性剤の曇点を越える温度であることが好ましく、例えば、20〜110℃、好ましくは30〜100℃、さらに好ましくは60〜100℃、特に70〜90℃程度である。
【0042】
なお、前記ビニル単量体は、塗膜に要求される特性(成膜性,ガラス転移温度など)に応じて選択でき、通常、ガラス転移温度−30℃〜80℃、好ましくは−20℃〜50℃、特に0〜50℃程度のビニル重合体を形成する。また、架橋系を構成するため、ヒドロキシル基、カルボキシル基や酸無水物基、グリシジル基などの反応性基を有するビニル単量体を用いてもよい。
【0043】
ビニル重合体と無機又は有機粒子との割合は、成膜性などに応じて選択でき、例えば、ビニル重合体100重量部に対して、無機又は有機粒子3〜500重量部、好ましくは10〜300重量部、さらに好ましくは20〜200重量部(例えば、30〜200重量部)程度である。
【0044】
[水性分散体]
このような成分で構成された複合粒子の平均粒子径は、コアの無機又は有機粒子の大きさによって変動するが、例えば、10μm以下(例えば、10nm〜10μm)、好ましくは50nm〜5μm(例えば、80nm〜5μm)、さらに好ましくは0.1〜1μm程度であり、平均粒子径が上記範囲であれば、複合粒子の分散安定性が高い。なお、無機又は有機粒子がコロイド状シリカの場合、複合粒子の平均粒子径は、10〜500nm、好ましくは20〜300nm(例えば、20〜250nm)、特に30〜200nm程度である。また、カーボンブラックの場合、平均粒子径は、10nm〜1μm、好ましくは30nm〜0.5μm、さらに好ましくは50nm〜0.3μm程度である。
【0045】
前記各成分の割合は、例えば、ビニル重合体100重量部に対し、ノニオン界面活性剤0.1〜20重量部(例えば、0.5〜10重量部)程度、無機又は有機粒子3〜500重量部(例えば、100〜500重量部)程度の範囲から選択できる。
【0046】
水性分散体において、分散粒子のすべてが前記コア−シェル複合粒子である必要はなく、コア−シェル複合粒子と、ビニル重合体粒子および無機又は有機粒子から選択された少なくとも一種の粒子との混合物であってもよい。好ましい水性分散体は、粒子の80重量%以上が、無機又は有機粒子をコアとし、ビニル重合体をシェルとするコア−シェル構造の複合粒子で構成されている。
【0047】
[水性分散体の製造方法]
本発明の水性分散体は、ノニオン界面活性剤(第1のノニオン界面活性剤)の存在下、無機又は有機粒子が水性媒体中に分散した系において、曇点以上の温度でビニル単量体を重合することにより得ることができる。特に、曇点未満の温度で第1のノニオン界面活性剤と無機又は有機粒子分散液とを混合した後、曇点以上の温度に昇温し、無機又は有機粒子表面に第1のノニオン界面活性剤を吸着させ、ビニル単量体を重合することにより、無機又は有機粒子とビニル重合体とが有効に結合した複合粒子を得ることができる。
【0048】
前記分散系では、第1のノニオン界面活性剤が無機又は有機粒子表面に吸着するにつれて、又はビニル単量体の重合が進行するにつれて無機又は有機粒子が疎水化し、分散安定性が低下して凝集ゲル化する場合がある。従って、疎水化した無機又は有機粒子を水性媒体中で分散安定化させるために、第2のノニオン界面活性剤を反応系に添加してもよい。第2のノニオン界面活性剤は、混合初期に添加してもよく、昇温時、重合初期、又は重合後に添加してもよい。好ましくは、第1のノニオン界面活性剤の曇点以上の温度になった後、第2のノニオン界面活性剤を添加するのが好ましい。
【0049】
第2のノニオン界面活性剤の曇点は、第1のノニオン界面活性剤が吸着した無機又は有機粒子を分散安定化させるために、第1のノニオン界面活性剤の曇点を越える場合が多い。さらに、ビニル単量体が重合する過程で、無機又は有機粒子を安定化させるためには、重合温度を越える温度の曇点を有していることが好ましい。第2のノニオン界面活性剤は、疎水化された無機又は有機粒子表面に配向し、無機又は有機粒子を安定化し、さらには第1のノニオン界面活性剤とともに、ビニル単量体の重合の場を提供する。
【0050】
第2のノニオン界面活性剤の使用量は、ミセルを形成してビニル重合体単独粒子が生成するのを防ぐために、臨界ミセル濃度(CMC)以下であるのが好ましく、例えば、固形分換算で、無機又は有機粒子100重量部に対して、0.01〜5重量部、好ましくは0.1〜3重量部、さらに好ましくは0.1〜2重量部程度である場合が多い。
【0051】
また、乳化重合に一般的に使用されるアニオン界面活性剤を、分散安定化のために使用してもよい。なお、第1のノニオン界面活性剤を無機又は有機粒子表面に有効に吸着させるために、第1のノニオン界面活性剤を無機又は有機粒子表面に吸着させた後に、アニオン界面活性剤を添加するのが好ましい。例えば、ノニオン界面活性剤が無機又は有機粒子へ均一に吸着した後、あるいはビニル単量体が重合し、安定化されたシード状複合粒子が生成した後に、アニオン界面活性剤を添加してもよい。前記のように、無機又は有機粒子は、通常、水性媒体中、負に帯電しているため、アニオン界面活性剤との吸着効率は低いものと予想されるが、負の電荷を有するアニオン界面活性剤は、負に帯電している無機又は有機粒子に対し、単独でミセルを形成する場合がある。そのため、混合初期にアニオン性界面活性剤を添加すると、ポリマー単独粒子が多数生成する虞がある。
【0052】
本発明において、ビニル単量体は、前記分散系で重合可能な種々の方法で重合できる。好ましい重合方法は、水性媒体(特に、水)中でビニル単量体を重合する乳化重合法である。乳化重合法において、ビニル単量体を連続的あるいは段階的に反応系に仕込む方法が好ましい。ノニオン界面活性剤の存在下、無機又は有機粒子が分散した系に一括に単量体を仕込むと、コア−シェル複合粒子の生成する可能性が小さくなる場合がある。これは、吸着したノニオン界面活性剤が単量体の油滴に溶解され、無機又は有機粒子表面に吸着したノニオン界面活性剤が減少するためのようである。なお、シードとして、安定な粒子が生成した後、ビニル単量体を一括に仕込んでもよい。また、反応系に単量体を添加する場合、単量体の組成は同一であってもよく、変化させてもよい。
【0053】
重合開始剤としては、過酸化物(例えば、過酸化水素など)、過硫酸塩(例えば、過硫酸カリウム、過硫酸アンモニウム)、水性アゾ化合物やレドックス重合開始剤が使用できる。
【0054】
本発明の重合において、重合体の分子量の調整のため、連鎖移動剤、例えば、ビニル単量体に可溶な有機過酸化物、有機アゾ化合物、ハロゲン化炭化水素(四塩化炭素など)、メルカプタン類、チオール類などを用いてもよい。連鎖移動剤の使用量は、例えば、ビニル単量体に対して5重量%以下である。
【0055】
なお、必要であれば、無機又は有機粒子の分散安定性を高めるため、pH調整剤(例えば、酸(硫酸、塩酸など)、アンモニア、アミンなど)を重合過程又は反応終了後の水性分散体に添加してもよい。重合系又は水性分散体のpHは、例えば、pH7〜9(例えば、7.5〜8.5)程度に調整してもよい。
【0056】
本発明では、ノニオン界面活性剤の曇点や臨界ミセル濃度(CMC)又は使用量を組合わせて調整することにより、コア−シェル複合粒子/ビニル重合体粒子/無機又は有機粒子の比率を任意にコントロールできる。
【0057】
すなわち、無機又は有機粒子が水性媒体中に分散した系において、ノニオン界面活性剤の曇点以上の温度でビニル単量体を重合すると、少なくともコア−シェル構造の複合粒子を主成分とした水性分散体を得ることができる。さらに、ノニオン界面活性剤の濃度が臨界ミセル濃度(CMC)未満でビニル単量体を重合すると(a)、無機又は有機粒子にノニオン界面活性剤を有効に吸着させることができ、コア−シェル構造の複合粒子を得ることができる。一方、ノニオン界面活性剤濃度が臨界ミセル濃度以上である場合(b)、ビニル単量体の重合の場としてのミセルを形成し、ビニル重合体粒子を形成する場合がある。
【0058】
さらに、ノニオン界面活性剤の使用量が、無機又は有機粒子に対する飽和吸着量未満である場合(1)、通常の無機又は有機粒子が生成し、飽和吸着量以上(2)であれば、少なくともコア−シェル構造の複合粒子を主成分とする水性分散体を得ることができる。
【0059】
以上のように、ノニオン界面活性剤の曇点以上の温度で重合する本発明において、ノニオン界面活性剤の種類や濃度を調整することによって、コア−シェル複合粒子/ビニル重合体粒子/無機又は有機粒子の比率をコントロールすることができる。より具体的には、次の通りである。
【0060】
(a−1)ノニオン界面活性剤の濃度が、臨界ミセル濃度(CMC)未満であって、無機又は有機粒子に対する飽和吸着量未満である場合、コア−シェル構造の複合粒子/無機又は有機粒子の混合物で構成された水性分散体が得られる。
【0061】
(a−2)ノニオン界面活性剤の濃度が、臨界ミセル濃度未満であって、無機又は有機粒子に対する飽和吸着量以上である場合、コア−シェル複合粒子を主成分とする水性分散体を得ることができる。
【0062】
また、(b−1)ノニオン界面活性剤の濃度が、臨界ミセル濃度以上であって、無機又は有機粒子に対する飽和吸着量未満である場合、複合粒子/ビニル重合体粒子/無機又は有機粒子の三成分系で構成された水性分散体を得ることができる。
【0063】
さらに(b−2)ノニオン界面活性剤の濃度が、臨界ミセル濃度以上であって、無機又は有機粒子に対する飽和吸着量以上である場合、複合粒子/ビニル重合体粒子の混合物で構成された水性分散体を得ることができる。
【0064】
なお、本明細書において、臨界ミセル濃度(CMC)とは、無機又は有機粒子の存在下、ノニオン界面活性剤を添加したとき、水相にミセルが生成する濃度を意味する。この臨界ミセル濃度は無機又は有機粒子の含有量や電解質濃度などにより変化するが、界面活性剤の濃度と表面張力との関係から、表面張力が極小値となる濃度を見掛けの臨界ミセル濃度の指標とすることができる。例えば、無機又は有機粒子や電解質が存在しない場合に比べて、これらの成分が存在すると、ノニオン界面活性剤の臨界ミセル濃度は大きくなる。なお、飽和吸着量は、慣用の方法で予め測定することができる。平均粒子径が50nm以下の無機又は有機粒子の場合、固形分換算で無機又は有機粒子100重量部に対して、0.5〜5重量部(例えば、1〜2重量部)程度である場合が多い。
【0065】
水性分散体の固形分濃度は、用途などに応じて選択でき、例えば、10〜60重量%、好ましくは30〜55重量%、特に45〜55重量%程度である。
【0066】
このような方法で得られた水性分散体は、無機又は有機粒子の含有量が50重量%であっても高い被膜形成性、汚染性、耐熱性などに優れる塗膜を形成できる。また、前記コア−シェル複合粒子/ビニル重合体粒子/無機又は有機粒子の割合をコントロールでき、高い光沢の塗膜やツヤ消し塗膜を形成できる。そのため、本発明の水性分散体で構成された組成物は、被膜成形材料(コーティング剤)、特に塗料組成物として有用である。なお、前記水性分散体において、複合粒子と無機又は有機粒子との割合を、複合粒子/無機又は有機粒子=100/0〜50/50(固形分換算の重量比)の範囲で変化させると、シリカなどのツヤ消し剤を用いることなく、入射角60°での光沢(グロス)を85〜3程度の範囲で調整できる。
【0067】
本発明の塗料組成物(水性塗料組成物)では、水性塗料で通常使用される種々の成分、例えば、分散剤、湿潤剤、増粘剤、可塑剤、表面調整剤,消泡剤,粘度調整剤,難燃剤,帯電防止剤,水溶性有機溶媒などが使用できる。なお、必要により塗料組成物は顔料を含んでいてもよい。上記顔料としては、前記例示の無機又は有機顔料(例えば、二酸化チタン、フタロシアニンブルーなどの着色顔料、炭酸カルシウム、硫酸バリウムなどの体質顔料)を使用してもよく、アルミ粉、マイカフレークなどの光輝剤などを使用してもよい。塗料組成物中の顔料重量濃度(PWC)は、固形分換算で、通常、1〜70重量%、好ましくは10〜65重量%、さらに好ましくは20〜60重量%程度である。固形分濃度が1重量%未満あると隠蔽性が低下し、70重量%を越えると、塗膜の光沢が低下し、粘度が高くなり耐水性、機械強度が低下しやすい。
【0068】
上記塗料組成物のうち、複合粒子(バインダーとしても機能する)を主成分(80重量%以上)とする塗料組成物は、ビニル単量体100重量部に対して、無機又は有機粒子3〜500重量部(好ましくは50〜500重量部、さらに好ましくは100〜500重量部)程度の広い範囲で高い被膜形成性を有しており、優れた耐汚染性や難燃性を有する。特に、無機又は有機粒子の含有割合の高い塗料組成物は、難燃剤を用いることなく、高い難燃性を発現できる。
【0069】
本発明の塗料組成物には、必要により、水溶性又は水分散性バインダー樹脂、架橋剤,硬化剤,架橋又は硬化助剤などを添加してもよい。本発明の塗料組成物を、慣用の方法で基材に塗布し、乾燥又は硬化させると、耐久性の高い塗膜を形成できる。
【0070】
【発明の効果】
本発明では、水性分散物が前記複合粒子(特に無機又は有機粒子をコアとし有機ポリマーをシェルとするコア−シェル状複合粒子)を含むので、分散安定性、貯蔵安定性が高く、固形分濃度が高くても成膜性を高めることができる。また、特殊なシラン化合物を用いることなく、経済的に有利に優れた特性を有する水性分散体を得ることができる。
【0071】
本発明の塗料組成物では、被膜形成性と、従来水性塗料として達成できなかった耐汚染性および耐候性とを高いレベルに維持でき、耐水性、耐候性が高く、耐久性の高い塗膜を形成できる。また、無機又は有機粒子の組成割合の高い組成物では、高い成膜性を維持しながら耐熱性および難燃性を大きく改善できる。さらに、ビニル重合体粒子の生成量、無機又は有機粒子の表面被覆度をコントロール可能であり、複合粒子/ビニル重合体粒子/無機又は有機粒子系の組成割合を調整できる。そのため、ツヤ消し剤を使用することなく、塗膜の光沢を調整できる。
【0072】
【実施例】
以下に、合成例、実施例、比較例に基づいて本発明をさらに詳しく説明するが、本発明はこれらの実施例により限定されるものではない。
【0073】
合成例1
撹拌装置、温度計、滴下ロート、還流冷却管を装着した1000mLのガラス製四ツ口フラスコに、蒸留水100gおよびコロイド状シリカ(旭電化工業(株)製,アデライトAT−50,固形分50重量%,平均粒子径20〜30nm)200gを入れ、窒素気流下、第1のノニオン界面活性剤(旭電化工業(株)製、NE−10,曇点40℃,反応性)3.0gを撹拌しながら添加した。2N−H2SO4でpH8〜8.5に調整した後、70℃に昇温した。過硫酸アンモニウム0.6gを添加し、メタクリル酸メチル(MMA)/アクリル酸n−ブチル(n−BA)/メタクリル酸(MAA)=49/50/1(重量比)のビニル単量体5gを10分間滴下し、60分間放置した。さらに、第2のノニオン界面活性剤(花王(株)製、エマルゲン840S、固形分70重量%、曇点100℃以上)2.1gを加え、温度70℃でMMA/n−BA/MAA=49/50/1(重量比)のビニル単量体95gを4時間に亘り滴下した。反応温度を70℃に保持し、滴下終了後、さらに70℃で1時間保持し撹拌を続けた。この後冷却し、25重量%アンモニア水で、pH8.5に調整し、複合微粒子分散物402gを得た(収率98%,固形分50重量%,平均粒子径81nm)。
【0074】
合成例2
撹拌装置、温度計、滴下ロート、還流冷却管を装着した1000mLのガラス製四ツ口フラスコに、蒸留水100gおよびコロイド状シリカ(日産化学(株)製,スノーテックス50,固形分50重量%,平均粒子径20〜30nm)300gを入れ、窒素気流下、第1のノニオン界面活性剤(旭電化工業(株)製、NE−10,曇点40℃,反応性)、第2の界面活性剤(花王(株)製,エマルゲン840S、固形分70重量%、曇点100℃以上)をそれぞれ4.5g、2.5gを撹拌しながら添加した。2N−H2SO4でpH8〜8.5に調整した後、70℃に昇温した。過硫酸アンモニウム0.6gを添加し、さらに、MMA/n−BA/スチレン(St)/MAA=29/50/20/1(重量比)のビニル単量体10gを10分間滴下し、60分間放置した。その後、アニオン界面活性剤(花王(株)製,エマール20C,固形分25重量%)2.0gを加えた後、MMA/n−BA/St/MAA=29/50/20/1(重量比)のビニル単量体90gを70℃で4時間に亘り滴下した。反応温度を70℃に保持し、滴下終了後 、さらに70℃で1時間保持し撹拌を続けた。この後冷却し、25重量%アンモニア水でpH8.5に調整し、複合微粒子分散物501g(収率98%,固形分50重量%,平均粒子径66nm)を得た。
【0075】
合成例3[複合粒子/ポリマー粒子]
撹拌装置、温度計、滴下ロート、還流冷却管を装着した1000mLのガラス製四ツ口フラスコに、蒸留水100g、コロイド状シリカ(旭電化工業(株)製,アデライトAT−50,固形分50重量%,平均粒子径20〜30nm)200gを入れ、窒素気流下、第1のノニオン界面活性剤(旭電化工業(株)製,プルロニックL−64,曇点58℃)、第2の界面活性剤(花王(株)製,エマルゲン840S、固形分70重量%、曇点100℃以上)をそれぞれ3.0g、6.2gを撹拌しながら添加した。2N−H2SO4でpH8〜8.5に調整した後、70℃に昇温した。過硫酸アンモニウム0.6gを添加し、さらにMMA/n−BA/MAA=49/50/1(重量比)のビニル単量体10gを10分間滴下し、60分間放置した。その後、アニオン界面活性剤(花王(株)製,エマール20C,固形分25重量%)2.0gを加えた後、MMA/n−BA/MAA=49/50/1(重量比)のビニル単量体90gを70℃で4時間かけて滴下した。反応温度70℃に保持し、滴下終了後、さらに70℃で1時間保持し撹拌を続けた。この後冷却し、25重量%アンモニア水でpH8.5に調整し、水性分散物400g(収率98%,固形分50重量%,平均粒子径69nm)を得た。
【0076】
合成例4[複合粒子/コロイド状シリカ粒子]
撹拌装置、温度計、滴下ロート、還流冷却管を装着した1000mLのガラス製四ツ口フラスコに、蒸留水100g、コロイド状シリカ(日産化学(株)製,スノーテックス50,固形分50重量%,平均粒子径20〜30nm)200gを入れ、窒素気流下、ノニオン界面活性剤(旭電化工業(株)製,プルロニックL−61、曇点24℃)0.8gを撹拌しながら添加した。2N−H2SO4でpH8〜8.5に調整した後、70℃に昇温した。過硫酸アンモニウム0.6gを添加し、さらにMMA/n−BA/アクリル酸2−エチルヘキシル(2−EHA)/MAA=49/20/30/1(重量比)のビニル単量体10gを10分間滴下し、60分間放置した。その後、アニオン界面活性剤(花王(株)製,エマール20C,固形分25重量%)1.5gを加えた後、温度70℃でMMA/n−BA/2−EHA/MAA=49/20/30/1(重量比)のビニル単量体90gを4時間かけて滴下した。反応温度を70℃に保持し、滴下終了後、さらに70℃で1時間保持し撹拌を続けた。この後、冷却し、25重量%アンモニア水で、pH8.5に調整し、水性分散物399g(収率98%、固形分50重量%,平均粒子径90nm)を得た。
【0077】
合成例5[複合粒子/ポリマー粒子/コロイド状シリカ粒子]
撹拌装置、温度計、滴下ロート、還流冷却管を装着した1000mLのガラス製四ツ口フラスコに、蒸留水5.0g、コロイド状シリカ(日産化学(株)製,スノーテックス40,固形分40重量%,平均粒子径10〜20nm)250gを入れ、窒素気流下、第1のノニオン界面活性剤(旭電化工業(株)製、NE−10,曇点40℃,反応性)、第2のノニオン界面活性剤(花王(株)製,エマルゲン840S,曇点100℃以上、固形分70重量%)をそれぞれ0.8g、6.2gを撹拌しながら添加した。2N−H2SO4でpH8〜8.5に調整した後、70℃に昇温した。過硫酸アンモニウム0.6gを添加し、さらに、MMA/n−BA/St/MAA=29/50/20/1(重量比)のビニル単量体5gを10分間かけて滴下し、60分間放置した。その後、アニオン界面活性剤(花王(株)製,エマール20C,固形分25重量%)1.5gを加えた後、MMA/n−BA/St/MAA=29/50/20/1(重量比)のビニル単量体95gを70℃で4時間かけて滴下した。反応温度を70℃に保持し、滴下終了後、さらに70℃で1時間保持し撹拌を続けた。この後、冷却し、25重量%アンモニア水で、pH8.5に調整し、水性分散物399g(収率98%,固形分50重量%,平均粒子径82nm)を得た。
【0078】
合成例6〜8
表1に示す成分を用い、上記合成例と同様にして水性分散体を得た。
【0079】
合成例9
500mLのスチール製ビーカーに蒸留水240g、第1のノニオン界面活性剤(旭電化工業(株)製、NE−10、曇点40℃、反応性)、第2のノニオン界面活性剤(花王(株)製、エマルゲン840S、固形分70重量%、曇点100℃以上)をそれぞれ2.4g、1.2gを入れ、さらに消泡剤(サンノプコ(株)製、ノプコ8034)0.24gを加え、1000rpmで攪拌しながら、二酸化チタン(テイカ(株)製、JR−603)240gを除々に加えながら、ディスパーを用い、15分間に亘り3000rpmで攪拌を行い、白色のミルベースを得た。
【0080】
この白色のミルベース403.2gを攪拌装置、温度計、滴下ロート、還流冷却管を装着した1000mLの四ツ口フラスコに入れ、さらに蒸留水50gを添加し、窒素気流下で70℃に昇温した。過硫酸アンモニウム0.3gを添加し、さらにMMA/n−BA/MAA=49/50/1(重量比)のビニル単量体5gを10分間かけて滴下し、60分間放置した。その後、アニオン界面活性剤(花王(株)製、エマール20C、固形分25重量%)0.4gを加えた後、MMA/n−BA/MAA=49/50/1(重量比)のビニル単量体95gを70℃で4時間かけて滴下した。滴下終了後、さらに70℃で1時間保持し、攪拌を続けた。この後冷却し、25重量%アンモニア水でpH8.5に調整し、水性分散体500g(収率99%、固形分50重量%、平均粒子径305nm)を得た。
【0081】
合成例10
表1に示す成分を用い、上記合成例と同様にして水性分散体を得た。
【0082】
合成例11
500mLのスチール製ビーカーに蒸留水180g、第1のノニオン界面活性剤(旭電化工業(株)製、NE−10、曇点40℃、反応性)、第2のノニオン界面活性剤(花王(株)製、エマルゲン840S、固形分70重量%、曇点100℃以上)をそれぞれ5.0g、2.5gを入れ、湿潤剤(サンノプコ(株)製、モディコールL、ノニオン系活性剤、固形分100重量%)3.0g、消泡剤(サンノプコ(株)製、ノプコ8034)0.3gを加え、1000rpmで攪拌しながら、キナクリドンレッド(大日精化工業(株)製、クロモファインレッド6820)120gを除々に加えながら、さらにガラスビーズ200gを加え、ディスパーで回転数3000rpmで15分間亘り攪拌を行った。
【0083】
上記で得られた混合物207.2gを攪拌装置、温度計、滴下ロート、還流冷却管を装着した1000mLのガラス製四ツ口フラスコに入れ、さらに蒸留水100gを添加し、窒素気流下で70℃に昇温した。過硫酸アンモニウム0.3gを添加し、さらにMMA/n−BA/MAA=49/50/1(重量比)のビニル単量体5gを10分間かけて滴下し、60分間放置した。その後、アニオン界面活性剤(花王(株)製、エマール20C、固形分25重量%)0.4gを加えた後、MMA/n−BA/MAA=49/50/1(重量比)のビニル単量体95gを70℃で4時間かけて滴下した。滴下終了後、さらに70℃で1時間保持し、攪拌を続けた。この後冷却し、25重量%アンモニア水でpH8.5に調整し、水性分散体403g(収率99%、固形分45重量%、平均粒子径283nm)を得た。
【0084】
比較合成例1
撹拌装置、温度計、還流冷却管、滴下ロートを装着した1000mLのガラス製四ツ口フラスコにコロイド状シリカ(日産化学(株)製,スノーテックス50,固形分50重量%,平均粒子径20〜30nm)200g、窒素気流下、ノニオン界面活性剤(花王(株)製,エマルゲン840S,固形分70重量%、曇点100℃以上)25gを攪拌しながら添加した。2N−H2SO4でpH8〜8.5に調整した後、70℃に昇温した。過硫酸アンモニウム0.6gを添加し、さらにMMA/n−BA/MAA=49/50/1(重量比)のビニル単量体5gを10分間滴下し、60分間滴下した。その後、アニオン界面活性剤(花王(株)製、エマール20C、固形分25重量%)2.0gを加え、MMA/n−BA/MAA=49/50/1(重量比)のビニル単量体95gを4時間に亘り滴下した。反応温度70℃に保持し、滴下終了後、さらに70℃で1時間保持し撹拌を続けた。その後冷却し、25重量%アンモニア水で、pH8.5に調整し、水性分散物400g(収率98%,固形分50重量%,平均粒子径98nm)を得た。
【0085】
比較合成例2
撹拌装置、温度計、滴下ロート、還流冷却管を装着した1000mLのガラス製四ツ口フラスコにコロイド状シリカ(日産化学(株)製,スノーテックス40,固形分40重量%,平均粒子径20〜30nm)250g、アニオン界面活性剤(花王(株)製,エマール20C,固形分25重量%)16g、蒸留水135gを入れ、2N−H2SO4でpH7.5に調整し攪拌した。窒素気流下、60℃に昇温した後、3−メタクリロイルオキシプロピルトリメトキシシラン10gを添加し、4時間攪拌した。その後、過硫酸アンモニウム0.5g、亜硫酸ナトリウム0.2gを添加し、さらにMMA/n−BA/MAA=49/50/1(重量比)のビニル単量体100gを4時間に亘り滴下した。滴下中の反応温度は65℃に保持し、滴下終了後も、1時間撹拌を続けた。その後、冷却し、25重量%アンモニア水で、pH8.5に調整し、複合微粒子分散物500g(収率98%,固形分40重量%,平均粒子径51nm)を得た。
【0086】
比較合成例3
撹拌装置、温度計、滴下ロート、還流冷却管を装着した1000mLのガラス製四ツ口フラスコにアニオン界面活性剤(花王(株)製,エマール20C,固形分25重量%)12g、コロイダルシリカ(日産化学(株)製,スノーテックス30,固形分30重量%)333g、蒸留水65gをそれぞれ添加し、撹拌した。窒素気流下、60℃に昇温した後、過硫酸アンモニウム0.5g、重亜硫酸ナトリウム0.2gを加え、MMA/n−BA/MAA/γ−メタクリロイルオキシプロピルトリメトキシシラン=49/49.5/1/0.5(重量比)のビニル単量体100gを3時間にわたって滴下した。滴下中の反応温度は、60〜70℃の範囲で保持し、滴下終了後も同温度で2時間撹拌を続けた。その後冷却し、25重量%アンモニア水で、pH8.5に調整し、複合微粒子分散物508g(固形分39重量%,平均粒子径76nm)を得た。
【0087】
[複合粒子、ポリマー粒子およびコロイダルシリカ粒子の割合]
合成例1〜5及び比較合成例3の水性分散体について、透過型電子顕微鏡で解析した。
【0088】
先ず、試料の水性分散体を蒸留水で10倍に希釈し、希釈液を、カーボン膜を張ったメッシュCu200A上にスパチュラーを用いてごく少量のせて乾燥した。乾燥膜を透過型電子顕微鏡TEM(日本電子データム(株)製,JEM1220)で観察した。加速電圧100kv,倍率20,000の条件で、1つの試料について200個程度観察し、コア−シェル型複合粒子/ポリマー単独粒子/コロイド状シリカ粒子の個数割合を算出した。
【0089】
なお、比較合成例3で得られた水性分散体において、コア−シェル型複合粒子/ポリマー単独粒子/コロイド状シリカ粒子の個数割合は、12/25/63であった。
【0090】
【表1】

Figure 0004046451
【0091】
表1より合成例1及び2の水性分散体は、ポリマー単独粒子及びコロイド状シリカ粒子が少なく、コア−シェル型複合粒子で構成された水性分散体であった。合成例3の水性分散体は、コア−シェル構造の複合粒子とポリマー単独粒子とで構成されていた。また合成例4の水性分散体は、コア−シェル構造の複合粒子と、コロイド状シリカ粒子とで構成されていた。合成例5の水性分散体は、コア−シェル構造複合粒子/ポリマー単独粒子/コロイド状シリカ粒子の3成分系で構成されていた。これら合成例より、本発明では、前記3成分を任意に合成条件及びノニオン界面活性剤種の調整により調整することができる。
【0092】
[貯蔵安定性]
合成例1〜2及び10〜11、比較合成例1の水性分散体を、常温で3カ月間保存するとともに、温度50℃で10日保存して促進貯蔵安定性調べた。結果を表2に示す。
【0093】
【表2】
Figure 0004046451
【0094】
合成例1〜2及び10〜11の水性分散体は、室温での保存安定性および50℃での促進試験においても、増粘、外観の変化がなく良好な貯蔵安定性を示した。これに対して、比較合成例では、遊離のシラノール化合物によるためか、憎粘傾向が認められ、特に50℃での促進試験では著しい増粘が認められた。
【0095】
[塗料組成物]
実施例1
500mLのスチール製ビーカーに、蒸留水10.8g、増粘剤(旭電化工業(株)製,UH420,固形分6重量%)5.0g、分散剤(花王(株)製,デモールEP)4.0g、湿潤剤(花王(株)製,エマルゲンL−40)1.0g、消泡剤(サンノプコ(株)製、ノプコ8034)0.8gを加え、1000rpmで撹拌しながら、二酸化チタン(テイカ(株)製,JR−603)80gを徐々に加え、デイスパーを用い15分間に亘り回転数3000rpmで撹拌を行った。その後、合成例1の水性分散体(エマルジョン)200gを回転数1000rpmで徐々に加え、さらに蒸留水60gを加え5分間撹拌を行った。次に、造膜助剤(大阪有機化学工業(株)製、酢酸ブチル ジ ユーキゾール)12gを加え撹拌をさらに5分間続け、白色塗料を得た。
【0096】
実施例2〜5
表3に示す割合で、上記と同様に塗料組成物を得た。
【0097】
実施例6
500mLのスチール製ビーカーに蒸留水10.8g、消泡剤(サンノプコ(株)製、ノプコ8034)0.4gを加え、1000rpmで攪拌しながら、合成例10の水性分散体(エマルジョン)200gと、通常のアクリル系エマルジョン(G−25、50重量%、水谷ペイント(株)製)160gを加えた。続いて、蒸留水60gと増粘剤(旭電化工業(株)製、UH420、固形分6重量%)5.0gを加え、約10分間攪拌を行った。さらに造膜助剤(大阪有機化学工業(株)製、酢酸ブチル ジ ユーキゾール)12gを加え、攪拌を5分間続け、白色塗料を得た。
【0098】
実施例7
500mLのスチール製ビーカーに蒸留水10.8g、消泡剤(サンノプコ(株)製、ノプコ8034)0.4gを加え、1000rpmで攪拌しながら、合成例10の水性分散体(エマルジョン)200gと合成例6の水性分散体(エマルジョン)180gを加えた。続いて、60gの蒸留水と、増粘剤(旭電化工業(株)UH420、固形分6重量%)5.0gを加え、約10分間攪拌を行った。さらに造膜助剤(大阪有機化学工業(株)製、酢酸ブチル ジ ユーキゾール)12gを加え、攪拌を続けて白色塗料を得た。
【0099】
比較実施例1
合成例1の水性分散体200gにかえて、アクリル系エマルジョン(G−25,固形分50重量%,水谷ペイント(株)製)200gを用い、白色塗料を得た。すなわち、500mLスチル製ビーカーに蒸留水10.8g、増粘剤5.0g(6重量%,UH−420)、分散剤4.0g(デモールEP)、湿潤剤1.0g(エマルゲン L40)、消泡剤0.8g(サンノプコ(株)製、ノプコ8034)を加えディスパーで1000rpmで撹拌しながら、二酸化チタン80g(JR−603)を徐々に加えていった。回転数を3000rpmにした後、15分間撹拌を続けた。その後回転数を1000rpmにした後、エマルジョン(G−25,固形分50重量%,水谷ペイント製)200gを加えた。さらにコロイド状シリカ150g(アデライトAT−50)を加え、さらに水60g及び造膜助剤(酢酸ブチル ジ ユーキゾール)12gを加え10分撹拌し白色塗料を得た。
【0100】
比較実施例2
合成例1の水性分散体200gにかえて、アクリル系エマルジョン(G−25,50重量%,水谷ペイント製)50gおよびコロイダルシリカ(アデライトAT−50)150gを用い、白色塗料を得た。すなわち、500mLスチール製ビーカーに蒸留水10.8g、増粘剤5.0g(6重量%,UH−420)、分散剤4.0g(デモールEP)、湿潤剤1.0g(エマルゲン L40)、消泡剤0.8g(サンノプコ(株)製、ノプコ8034)を加えディスパーで1000rpmで撹拌しながら、二酸化チタン80g(JR−603)を徐々に加えていった。回転数を3000rpmにした後、15分間撹拌を続けた。その後回転数を1000rpmにした後、エマルジョン(G−25,固形分50重量%,水谷ペイント製)50g、さらにコロイダルシリカ(アデライトAT−50)150gを加えた。さらに水60g及び造膜助剤(酢酸ブチル ジ ユーキゾール)12gを加え10分撹拌し白色塗料を得た。
【0101】
比較実施例3〜5
表3に示す割合で、上記同様に塗料組成物を得た。
表3に上記実施例および比較実施例の塗料の組成を示す。
【0102】
実施例及び比較実施例の塗料について、次のようにして試料を作製した。
実施例及び比較実施例で得られた塗料100重量部に水15重量部を加え、試料調整後、70×150mのスレート板に塗布量200g/m2になるようスプレーガンで塗装し、常温で7日間放置して塗膜を形成した。
【0103】
L字型のステンレス製の汚染性用試験パネルは、上記と同様にスプレーガンで塗装し、常温7日間放置することにより作製した。なお、L字型のステンレス製パネルは、地面に対して垂直なプレート(幅20cm×高さ30cm)と、このプレートの上端部から角度120oで斜め上方へ延びる傾斜プレート(幅20cm×長さ70cm)で構成されており、傾斜プレートの端部は支持可能であった。
【0104】
そして、下記のようにして、塗膜形成性、耐性、耐アルカリ性、耐沸性、耐凍害性、促進耐候性、屋外暴露試験、耐汚染性を評価したところ、表3に示す結果を得た。
【0105】
[試験方法および評価方法]
(1)貯蔵安定性
塗料100gを200mlの容器に入れ、50℃の熱風乾燥炉中に10日間貯蔵し、塗料の状態を目視にて観察し、下記の基準で評価した。
【0106】
◎:全く増粘していないもの
○:わずかに増粘しているもの
△:増粘しているが塗装において問題を生じないもの
▲:著しく増粘し、塗装に適さないもの
×:ゲル化状態のもの
(2)光沢及び塗膜形成性
ドクタブレード(4ミル)でガラス板上に塗布し、室温で乾燥させ、塗膜を顕微鏡で観察し、下記の基準で評価した。塗膜の光沢を60o光沢として測定した。
【0107】
◎:5℃以下の温度でワレを生じないもの
○:ワレを生じないもの
▲:わずかにワレを生じるもの
×:著しくワレを生じているもの
(3)密着性
クロスカット2mm幅にてセロハンテープ剥離テストを行ない、碁盤目が全く剥離しない場合を100/100、碁盤目が全て剥離した場合を0/100として表示した。
【0108】
(4)耐水性
水中へ20日間浸漬し、塗膜の状態を目視により観察し、下記の基準で評価した。
【0109】
◎:塗膜の変化が全くなく、著しく良好
○:塗膜の変化がほとんどなく、良好
△:塗膜の変化が小さく、実用上問題ないレベル
▲:塗膜の変化がやや大きく、実用上やや問題の生じるレベル
×:塗膜の変化が大きく、実用性に乏しい
(5)耐アルカリ性
30%NaOH水溶液に7日間浸漬し、塗膜の状態を目視により観察し、上記(4)と同様の基準で評価した。
【0110】
(6)耐凍害性
水道水に浸漬した試験板を、−20℃で16時間、20℃で8時間を1サイクルとする50サイクルの凍結試験に供し、塗膜の状態を目視より観察し、上記(4)と同様の基準で評価した。
【0111】
(7)屋外暴露試験
18カ月後の塗膜の外観(光沢、ワレ、変色)を観察し、上記(4)と同様の基準で評価した。また、光沢のグロス保持率も評価した。
【0112】
(8)汚染性
図に示したステンレス板に塗装し6カ月後、傾斜部、垂直部の変色により目視で観察し、上記(4)と同様の基準で評価した。
【0113】
(9)難燃性
塗料を長さ150mm、幅20mm、厚さ10mmの型に流し込み、常温で1ヶ月放置した後、厚さを3.0mm±0.5mmの試験片を調製した。この試験片を、JIS K7201に準拠して試験を行い、燃焼する酸素指数値により以下の基準で難燃性を評価した。
【0114】
◎:28以上
○:26以上28未満
△:24以上26未満
▲:20以上24未満
×:20未満
【0115】
【表3】
Figure 0004046451
【0116】
【表4】
Figure 0004046451
【0117】
表3及び4に示されるように、実施例1〜5の塗料では、比較実施例1に比べて、耐汚染性、屋外暴露試験(耐候性)、耐水性などが1〜2ランク程度改善されている。また、実施例2と比較実施例2との対比から明らかなように、実施例2では、塗膜形成性、付着性、および耐性などを改善でき、バランスのとれた塗膜物性を示している。さらに、コロイド状シリカを含むエマルジョンを用いることにより、塗膜の光沢を広い範囲で調整可能である。さらには、コロイド状シリカの含有量の高いエマルジョン(合成例7,8)を用いた実施例2,3では、前記評価基準に基づいて、相対的に難燃性を評価したところ、難燃剤を添加することなく、難燃性を付与できる。
【0118】
また、合成例10(微粒子として二酸化チタンを使用)を用いた実施例6の塗料では、二酸化チタンをポリマーによって被覆しているため、耐光性、耐水性、耐アルカリ性などにおいて、比較実施例1に比べて改善でき、バランスのとれた物性となっている。さらに、合成例10(微粒子として二酸化チタンを使用)と、合成例6(微粒子としてコロイド状シリカ粒子を使用)とを用いた実施例7の塗料では、実施例6に比べて汚染性が、さらに改善されている。[0001]
BACKGROUND OF THE INVENTION
The present invention relates to an aqueous dispersion composed of composite particles having inorganic or organic particles as a core and an organic polymer as a shell, and a method for producing the same, and the aqueous dispersion. The present invention relates to a coating composition which is high and can control gloss, mechanical properties and the like.
[0002]
[Prior art]
Colloidal silica is excellent in hardness, mechanical strength, antistatic property, chemical resistance, and weather resistance, and organic polymer is excellent in flexibility, adhesion, water resistance, etc. Complex aqueous compositions are known. For example, an aqueous coating material containing a mixture of a vinyl acetate emulsion, an acrylic emulsion, an acrylic-styrene emulsion, colloidal silica, a water-curable binder, or the like as a main component is known. However, these water-based coatings have a small bonding force between the organic polymer and the inorganic substance, and do not have long-term durability, film-forming properties, water resistance, and the like. In addition, in the coating composition using a blend system of the colloidal silica and the organic polymer as a binder, when the amount of the colloidal silica is increased, the film forming property is lowered, and the contamination property and the film forming property by the colloidal silica are high. It is difficult to achieve a balance between levels. Furthermore, when adjusting the gloss of the coating film, if a delustering agent such as silica or calcium carbonate is used, the water resistance, weather resistance, and mechanical properties are lowered as the amount of the delustering agent increases.
[0003]
In order to chemically bond colloidal silica as an inorganic substance and an organic polymer, Japanese Patent Application Laid-Open Nos. 59-71316 and 63-37168 are obtained by copolymerizing a silane monomer and colloidal silica. An aqueous resin dispersion is disclosed. In this dispersion, a chemical bond is formed between the colloidal silica and the silane monomer, so the compatibility and affinity between the inorganic substance and the organic polymer are good, and the water resistance, alkali resistance, and stain resistance are excellent. ing. However, because the resulting aqueous dispersion and paint have low stability and the coating film is non-uniform, the coating film has strong shrinkage and cohesion, and cracks may occur in the coating film. There are difficulties.
[0004]
Japanese Patent Application Laid-Open No. 9-194208 proposes that after colloidal silica and organoalkoxysilane are coupled, vinyl monomer is polymerized to produce an aqueous dispersion of core-shell composite particles. . However, when using colloidal silica having an average particle diameter of 50 nm or less that expresses good strength, appearance, and transparency as a coating film, it is difficult to obtain an aqueous dispersion having a solid content of 40% by weight or more, At a high solid content, the viscosity increases remarkably and the film formability is poor. Further, in order to obtain stable core-shell composite particles, it is necessary to use a large amount of a special silane compound having a methacryloyl group, which is disadvantageous in terms of cost. Furthermore, the total reaction time is 10 hours or more, and an aqueous dispersion or binder for coating cannot be produced industrially advantageously.
[0005]
Furthermore, the conventional method cannot provide stable core-shell composite particles having not only colloidal silica but also inorganic or organic particles as a core and an organic polymer as a shell.
[0006]
[Problems to be solved by the invention]
Accordingly, an object of the present invention is to provide an aqueous dispersion having good dispersion stability and storage stability, a high solid content concentration and high film formability, and a method for producing the same.
[0007]
Another object of the present invention is to provide an aqueous dispersion having excellent characteristics economically without using a special silane compound and a method for producing the same.
[0008]
Another object of the present invention is to provide an aqueous dispersion mainly composed of core-shell composite particles having inorganic or organic particles as a core and organic polymer as a shell, and a method for producing the same.
[0009]
Still another object of the present invention is to provide a method for producing an aqueous dispersion capable of controlling the amount of polymer single particles produced and the surface coverage of inorganic or organic particles.
[0010]
Another object of the present invention is to provide a coating composition that can maintain a film forming property, stain resistance, appearance and weather resistance at a high level and can form a highly durable coating film.
[0011]
Still another object of the present invention is to provide a coating composition capable of adjusting the gloss of a coating film without using a delustering agent.
[0012]
[Means for Solving the Problems]
In order to solve the above problems, the present inventors have intensively studied, and in a system in which inorganic or organic particles are dispersed in an aqueous medium in the presence of a nonionic surfactant, the clouding point of the nonionic surfactant or higher It has been found that when a vinyl monomer is polymerized at a temperature, the vinyl polymer is effectively bonded to the surface of the inorganic or organic particles, and an aqueous dispersion having high dispersion stability and film-forming properties can be obtained, thereby completing the present invention.
[0013]
    That is, the aqueous dispersion of the present invention is a system in which inorganic or organic particles are dispersed in an aqueous medium.The worldIn the presence of surfactant, BiAn aqueous dispersion obtained by polymerizing a nil monomer,The surfactant is selected from a first nonionic surfactant having a cloud point below the polymerization temperature, a second nonionic surfactant having a cloud point above the polymerization temperature, and an anionic surfactant. And at least one clouding point of the first nonionic surfactant, and when the second nonionic surfactant is used, the second nonionic surfactant A dispersion obtained by polymerizing a vinyl monomer at a temperature below the cloud point,The vinyl polymer binds to the surface of the inorganic or organic particles directly or via a nonionic surfactant.And having a core-shell structure with the inorganic or organic particles as a core and the vinyl polymer as a shell.The particles are dispersed in an aqueous medium. Inorganic or organic particles may be colloidal silica or pigments. SaidFirstAs the nonionic surfactant, polyoxyalkylene ether or a derivative thereof can be used,The cloud point of the first nonionic surfactant may be 0 to 80 ° C. The first nonionic surfactant may have at least one ethylenically unsaturated group.The vinyl polymer can be formed of a (meth) acrylic monomer, an aromatic vinyl monomer, a vinyl ester monomer, or the like.The ratio of the inorganic or organic particles and the first nonionic surfactant to 100 parts by weight of the vinyl polymer is 3 to 500 parts by weight of the inorganic or organic particles and 0.1 to 20 parts by weight of the first nonionic surfactant. Also good. Spherical composite particles having a core-shell structure in which 80% by weight or more of the particles have inorganic or organic particles as a core and a vinyl polymer as a shell may be used.In such an aqueous dispersion, the average particle size of the composite particles is 10 μm or less. The average particle size of the inorganic or organic particles may be 5 nm to 1 μm, and the average particle size of the composite particles may be 10 nm to 5 μm.
[0014]
  The aqueous dispersion is produced by polymerizing a vinyl monomer at a temperature equal to or higher than the cloud point of the nonionic surfactant in a system in which inorganic or organic particles are dispersed in an aqueous medium in the presence of the nonionic surfactant. it can.
  More specifically, it is a method for producing an aqueous dispersion by polymerizing a vinyl monomer in the presence of a surfactant in a system in which inorganic or organic particles are dispersed in an aqueous medium, wherein the surfactant At least one selected from a first nonionic surfactant having a cloud point below the polymerization temperature, a second nonionic surfactant having a cloud point above the polymerization temperature, and an anionic surfactant And a temperature higher than the cloud point of the first nonionic surfactant, and when the second nonionic surfactant is used, it is lower than the cloud point of the second nonionic surfactant. By polymerizing a vinyl monomer at a temperature, an aqueous dispersion in which composite particles having a core-shell structure with the inorganic or organic particles as a core and the vinyl polymer as a shell are dispersed in an aqueous medium can be produced. . In this method, the vinyl monomer may be polymerized by increasing the temperature above the cloud point of the first nonionic surfactant to adsorb the first nonionic surfactant on the surface of the inorganic or organic particles. .The polymerization temperature may be a temperature exceeding the cloud point of the nonionic surfactant (for example, 20 to 110 °, particularly 60 to 100 ° C.).The amount of the first nonionic surfactant used is
(a-1) Less than the critical micelle concentration and less than the saturated adsorption amount of inorganic or organic particles,
(a-2) Less than the critical micelle concentration, and more than the saturated adsorption amount of inorganic or organic particles,
(b-1) Greater than the critical micelle concentration and less than the saturated adsorption of inorganic or organic particles, or
(b-2) The vinyl monomer may be polymerized with a critical micelle concentration or higher and a saturated adsorption amount of inorganic or organic particles.
  The present invention also discloses a coating composition comprising the aqueous dispersion.This coating composition is composed of an aqueous dispersion in which the ratio of the composite particles having the core-shell structure and the inorganic or organic particles is the former / the latter = 100/0 to 50/50 (weight ratio) in terms of solid content. May be.
[0015]
DETAILED DESCRIPTION OF THE INVENTION
The composite particles constituting the aqueous dispersion of the present invention are composed of inorganic or organic particles and a vinyl polymer bonded to the surface of the inorganic or organic particles directly or via a nonionic surfactant. Is distributed. This composite particle of the dispersion system utilizes the fact that the nonionic surfactant is adsorbed on the particle surface at a temperature equal to or higher than the cloud point and provides a vinyl monomer polymerization field.
[0016]
In the present invention, fine particles are usually used as the particles.
[0017]
In the composite particles, the inorganic or organic particles constitute a core, and the polymer which is a vinyl polymer constitutes a shell. The shell portion of such an aqueous dispersion may contain other nonionic surfactants or anionic surfactants.
[0018]
[Inorganic particles]
As the inorganic particles, various functional particles such as silica, inorganic pigments, conductors (for example, gold, silver, platinum, aluminum, or alloys thereof), magnetic bodies (for example, ferrite) and the like can be used. These functional particles may be colloidal (for example, colloidal silica).
[0019]
(Colloidal silica particles)
As colloidal silica particles (colloidal silica), colloidal silica particles having an average particle diameter of 5 nm to 1 μm, preferably about 10 to 100 nm, can be used. Reference can be made to Japanese Patent Publication No. 57-9051 and Japanese Patent Publication No. 57-51653.
[0020]
Colloidal silica can be prepared and used by a sol-gel method, or a commercially available product can be used. When colloidal silica is prepared by the sol-gel method, Werner Stober et al; J. Colloid and Interface Sci., 26, 62-69 (1968), Rickey D. Badley et al; Langmuir 6, 792-801 (1990), Journal of Color Material Association, 61 [9] 488-493 (1988).
[0021]
Commercially available products of colloidal silica are from Nissan Chemical Co., Ltd., Snowtex-XL (average particle size 40-60 nm), Snowtex-YL (average particle size 50-80 nm), Snowtex-ZL (average particle size 70). ~ 100nm), PST-2 (average particle diameter 21nm), Snowtex 20 (average particle diameter 10-20nm, SiO2/ Na2O> 57), Snowtex 30 (average particle size 10-20 nm, SiO2/ Na2O> 50), Snowtex C (average particle size 10-20 nm, SiO2/ Na2O> 100), Snowtex O (average particle size 10-20 nm, SiO2/ Na2O> 500), Snowtex 50 (average particle size 20-30 nm), etc., available from Asahi Denka Kogyo Co., Ltd., Adelite AT-40 (average particle size 10-20 nm, solid content 40% by weight), Adelite AT -50 (average particle size 20-30 nm, solid content 50% by weight) etc.2/ Na2O is silicon dioxide and sodium hydroxide (Na2The content weight ratio of (converted to O) is shown and described in the catalog). When using a commercial item, Adelite AT-40, AT-50, Snowtex 40, 50, etc. are preferable.
[0022]
The main component of colloidal silica is silicon dioxide, and it may contain alumina, sodium aluminate, etc. as a minor component. The colloidal silica may contain an inorganic base (such as sodium hydroxide, potassium hydroxide, lithium hydroxide, or ammonia) or an organic base (such as tetramethylammonium) as a stabilizer.
[0023]
(Inorganic pigment)
Examples of inorganic pigments include white pigments (eg, zinc oxide, lithopone, titanium oxide), yellow pigments (eg, chrome yellow, nickel titanium yellow, iron oxide yellow, yellow lead oxide), red pigments (eg, iron oxide red, Red lead oxide, molybdenum red, etc.), orange pigment (eg, molybdate orange, etc.), green pigment (eg, chrome green, chromium oxide, etc.), blue pigment (eg, bitumen, ultramarine blue, cobalt blue), purple pigment (eg, , Manganese violet, etc.), black pigments (for example, carbon black such as channel black and furnace black, black iron oxide, etc.).
[0024]
Further, extender pigments (for example, calcium carbonate, barium sulfate, aluminum hydroxide, etc.) may be used.
[0025]
[Organic particles]
As the organic particles, organic pigments, organic polymer particles (for example, silicone resins, polymethyl methacrylate resins, melamine resins, cross-linked styrene resins, etc.) can be used.
[0026]
(Organic pigment)
Organic pigments include azo pigments (e.g. yellow pigments such as Hansa Yellow, Benzidine Yellow, Vulcan Fast Yellow, Permanent Yellow, orange pigments such as Pyrazolone Orange, Vulcan Orange, Permanent Orange, Toluidine Red, Permanent Red, Brilliant Fast Scarlet, Vulcan Fast Red, Pyrazolone Red, Watching Red, Resor Red, Lake Red, Brilliant Carmine, Lake Bordeaux, etc. Pigments), lake pigments (eg, red pigments such as rhodamine lakes, methyl violet lakes, Victoria pure blue lakes) Blue pigments, green pigments such as final yellow green), and the like. Further, organic pigments such as quinacridone, perylene, isoindolinone, dioxazine, and selenium pigments may be used as the organic pigment.
[0027]
These inorganic or organic particles may be used alone or in combination of two or more. Usually, colloidal silica and pigment (inorganic or organic pigment) are used as the inorganic or organic particles.
[0028]
The average particle diameter of the inorganic or organic particles can be selected from a range of 5 μm or less (for example, 5 nm to 1 μm), preferably 10 nm to 0.5 μm, and more preferably about 20 nm to 0.2 μm. When the inorganic or organic particles are colloidal silica, the average particle diameter is 5 to 100 nm, preferably 10 to 80 nm, and more preferably about 10 to 50 nm. In the case of carbon black, the average particle size is 10 to 300 nm, preferably 20 to 100 nm, and more preferably about 30 to 80 nm.
[0029]
Moreover, these inorganic or organic particles may be surface-treated if necessary.
[0030]
[Nonionic surfactant]
In the composite particle, a vinyl polymer is bonded to the surface of the inorganic or organic particle directly or via a nonionic surfactant. The inorganic or organic particles are usually negatively charged and dispersed and stabilized in an aqueous medium. Therefore, in the present invention, after mixing the nonionic surfactant and the inorganic or organic particle dispersion at a temperature below the cloud point, the nonionic surfactant is applied to the surface of the inorganic or organic particle by setting the temperature to the cloud point or higher. Adsorbed to provide a field for vinyl monomer polymerization. In addition, although the inorganic or organic particle surface is usually hydrophilic, the particle surface can be hydrophobized by adsorption of a nonionic surfactant.
[0031]
In the present invention, the cloud point of the nonionic surfactant is the temperature at which the dispersion system becomes cloudy during the temperature rising process in a system in which inorganic or organic particles are dispersed in an aqueous medium in the presence of the nonionic surfactant. Means. The cloud point can be measured under each reaction condition because it is affected by the concentration of nonionic surfactant, the influence of the electrolyte, and the like. The cloud point of a nonionic surfactant is 0-80 degreeC, for example, Preferably it is 10-70 degreeC, More preferably, it is about 20-60 degreeC.
[0032]
Nonionic surfactants (dispersants or dispersion stabilizers) include, for example, proteins (gelatin, colloidal albumin, casein, lecithin, etc.), sugar derivatives (agar, starch derivatives, etc.), cellulose derivatives (hydroxymethylcellulose, etc.), many Esters of monohydric alcohol [ethylene glycol monofatty acid ester (eg, monoglycol ester of oleic acid, monoglycol ester of stearic acid), polyethylene glycol monofatty acid ester, propylene glycol monofatty acid ester, glycerin monofatty acid ester (eg, stearin Acid monoglyceride, etc.), glycerin difatty acid ester, sucrose fatty acid ester, sorbitan fatty acid ester (trade name span), etc.], synthetic hydrophilic polymers such as polyvinyl alcohol, End-chain alkyl group-modified polyvinyl alcohol, vinyl polymer [(meth) acrylic acid hydroxyalkyl ester, alkyl vinyl ether, vinyl acetate, (meth) acrylamide, diacetone acrylamide, etc., a monomer having at least one ethylenically unsaturated group Homopolymer or Copolymer Containing Body as a Constituent], Polyoxyalkylene (Polyoxyethylene, Polyoxypropylene) or Derivatives thereof [Polyoxyethylene Alkyl Ether, Polyoxyethylene Alkyl Aryl Ether, Alkylene Oxide Adduct of the Fatty Acid Ester (For example, polyoxyethylene glycerin fatty acid ester, polyoxyethylene sucrose fatty acid ester, polyoxyethylene sorbitan aliphatic ester (trade name Tween), etc.)] and the like. As the dispersant, a graft polymer, a block polymer, or a macromer in which an anchor group and a dispersion stabilizing group are separated may be used. These nonionic surfactants can be used alone or in combination of two or more.
[0033]
When a nonionic surfactant having an unsaturated bond (for example, vinyl, isopropenyl, (meth) acryloyl, etc.) is used, the nonionic surfactant adsorbed on the inorganic or organic particle surface and the vinyl monomer can be polymerized.
[0034]
Preferred nonionic surfactants include polyoxyethylene alkyl ethers [for example, polyoxyethylene lauryl ether (manufactured by Kao Corporation, Emulgen 108, cloud point 40 ° C.), polyoxyethylene stearyl ether (manufactured by Kao Corporation), Emulgen 409P, cloud point 55 ° C) and other polyoxyethylene C6-20Alkyl ether], polyoxyethylene alkyl phenyl ether [for example, polyoxyethylene octyl phenyl ether, polyoxyethylene lauryl phenyl ether, polyoxyethylene nonyl phenyl ether (manufactured by Kao Corporation, Emulgen 909, cloud point 40 ° C.), etc. Polyoxyethylene C6-20Alkylphenyl ether, etc.], polyoxyethylene sucrose C12-20Fatty acid ester, polyoxyethylene sorbitan C12-20Fatty acid ester, polyoxyalkylene block copolymer [for example, polyoxyethylene-polyoxypropylene block copolymer (Asahi Denka Kogyo Co., Ltd., Pluronic L61, cloud point 24 ° C., pluronic L-64, cloud point 58 ° C. ), Etc.], polyoxyethylene C having at least one ethylenically unsaturated group (polymerizable unsaturated group) such as an allyl group6-20Alkyl phenyl ethers [for example, 1-allyloxymethyl-2-nonylphenyloxyethanol ethylene oxide adduct (manufactured by Asahi Denka Kogyo Co., Ltd., NE-10, cloud point 40 ° C.) and the like] and the like are included.
[0035]
The hydrophilic-lipophilic balance (HLB) of the nonionic surfactant can be selected within a wide range, and is, for example, 1 to 30, preferably 3 to 25, and more preferably about 5 to 20.
[0036]
The amount of the nonionic surfactant used is 0.1 to 20 parts by weight, preferably 0.5 to 15 parts by weight, and more preferably 1 to 10 parts by weight in terms of solid content with respect to 100 parts by weight of the vinyl polymer described below. About parts by weight.
The nonionic surfactant may be referred to as a first nonionic surfactant.
[0037]
[Vinyl polymer]
The vinyl polymer can be formed of a conventional polymerizable monomer, and may be a homopolymer or a copolymer. The monomer that forms the vinyl polymer (vinyl monomer) includes at least one radically polymerizable monomer having an ethylenically unsaturated group, such as a (meth) acrylic monomer, an aromatic vinyl-based monomer. Monomers, vinyl ester monomers and the like are included. These monomers can be used alone or in combination of two or more.
[0038]
Examples of vinyl monomers include (meth) acrylic acid alkyl esters [methyl (meth) acrylate, ethyl (meth) acrylate, n- or i-propyl (meth) acrylate, 2-methyl-2-nitropropyl ( (Meth) acrylate, n-, i-, s- or t-butyl (meth) acrylate, n- or t-pentyl (meth) acrylate, 3-pentyl (meth) acrylate, 2,2-dimethylbutyl (meth) acrylate , N-hexyl (meth) acrylate, cetyl (meth) acrylate, n-octyl (meth) acrylate, 2-ethylhexyl (meth) acrylate, 4-methyl-2-propylpentyl (meth) acrylate, n-octadecyl (meth) (Meth) acrylic acid C such as acrylate1-20Alkyl esters], cycloalkyl (meth) acrylate [cyclohexyl (meth) acrylate, cyclopentyl (meth) acrylate, etc.], aralkyl (meth) acrylate [benzyl (meth) acrylate, etc.], polycyclic (meth) acrylate [2- Isobornyl (meth) acrylate, 2-norbornylmethyl (meth) acrylate, 5-norbornen-2-yl-methyl (meth) acrylate, 3-methyl-2-norbornylmethyl (meth) acrylate, etc.], hydroxyl group Containing (meth) acrylic acid esters [hydroxyethyl (meth) acrylate, 2-hydroxypropyl (meth) acrylate, 2,3-dihydroxypropylmethyl-butyl (meth) methacrylate, etc.], alkoxy group or phenoxy group (Meth) acrylic acid esters [2-methoxyethyl (meth) acrylate, 2-ethoxyethyl (meth) acrylate, 2-methoxymethoxyethyl (meth) acrylate, 3-methoxybutyl (meth) acrylate, ethyl carbitol (meth) Acrylate, phenoxyethyl (meth) acrylate, etc.], epoxy group-containing (meth) acrylates [such as glycidyl (meth) acrylate], halogen-containing (meth) acrylates [2,2,2-trifluoroethyl ( (Meth) acrylate, 2,2,2-trifluoroethylethyl (meth) acrylate, tetrafluoropropyl (meth) acrylate, hexafluoropropyl (meth) acrylate, octafluoropentyl (meth) acrylate, heptadecafluoro Sil (meth) acrylate, etc.], (meth) acrylamides [e.g., (meth) acrylamide, N-methyl (meth) acrylamide, Nn-butyl (meth) acrylamide, Ni-propyl (meth) acrylamide, N -T-butyl (meth) acrylamide, N, N-dimethyl (meth) acrylamide, 2- (meth) acrylamide-2-methylpropanesulfonic acid, (meth) acrylamidepropyltrimethylammonium chloride, diacetone (meth) acrylamide, (meta ) Acryloylmorpholine, N-methylol (meth) acrylamide, etc.], alkylaminoalkyl (meth) acrylate [dimethylaminoethyl (meth) acrylate, etc.], vinyl cyanides [(meth) acrylonitrile, etc.], vinyl ester (For example, vinyl acetate), aromatic vinyl compounds (for example, styrene, p-chlorostyrene, t-butylstyrene, α-methylstyrene, sodium styrenesulfonate), carboxyl group-containing monomers or salts thereof [(Meth) acrylic acid, itaconic acid, maleic acid, fumaric acid or salts thereof], sulfonic acid group-containing monomer or salt thereof [vinyl sulfonic acid, sodium vinyl sulfonate, sodium allyl sulfonate, methallyl sulfonic acid Sodium, etc.], unsaturated polyvalent carboxylic acid derivatives (esters such as dimethyl maleate, dibutyl maleate, diethyl fumarate, N-substituted maleimides such as N-phenylmaleimide), N-vinyl polyvalent carboxylic acid imide [ N-vinylsuccinimide etc.], dienes (for example, butadiene, Clopentadiene, isoprene), heterocyclic vinyl monomers (N-vinylpyrrolidone, N-vinyloxazolidone, 1-vinylimidazole, 4-vinylpyridine, etc.), N-vinylamides (N-vinylformamide, N-vinyl- N-methylformamide, N-vinylacetamide, N-vinyl-N-methylacetamide, etc.), halogen-containing vinyl monomers (vinyl chloride, bilidene chloride, etc.), vinyl alkyl ethers (eg, methyl vinyl ether, etc.), olefins (Ethylene, propylene, 1-butene, isobutene, etc.) and the like. These vinyl monomers can be used alone or in combination of two or more.
[0039]
Preferred vinyl monomers include (meth) acrylic monomers, aromatic vinyl monomers, vinyl ester monomers, and the like. In particular, at least (meth) acrylic monomers are often used.
[0040]
The vinyl monomer may be used in combination with a polyfunctional vinyl monomer having two or more unsaturated groups. Examples of the polyfunctional vinyl monomer include divinylbenzene, 4,4′-isopropylidene diphenylene di (meth) acrylate, 1,3-butylene di (meth) acrylate, 1,4-cyclohexylenedimethylene (meta ) Acrylate, ethylene glycol di (meth) acrylate, diethylene glycol di (meth) acrylate, triethylene glycol di (meth) acrylate, tetraethylene glycol di (meth) acrylate, tetramethylene di (meth) acrylate, diisopropylidene glycol di ( (Meth) acrylate, divinyloxymethane, ethylidene di (meth) acrylate, allyl (meth) acrylate, 1,6-di (meth) acrylamide hexane, N, N′-methylenebis (meth) acrylamide, N, N- ( , 2-dihydroxy) ethylenebis (meth) acrylamide, 2,2-dimethyl-1,3-trimethylene di (meth) acrylate, phenylethylene di (meth) acrylate, 2,2,2-trichloroethylidene di (meth) acrylate, Pentaerythritol tri (meth) acrylate, trimethylolpropane tri (meth) acrylate, tetramethylolmethane tetra (meth) acrylate, 1,3,5-tri (meth) acryloylhexahydro-s-triazine, bis (meth) acrylamide acetic acid Ethylidine tri (meth) methacrylate, propyridine tri (meth) acrylate, vinylallyloxyacetate and the like. These polyfunctional vinyl monomers can also be used alone or in combination. Of these polyfunctional vinyl monomers, divinylbenzene and a monomer having two or more (meth) acryloyl groups (such as ethylene glycol di (meth) acrylate) are generally used.
[0041]
In the dispersion system, it is preferable that the nonionic surfactant is adsorbed on the surface of the inorganic or organic particles during the polymerization of the vinyl monomer. Accordingly, the polymerization temperature of the vinyl monomer is preferably a temperature exceeding the cloud point of the nonionic surfactant, for example, 20 to 110 ° C., preferably 30 to 100 ° C., more preferably 60 to 100 ° C., particularly It is about 70-90 degreeC.
[0042]
The vinyl monomer can be selected according to the properties required for the coating film (film forming property, glass transition temperature, etc.), and usually has a glass transition temperature of −30 ° C. to 80 ° C., preferably −20 ° C. to A vinyl polymer is formed at 50 ° C., particularly about 0 to 50 ° C. Moreover, in order to comprise a bridge | crosslinking system, you may use the vinyl monomer which has reactive groups, such as a hydroxyl group, a carboxyl group, an acid anhydride group, and a glycidyl group.
[0043]
The ratio between the vinyl polymer and the inorganic or organic particles can be selected according to the film-forming properties, for example, 3 to 500 parts by weight, preferably 10 to 300 parts by weight of the inorganic or organic particles with respect to 100 parts by weight of the vinyl polymer. Part by weight, more preferably about 20 to 200 parts by weight (for example, 30 to 200 parts by weight).
[0044]
[Aqueous dispersion]
The average particle size of the composite particles composed of such components varies depending on the size of the core inorganic or organic particles, but is, for example, 10 μm or less (for example, 10 nm to 10 μm), preferably 50 nm to 5 μm (for example, 80 nm to 5 μm), more preferably about 0.1 to 1 μm. If the average particle diameter is in the above range, the dispersion stability of the composite particles is high. When the inorganic or organic particles are colloidal silica, the average particle size of the composite particles is 10 to 500 nm, preferably 20 to 300 nm (for example, 20 to 250 nm), particularly about 30 to 200 nm. In the case of carbon black, the average particle size is about 10 nm to 1 μm, preferably about 30 nm to 0.5 μm, and more preferably about 50 nm to 0.3 μm.
[0045]
The proportion of each component is, for example, about 0.1 to 20 parts by weight (for example, 0.5 to 10 parts by weight) of a nonionic surfactant and 3 to 500 parts by weight of inorganic or organic particles with respect to 100 parts by weight of the vinyl polymer. Part (for example, 100 to 500 parts by weight).
[0046]
In the aqueous dispersion, it is not necessary that all of the dispersed particles are the core-shell composite particles, but a mixture of the core-shell composite particles and at least one kind of particles selected from vinyl polymer particles and inorganic or organic particles. There may be. In a preferred aqueous dispersion, 80% by weight or more of the particles are composed of composite particles having a core-shell structure in which inorganic or organic particles are the core and vinyl polymer is the shell.
[0047]
[Method for producing aqueous dispersion]
The aqueous dispersion of the present invention contains a vinyl monomer at a temperature above the cloud point in a system in which inorganic or organic particles are dispersed in an aqueous medium in the presence of a nonionic surfactant (first nonionic surfactant). It can be obtained by polymerization. In particular, after mixing the first nonionic surfactant and the inorganic or organic particle dispersion at a temperature lower than the cloud point, the temperature is raised to a temperature equal to or higher than the cloud point, and the first nonionic surface activity on the surface of the inorganic or organic particles. By adsorbing the agent and polymerizing the vinyl monomer, composite particles in which inorganic or organic particles and vinyl polymer are effectively bonded can be obtained.
[0048]
In the dispersion system, as the first nonionic surfactant is adsorbed on the surface of the inorganic or organic particles, or as the polymerization of the vinyl monomer proceeds, the inorganic or organic particles become hydrophobic, and the dispersion stability is reduced to agglomerate. It may gel. Therefore, a second nonionic surfactant may be added to the reaction system in order to disperse and stabilize hydrophobicized inorganic or organic particles in an aqueous medium. The second nonionic surfactant may be added at the beginning of mixing, or may be added at the time of temperature increase, at the beginning of polymerization, or after polymerization. Preferably, the second nonionic surfactant is preferably added after the temperature becomes higher than the cloud point of the first nonionic surfactant.
[0049]
The cloud point of the second nonionic surfactant often exceeds the cloud point of the first nonionic surfactant in order to disperse and stabilize the inorganic or organic particles adsorbed by the first nonionic surfactant. Furthermore, in order to stabilize the inorganic or organic particles in the process of polymerization of the vinyl monomer, it is preferable to have a cloud point that exceeds the polymerization temperature. The second nonionic surfactant is oriented on the surface of the hydrophobic inorganic or organic particles, stabilizes the inorganic or organic particles, and further, together with the first nonionic surfactant, allows the polymerization of the vinyl monomer. provide.
[0050]
The amount of the second nonionic surfactant used is preferably equal to or lower than the critical micelle concentration (CMC) in order to prevent formation of vinyl polymer single particles by forming micelles. In many cases, the amount is 0.01 to 5 parts by weight, preferably 0.1 to 3 parts by weight, and more preferably about 0.1 to 2 parts by weight with respect to 100 parts by weight of the inorganic or organic particles.
[0051]
Moreover, you may use the anionic surfactant generally used for emulsion polymerization for dispersion stabilization. In order to effectively adsorb the first nonionic surfactant on the surface of the inorganic or organic particles, the anionic surfactant is added after the first nonionic surfactant is adsorbed on the surface of the inorganic or organic particles. Is preferred. For example, the anionic surfactant may be added after the nonionic surfactant is uniformly adsorbed on the inorganic or organic particles, or after the vinyl monomer is polymerized to form stabilized seed-like composite particles. . As described above, since inorganic or organic particles are usually negatively charged in an aqueous medium, the adsorption efficiency with an anionic surfactant is expected to be low, but anionic surface activity having a negative charge is expected. The agent may form micelles alone with respect to negatively charged inorganic or organic particles. Therefore, when an anionic surfactant is added at the initial stage of mixing, a large number of polymer single particles may be generated.
[0052]
In the present invention, the vinyl monomer can be polymerized by various methods that can be polymerized in the dispersion. A preferred polymerization method is an emulsion polymerization method in which a vinyl monomer is polymerized in an aqueous medium (particularly water). In the emulsion polymerization method, a method in which a vinyl monomer is charged into a reaction system continuously or stepwise is preferable. In the presence of a nonionic surfactant, if monomers are charged all together in a system in which inorganic or organic particles are dispersed, the possibility of generating core-shell composite particles may be reduced. This is because the adsorbed nonionic surfactant is dissolved in the monomer oil droplets, and the nonionic surfactant adsorbed on the surface of the inorganic or organic particles is reduced. In addition, after stable particles are generated as seeds, vinyl monomers may be charged all at once. Moreover, when adding a monomer to a reaction system, the composition of a monomer may be the same and may be changed.
[0053]
As the polymerization initiator, a peroxide (for example, hydrogen peroxide), a persulfate (for example, potassium persulfate, ammonium persulfate), an aqueous azo compound or a redox polymerization initiator can be used.
[0054]
In the polymerization of the present invention, a chain transfer agent such as an organic peroxide soluble in a vinyl monomer, an organic azo compound, a halogenated hydrocarbon (such as carbon tetrachloride), a mercaptan is used for adjusting the molecular weight of the polymer. And thiols may be used. The amount of chain transfer agent used is, for example, 5% by weight or less based on the vinyl monomer.
[0055]
If necessary, in order to increase the dispersion stability of inorganic or organic particles, a pH adjuster (for example, acid (sulfuric acid, hydrochloric acid, etc.), ammonia, amine, etc.) is added to the aqueous dispersion after the polymerization process or reaction. It may be added. The pH of the polymerization system or aqueous dispersion may be adjusted to, for example, about pH 7-9 (for example, 7.5-8.5).
[0056]
In the present invention, the ratio of the core-shell composite particles / vinyl polymer particles / inorganic or organic particles can be arbitrarily adjusted by adjusting the cloud point, critical micelle concentration (CMC), or amount used of the nonionic surfactant in combination. You can control.
[0057]
That is, in a system in which inorganic or organic particles are dispersed in an aqueous medium, when a vinyl monomer is polymerized at a temperature equal to or higher than the cloud point of the nonionic surfactant, an aqueous dispersion mainly comprising at least core-shell composite particles. You can get a body. Furthermore, when the vinyl monomer is polymerized at a nonionic surfactant concentration less than the critical micelle concentration (CMC) (a), the nonionic surfactant can be effectively adsorbed on the inorganic or organic particles, and the core-shell structure The composite particles can be obtained. On the other hand, when the nonionic surfactant concentration is equal to or higher than the critical micelle concentration (b), micelles may be formed as a polymerization site for vinyl monomers to form vinyl polymer particles.
[0058]
Further, when the amount of the nonionic surfactant used is less than the saturated adsorption amount for the inorganic or organic particles (1), normal inorganic or organic particles are produced, and if the saturated adsorption amount is equal to or greater than the saturated adsorption amount (2), at least the core -An aqueous dispersion mainly composed of composite particles having a shell structure can be obtained.
[0059]
As described above, in the present invention that polymerizes at a temperature higher than the cloud point of the nonionic surfactant, by adjusting the type and concentration of the nonionic surfactant, core-shell composite particles / vinyl polymer particles / inorganic or organic The proportion of particles can be controlled. More specifically, it is as follows.
[0060]
(A-1) When the concentration of the nonionic surfactant is less than the critical micelle concentration (CMC) and less than the saturated adsorption amount with respect to the inorganic or organic particles, the composite particles / inorganic or organic particles having a core-shell structure An aqueous dispersion composed of a mixture is obtained.
[0061]
(A-2) When the concentration of the nonionic surfactant is less than the critical micelle concentration and is equal to or greater than the saturated adsorption amount with respect to the inorganic or organic particles, an aqueous dispersion mainly composed of the core-shell composite particles is obtained. Can do.
[0062]
When the concentration of (b-1) nonionic surfactant is not less than the critical micelle concentration and less than the saturated adsorption amount for inorganic or organic particles, the composite particles / vinyl polymer particles / inorganic or organic particles are used. An aqueous dispersion composed of a component system can be obtained.
[0063]
Furthermore, when the concentration of (b-2) nonionic surfactant is not less than the critical micelle concentration and not less than the saturated adsorption amount for inorganic or organic particles, an aqueous dispersion composed of a mixture of composite particles / vinyl polymer particles You can get a body.
[0064]
In the present specification, the critical micelle concentration (CMC) means a concentration at which micelles are generated in the aqueous phase when a nonionic surfactant is added in the presence of inorganic or organic particles. This critical micelle concentration varies depending on the content of inorganic or organic particles, electrolyte concentration, etc., but from the relationship between the surfactant concentration and the surface tension, an indicator of the apparent critical micelle concentration that makes the surface tension minimum It can be. For example, the presence of these components increases the critical micelle concentration of the nonionic surfactant as compared to when no inorganic or organic particles or electrolyte are present. The saturated adsorption amount can be measured in advance by a conventional method. In the case of inorganic or organic particles having an average particle diameter of 50 nm or less, the amount may be about 0.5 to 5 parts by weight (for example, 1 to 2 parts by weight) with respect to 100 parts by weight of inorganic or organic particles in terms of solid content. Many.
[0065]
The solid content concentration of the aqueous dispersion can be selected according to the use and the like, and is, for example, about 10 to 60% by weight, preferably about 30 to 55% by weight, and particularly about 45 to 55% by weight.
[0066]
The aqueous dispersion obtained by such a method can form a coating film excellent in high film forming property, stain resistance, heat resistance, etc. even if the content of inorganic or organic particles is 50% by weight. Further, the ratio of the core-shell composite particles / vinyl polymer particles / inorganic or organic particles can be controlled, and a highly glossy coating film or matte coating film can be formed. Therefore, the composition composed of the aqueous dispersion of the present invention is useful as a film molding material (coating agent), particularly as a coating composition. In the aqueous dispersion, when the ratio of the composite particles to the inorganic or organic particles is changed in a range of composite particles / inorganic or organic particles = 100/0 to 50/50 (weight ratio in terms of solid content), Gloss (gloss) at an incident angle of 60 ° can be adjusted in the range of about 85 to 3 without using a delustering agent such as silica.
[0067]
In the coating composition (aqueous coating composition) of the present invention, various components commonly used in aqueous coatings, such as dispersants, wetting agents, thickeners, plasticizers, surface conditioners, antifoaming agents, viscosity adjustments. Agents, flame retardants, antistatic agents, water-soluble organic solvents, etc. can be used. If necessary, the coating composition may contain a pigment. As the above-mentioned pigments, the above-mentioned inorganic or organic pigments (for example, colored pigments such as titanium dioxide and phthalocyanine blue, extender pigments such as calcium carbonate and barium sulfate) may be used, and brightness such as aluminum powder and mica flakes may be used. An agent or the like may be used. The pigment weight concentration (PWC) in the coating composition is usually about 1 to 70% by weight, preferably about 10 to 65% by weight, and more preferably about 20 to 60% by weight in terms of solid content. When the solid content concentration is less than 1% by weight, the concealability is lowered, and when it exceeds 70% by weight, the gloss of the coating film is lowered, the viscosity is increased, and the water resistance and mechanical strength are liable to be lowered.
[0068]
Among the coating compositions, the coating composition containing composite particles (also functioning as a binder) as the main component (80% by weight or more) is composed of inorganic or organic particles 3 to 500 with respect to 100 parts by weight of the vinyl monomer. It has a high film-forming property in a wide range of about parts by weight (preferably 50 to 500 parts by weight, more preferably 100 to 500 parts by weight), and has excellent stain resistance and flame retardancy. In particular, a coating composition having a high content of inorganic or organic particles can exhibit high flame retardancy without using a flame retardant.
[0069]
If necessary, a water-soluble or water-dispersible binder resin, a crosslinking agent, a curing agent, a crosslinking or curing aid, and the like may be added to the coating composition of the present invention. When the coating composition of the present invention is applied to a substrate by a conventional method and dried or cured, a highly durable coating film can be formed.
[0070]
【The invention's effect】
In the present invention, since the aqueous dispersion contains the composite particles (particularly core-shell composite particles having inorganic or organic particles as the core and organic polymer as the shell), the dispersion stability and storage stability are high, and the solid content concentration Even if the film thickness is high, the film forming property can be improved. In addition, an aqueous dispersion having excellent advantageous properties economically can be obtained without using a special silane compound.
[0071]
In the coating composition of the present invention, the film-forming property and the stain resistance and weather resistance, which could not be achieved as conventional water-based paints, can be maintained at a high level, and the coating film having high water resistance, weather resistance and high durability can be obtained. Can be formed. In addition, a composition having a high composition ratio of inorganic or organic particles can greatly improve heat resistance and flame retardancy while maintaining high film formability. Furthermore, the production amount of vinyl polymer particles and the surface coverage of inorganic or organic particles can be controlled, and the composition ratio of composite particles / vinyl polymer particles / inorganic or organic particles can be adjusted. Therefore, the gloss of the coating film can be adjusted without using a matting agent.
[0072]
【Example】
Hereinafter, the present invention will be described in more detail based on synthesis examples, examples, and comparative examples, but the present invention is not limited to these examples.
[0073]
Synthesis example 1
To a 1000 mL glass four-necked flask equipped with a stirrer, thermometer, dropping funnel and reflux condenser, distilled water 100 g and colloidal silica (Asahi Denka Kogyo Co., Ltd., Adelite AT-50, solid content 50 weight) %, Average particle diameter 20-30 nm) 200 g was added, and the first nonionic surfactant (Asahi Denka Kogyo Co., Ltd., NE-10, cloud point 40 ° C., reactivity) 3.0 g was stirred under a nitrogen stream. While adding. 2N-H2SOFourAfter adjusting the pH to 8 to 8.5, the temperature was raised to 70 ° C. 0.6 g of ammonium persulfate was added, and 5 g of vinyl monomer of methyl methacrylate (MMA) / n-butyl acrylate (n-BA) / methacrylic acid (MAA) = 49/50/1 (weight ratio) was added. Added dropwise for 60 minutes and left for 60 minutes. Furthermore, 2.1 g of a second nonionic surfactant (manufactured by Kao Corporation, Emulgen 840S, solid content 70% by weight, cloud point of 100 ° C. or higher) was added, and MMA / n-BA / MAA = 49 at a temperature of 70 ° C. 95 g of vinyl monomer of / 50/1 (weight ratio) was added dropwise over 4 hours. The reaction temperature was maintained at 70 ° C, and after completion of the dropwise addition, the reaction was further maintained at 70 ° C for 1 hour and stirring was continued. Thereafter, the mixture was cooled and adjusted to pH 8.5 with 25 wt% aqueous ammonia to obtain 402 g of a composite fine particle dispersion (yield 98%, solid content 50 wt%, average particle diameter 81 nm).
[0074]
Synthesis example 2
To a 1000 mL glass four-necked flask equipped with a stirrer, thermometer, dropping funnel and reflux condenser, 100 g of distilled water and colloidal silica (manufactured by Nissan Chemical Co., Ltd., Snowtex 50, solid content 50% by weight, 300 g of an average particle size of 20 to 30 nm), a first nonionic surfactant (manufactured by Asahi Denka Kogyo Co., Ltd., NE-10, cloud point 40 ° C., reactivity) under a nitrogen stream, a second surfactant (Kao Co., Ltd., Emulgen 840S, solid content 70 wt%, cloud point of 100 ° C. or higher) was added with stirring 4.5 g and 2.5 g, respectively. 2N-H2SOFourAfter adjusting the pH to 8 to 8.5, the temperature was raised to 70 ° C. 0.6 g of ammonium persulfate was added, and 10 g of vinyl monomer of MMA / n-BA / styrene (St) / MAA = 29/50/20/1 (weight ratio) was added dropwise for 10 minutes and left for 60 minutes. did. Then, after adding 2.0 g of an anionic surfactant (Eoal 20C, solid content 25 wt%, manufactured by Kao Corporation), MMA / n-BA / St / MAA = 29/50/20/1 (weight ratio) ) Was added dropwise at 70 ° C. over 4 hours. The reaction temperature was maintained at 70 ° C, and after completion of the dropwise addition, the mixture was further maintained at 70 ° C for 1 hour and stirring was continued. Thereafter, the mixture was cooled and adjusted to pH 8.5 with 25% by weight aqueous ammonia to obtain 501 g of a composite fine particle dispersion (yield 98%, solid content 50% by weight, average particle size 66 nm).
[0075]
Synthesis Example 3 [Composite particle / polymer particle]
In a 1000 mL glass four-necked flask equipped with a stirrer, thermometer, dropping funnel and reflux condenser, distilled water 100 g, colloidal silica (Asahi Denka Kogyo Co., Ltd., Adelite AT-50, solid content 50 weight) %, Average particle diameter 20-30 nm) 200 g, under a nitrogen stream, the first nonionic surfactant (Asahi Denka Kogyo Co., Ltd., Pluronic L-64, cloud point 58 ° C.), the second surfactant (Kao Co., Ltd., Emulgen 840S, solid content 70% by weight, cloud point of 100 ° C. or higher) were added with stirring at 3.0 g and 6.2 g, respectively. 2N-H2SOFourAfter adjusting the pH to 8 to 8.5, the temperature was raised to 70 ° C. 0.6 g of ammonium persulfate was added, and 10 g of vinyl monomer of MMA / n-BA / MAA = 49/50/1 (weight ratio) was added dropwise for 10 minutes and left for 60 minutes. Then, after adding 2.0 g of an anionic surfactant (Eoal 20C, solid content 25% by weight, manufactured by Kao Corporation), vinyl unit of MMA / n-BA / MAA = 49/50/1 (weight ratio) 90 g of the monomer was added dropwise at 70 ° C. over 4 hours. The reaction temperature was maintained at 70 ° C., and after completion of the dropwise addition, the mixture was further maintained at 70 ° C. for 1 hour and stirring was continued. Thereafter, the mixture was cooled and adjusted to pH 8.5 with 25% by weight aqueous ammonia to obtain 400 g of an aqueous dispersion (yield 98%, solid content 50% by weight, average particle diameter 69 nm).
[0076]
Synthesis Example 4 [Composite Particle / Colloidal Silica Particle]
In a 1000 mL glass four-necked flask equipped with a stirrer, thermometer, dropping funnel and reflux condenser, 100 g of distilled water, colloidal silica (Nissan Chemical Co., Ltd., Snowtex 50, solid content 50% by weight, 200 g of an average particle diameter of 20 to 30 nm) was added, and 0.8 g of a nonionic surfactant (Asahi Denka Kogyo Co., Ltd., Pluronic L-61, cloud point 24 ° C.) was added under stirring in a nitrogen stream. 2N-H2SOFourAfter adjusting the pH to 8 to 8.5, the temperature was raised to 70 ° C. 0.6 g of ammonium persulfate was added, and 10 g of vinyl monomer of MMA / n-BA / 2-ethylhexyl acrylate (2-EHA) / MAA = 49/20/30/1 (weight ratio) was added dropwise for 10 minutes. And left for 60 minutes. Thereafter, 1.5 g of an anionic surfactant (Kao Co., Ltd., Emar 20C, solid content 25% by weight) was added, and at a temperature of 70 ° C., MMA / n-BA / 2-EHA / MAA = 49/20 / 90 g of 30/1 (weight ratio) vinyl monomer was added dropwise over 4 hours. The reaction temperature was maintained at 70 ° C, and after completion of the dropwise addition, the reaction was further maintained at 70 ° C for 1 hour and stirring was continued. Thereafter, the mixture was cooled and adjusted to pH 8.5 with 25 wt% aqueous ammonia to obtain 399 g of an aqueous dispersion (yield 98%, solid content 50 wt%, average particle diameter 90 nm).
[0077]
Synthesis Example 5 [Composite particle / polymer particle / colloidal silica particle]
In a 1000 mL glass four-necked flask equipped with a stirrer, thermometer, dropping funnel and reflux condenser, distilled water 5.0 g, colloidal silica (Nissan Chemical Co., Ltd., Snowtex 40, solid content 40 weight) %, Average particle size 10 to 20 nm) 250 g, and under a nitrogen stream, the first nonionic surfactant (Asahi Denka Kogyo Co., Ltd., NE-10, cloud point 40 ° C., reactivity), second nonionic Surfactants (manufactured by Kao Corporation, Emulgen 840S, cloud point of 100 ° C. or higher, solid content of 70% by weight) were added with stirring at 0.8 g and 6.2 g, respectively. 2N-H2SOFourAfter adjusting the pH to 8 to 8.5, the temperature was raised to 70 ° C. 0.6 g of ammonium persulfate was added, and 5 g of vinyl monomer of MMA / n-BA / St / MAA = 29/50/20/1 (weight ratio) was added dropwise over 10 minutes and left for 60 minutes. . Thereafter, 1.5 g of an anionic surfactant (Eoal 20C, solid content 25% by weight, manufactured by Kao Corporation) was added, and then MMA / n-BA / St / MAA = 29/50/20/1 (weight ratio) ) Was added dropwise at 70 ° C. over 4 hours. The reaction temperature was maintained at 70 ° C, and after completion of the dropwise addition, the reaction was further maintained at 70 ° C for 1 hour and stirring was continued. Thereafter, the mixture was cooled and adjusted to pH 8.5 with 25 wt% aqueous ammonia to obtain 399 g of an aqueous dispersion (yield 98%, solid content 50 wt%, average particle diameter 82 nm).
[0078]
Synthesis Examples 6-8
Using the components shown in Table 1, an aqueous dispersion was obtained in the same manner as in the above synthesis example.
[0079]
Synthesis Example 9
In a 500 mL steel beaker, 240 g of distilled water, the first nonionic surfactant (manufactured by Asahi Denka Kogyo Co., Ltd., NE-10, cloud point 40 ° C., reactivity), the second nonionic surfactant (Kao Corporation ), Emulgen 840S, solid content 70% by weight, cloud point 100 ° C. or higher) 2.4 g and 1.2 g, respectively, and 0.24 g of an antifoaming agent (San Nopco, Nopco 8034) are added, While stirring at 1000 rpm, 240 g of titanium dioxide (manufactured by Teika Co., Ltd., JR-603) was gradually added, and stirring was performed at 3000 rpm for 15 minutes using a disper to obtain a white mill base.
[0080]
403.2 g of this white mill base was placed in a 1000 mL four-necked flask equipped with a stirrer, thermometer, dropping funnel and reflux condenser, and further 50 g of distilled water was added, and the temperature was raised to 70 ° C. under a nitrogen stream. . 0.3 g of ammonium persulfate was added, and 5 g of vinyl monomer of MMA / n-BA / MAA = 49/50/1 (weight ratio) was added dropwise over 10 minutes and left for 60 minutes. Then, after adding 0.4 g of an anionic surfactant (Eoal 20C, solid content 25% by weight, manufactured by Kao Corporation), MMA / n-BA / MAA = 49/50/1 (weight ratio) vinyl unit 95 g of the monomer was added dropwise at 70 ° C. over 4 hours. After completion of dropping, the mixture was further maintained at 70 ° C. for 1 hour, and stirring was continued. Thereafter, the mixture was cooled and adjusted to pH 8.5 with 25 wt% aqueous ammonia to obtain 500 g of an aqueous dispersion (yield 99%, solid content 50 wt%, average particle diameter 305 nm).
[0081]
Synthesis Example 10
Using the components shown in Table 1, an aqueous dispersion was obtained in the same manner as in the above synthesis example.
[0082]
Synthesis Example 11
In a 500 mL steel beaker, 180 g of distilled water, the first nonionic surfactant (manufactured by Asahi Denka Kogyo Co., Ltd., NE-10, cloud point 40 ° C., reactivity), the second nonionic surfactant (Kao Corporation ), Emulgen 840S, solid content 70% by weight, cloud point 100 ° C. or more) are added with 5.0 g and 2.5 g, respectively, wetting agent (manufactured by San Nopco Co., Ltd., Modicol L, nonionic activator, solid content 100). (Weight%) 3.0 g, defoaming agent (manufactured by San Nopco Co., Ltd., Nopco 8034) 0.3 g, and stirring at 1000 rpm, quinacridone red (Daiichi Seika Kogyo Co., Ltd., Chromofine Red 6820) 120 g While gradually adding 200 g, 200 g of glass beads were further added, and the mixture was stirred with a disper at 3000 rpm for 15 minutes.
[0083]
207.2 g of the mixture obtained above was put into a 1000 mL glass four-necked flask equipped with a stirrer, a thermometer, a dropping funnel and a reflux condenser, and further 100 g of distilled water was added, and 70 ° C. under a nitrogen stream. The temperature was raised to. 0.3 g of ammonium persulfate was added, and 5 g of vinyl monomer of MMA / n-BA / MAA = 49/50/1 (weight ratio) was added dropwise over 10 minutes and left for 60 minutes. Then, after adding 0.4 g of an anionic surfactant (Eoal 20C, solid content 25% by weight, manufactured by Kao Corporation), MMA / n-BA / MAA = 49/50/1 (weight ratio) vinyl unit 95 g of the monomer was added dropwise at 70 ° C. over 4 hours. After completion of dropping, the mixture was further maintained at 70 ° C. for 1 hour, and stirring was continued. Thereafter, the mixture was cooled and adjusted to pH 8.5 with 25 wt% aqueous ammonia to obtain 403 g of an aqueous dispersion (yield 99%, solid content 45 wt%, average particle size 283 nm).
[0084]
Comparative Synthesis Example 1
Colloidal silica (manufactured by Nissan Chemical Co., Ltd., Snowtex 50, solid content 50% by weight, average particle size 20 to 20 ml) in a 1000 mL glass four-necked flask equipped with a stirrer, thermometer, reflux condenser, and dropping funnel (30 nm) 200 g, under a nitrogen stream, 25 g of a nonionic surfactant (manufactured by Kao Corporation, Emulgen 840S, solid content 70 wt%, cloud point 100 ° C. or higher) was added with stirring. 2N-H2SOFourAfter adjusting the pH to 8 to 8.5, the temperature was raised to 70 ° C. 0.6 g of ammonium persulfate was added, and 5 g of vinyl monomer of MMA / n-BA / MAA = 49/50/1 (weight ratio) was added dropwise for 10 minutes and then dropwise for 60 minutes. Thereafter, 2.0 g of an anionic surfactant (Eoal 20C, solid content 25% by weight, manufactured by Kao Corporation) was added, and vinyl monomer of MMA / n-BA / MAA = 49/50/1 (weight ratio). 95 g was added dropwise over 4 hours. The reaction temperature was maintained at 70 ° C., and after completion of the dropwise addition, the mixture was further maintained at 70 ° C. for 1 hour and stirring was continued. Thereafter, the mixture was cooled and adjusted to pH 8.5 with 25 wt% aqueous ammonia to obtain 400 g of an aqueous dispersion (yield 98%, solid content 50 wt%, average particle diameter 98 nm).
[0085]
Comparative Synthesis Example 2
Colloidal silica (Nissan Chemical Co., Ltd., Snowtex 40, solid content 40% by weight, average particle size 20 to 20 ml) in a 1000 mL glass four-necked flask equipped with a stirrer, thermometer, dropping funnel and reflux condenser. 30Ng) 250g, anionic surfactant (Kao Co., Ltd., Emar 20C, solid content 25% by weight) 16g, distilled water 135g, 2N-H2SOFourTo pH 7.5 and stirred. After raising the temperature to 60 ° C. under a nitrogen stream, 10 g of 3-methacryloyloxypropyltrimethoxysilane was added and stirred for 4 hours. Thereafter, 0.5 g of ammonium persulfate and 0.2 g of sodium sulfite were added, and 100 g of vinyl monomer of MMA / n-BA / MAA = 49/50/1 (weight ratio) was added dropwise over 4 hours. The reaction temperature during the dropwise addition was maintained at 65 ° C., and stirring was continued for 1 hour after the completion of the dropwise addition. Thereafter, the mixture was cooled and adjusted to pH 8.5 with 25 wt% aqueous ammonia to obtain 500 g of a composite fine particle dispersion (yield 98%, solid content 40 wt%, average particle diameter 51 nm).
[0086]
Comparative Synthesis Example 3
A 1000 mL glass four-necked flask equipped with a stirrer, thermometer, dropping funnel, reflux condenser, 12 g of anionic surfactant (Eoal 20C, solid weight 25% by weight, manufactured by Kao Corporation), colloidal silica (Nissan) Chemical Co., Ltd., Snowtex 30, solid content 30% by weight) 333 g and distilled water 65 g were added and stirred. After raising the temperature to 60 ° C. under a nitrogen stream, 0.5 g of ammonium persulfate and 0.2 g of sodium bisulfite were added, and MMA / n-BA / MAA / γ-methacryloyloxypropyltrimethoxysilane = 49 / 49.5 / 100 g of 1 / 0.5 (weight ratio) vinyl monomer was added dropwise over 3 hours. The reaction temperature during the dropping was kept in the range of 60 to 70 ° C., and the stirring was continued for 2 hours at the same temperature after the dropping. Thereafter, the mixture was cooled and adjusted to pH 8.5 with 25 wt% aqueous ammonia to obtain 508 g of a composite fine particle dispersion (solid content: 39 wt%, average particle diameter: 76 nm).
[0087]
[Ratio of composite particles, polymer particles and colloidal silica particles]
The aqueous dispersions of Synthesis Examples 1 to 5 and Comparative Synthesis Example 3 were analyzed with a transmission electron microscope.
[0088]
First, the aqueous dispersion of the sample was diluted 10 times with distilled water, and the diluted solution was dried on a mesh Cu200A covered with a carbon film using a spatula. The dried film was observed with a transmission electron microscope TEM (manufactured by JEOL Datum, JEM1220). About 200 particles were observed for one sample under the conditions of an acceleration voltage of 100 kv and a magnification of 20,000, and the number ratio of core-shell type composite particles / polymer single particles / colloidal silica particles was calculated.
[0089]
In the aqueous dispersion obtained in Comparative Synthesis Example 3, the number ratio of core-shell type composite particles / polymer single particles / colloidal silica particles was 12/25/63.
[0090]
[Table 1]
Figure 0004046451
[0091]
From Table 1, the aqueous dispersions of Synthesis Examples 1 and 2 were aqueous dispersions composed of core-shell composite particles with few polymer single particles and colloidal silica particles. The aqueous dispersion of Synthesis Example 3 was composed of composite particles having a core-shell structure and polymer single particles. The aqueous dispersion of Synthesis Example 4 was composed of composite particles having a core-shell structure and colloidal silica particles. The aqueous dispersion of Synthesis Example 5 was composed of a three-component system of core-shell structure composite particles / polymer single particles / colloidal silica particles. From these synthesis examples, in the present invention, the three components can be arbitrarily adjusted by adjusting the synthesis conditions and the nonionic surfactant species.
[0092]
[Storage stability]
The aqueous dispersions of Synthesis Examples 1-2 and 10-11 and Comparative Synthesis Example 1 were stored at room temperature for 3 months, and stored at a temperature of 50 ° C. for 10 days to investigate accelerated storage stability. The results are shown in Table 2.
[0093]
[Table 2]
Figure 0004046451
[0094]
The aqueous dispersions of Synthesis Examples 1-2 and 10-11 showed good storage stability with no increase in viscosity and change in appearance even in storage stability at room temperature and accelerated test at 50 ° C. On the other hand, in the comparative synthesis example, the tendency to hate was recognized because of the free silanol compound, and in particular, in the accelerated test at 50 ° C., a marked increase in viscosity was observed.
[0095]
[Coating composition]
Example 1
In a 500 mL steel beaker, 10.8 g of distilled water, thickener (Asahi Denka Kogyo Co., Ltd., UH420, solid content 6% by weight) 5.0 g, dispersant (Kao Co., Ltd., Demol EP) 4 0.0 g, 1.0 g of wetting agent (Kao Co., Ltd., Emulgen L-40) and 0.8 g of antifoaming agent (San Nopco Co., Nopco 8034) were added and stirred at 1000 rpm while titanium dioxide (Taika) 80 g of (manufactured by Co., Ltd., JR-603) was gradually added, and the mixture was stirred at a rotational speed of 3000 rpm for 15 minutes using a disperser. Thereafter, 200 g of the aqueous dispersion (emulsion) of Synthesis Example 1 was gradually added at 1000 rpm, and 60 g of distilled water was further added and stirred for 5 minutes. Next, 12 g of a film-forming auxiliary (produced by Osaka Organic Chemical Industry Co., Ltd., butyl acetate diuxol) was added and stirring was continued for another 5 minutes to obtain a white paint.
[0096]
Examples 2-5
A coating composition was obtained in the same manner as described above at the ratio shown in Table 3.
[0097]
Example 6
While adding 10.8 g of distilled water and 0.4 g of a defoaming agent (San Nopco Co., Ltd., Nopco 8034) to a 500 mL steel beaker and stirring at 1000 rpm, 200 g of the aqueous dispersion (emulsion) of Synthesis Example 10; 160 g of ordinary acrylic emulsion (G-25, 50% by weight, manufactured by Mizutani Paint Co., Ltd.) was added. Subsequently, 60 g of distilled water and 5.0 g of a thickener (manufactured by Asahi Denka Kogyo Co., Ltd., UH420, solid content: 6% by weight) were added and stirred for about 10 minutes. Further, 12 g of a film-forming auxiliary (produced by Osaka Organic Chemical Industry Co., Ltd., butyl acetate diuxol) was added, and stirring was continued for 5 minutes to obtain a white paint.
[0098]
Example 7
Add 10.8 g of distilled water and 0.4 g of defoaming agent (San Nopco, Nopco 8034) to a 500 mL steel beaker and synthesize with 200 g of the aqueous dispersion (emulsion) of Synthesis Example 10 while stirring at 1000 rpm. 180 g of the aqueous dispersion (emulsion) of Example 6 was added. Subsequently, 60 g of distilled water and 5.0 g of a thickener (Asahi Denka Kogyo Co., Ltd. UH420, solid content 6 wt%) were added and stirred for about 10 minutes. Further, 12 g of a film-forming auxiliary (produced by Osaka Organic Chemical Industry Co., Ltd., butyl acetate diuxol) was added, and stirring was continued to obtain a white paint.
[0099]
Comparative Example 1
Instead of 200 g of the aqueous dispersion of Synthesis Example 1, 200 g of an acrylic emulsion (G-25, solid content 50% by weight, manufactured by Mizutani Paint Co., Ltd.) was used to obtain a white paint. That is, in a 500 mL still beaker, 10.8 g of distilled water, 5.0 g of thickener (6 wt%, UH-420), 4.0 g of dispersant (Demol EP), 1.0 g of wetting agent (Emulgen L40), While adding 0.8 g of foaming agent (San Nopco Co., Ltd., Nopco 8034) and stirring at 1000 rpm with a disper, 80 g of titanium dioxide (JR-603) was gradually added. After the rotation speed was set to 3000 rpm, stirring was continued for 15 minutes. Thereafter, the number of revolutions was set to 1000 rpm, and 200 g of an emulsion (G-25, solid content 50% by weight, manufactured by Mizutani Paint) was added. Further, 150 g of colloidal silica (Adelite AT-50) was added, and 60 g of water and 12 g of a film-forming aid (butyl acetate diuxol) were added and stirred for 10 minutes to obtain a white paint.
[0100]
Comparative Example 2
Instead of 200 g of the aqueous dispersion of Synthesis Example 1, 50 g of an acrylic emulsion (G-25, 50 wt%, manufactured by Mizutani Paint) and 150 g of colloidal silica (Adelite AT-50) were used to obtain a white paint. That is, in a 500 mL steel beaker, distilled water 10.8 g, thickener 5.0 g (6 wt%, UH-420), dispersant 4.0 g (Demol EP), wetting agent 1.0 g (Emulgen L40), While adding 0.8 g of foaming agent (San Nopco Co., Ltd., Nopco 8034) and stirring at 1000 rpm with a disper, 80 g of titanium dioxide (JR-603) was gradually added. After the rotation speed was set to 3000 rpm, stirring was continued for 15 minutes. Thereafter, the number of revolutions was set to 1000 rpm, and 50 g of an emulsion (G-25, solid content 50% by weight, manufactured by Mizutani Paint) and 150 g of colloidal silica (Adelite AT-50) were added. Further, 60 g of water and 12 g of a film-forming auxiliary (butyl acetate diexosol) were added and stirred for 10 minutes to obtain a white paint.
[0101]
Comparative Examples 3-5
A coating composition was obtained in the same manner as described above at the ratio shown in Table 3.
Table 3 shows the compositions of the paints of the above examples and comparative examples.
[0102]
Samples were prepared as follows for the paints of Examples and Comparative Examples.
15 parts by weight of water was added to 100 parts by weight of the paint obtained in Examples and Comparative Examples, and after the sample was prepared, the coating amount was 200 g / m on a 70 × 150 m slate plate.2Then, it was painted with a spray gun and left at room temperature for 7 days to form a coating film.
[0103]
An L-shaped stainless steel test panel for contamination was prepared by painting with a spray gun in the same manner as described above and leaving it at room temperature for 7 days. Note that the L-shaped stainless steel panel has a plate perpendicular to the ground (width 20 cm × height 30 cm) and an angle 120 from the upper end of the plate.oIt was comprised with the inclination plate (width 20cm x length 70cm) extended diagonally upward, and the edge part of the inclination plate was supportable.
[0104]
And as follows, when film-forming property, tolerance, alkali resistance, boiling resistance, frost damage resistance, accelerated weather resistance, outdoor exposure test, and stain resistance were evaluated, the results shown in Table 3 were obtained. .
[0105]
[Test method and evaluation method]
(1) Storage stability
100 g of the paint was put in a 200 ml container, stored in a hot air drying oven at 50 ° C. for 10 days, the state of the paint was visually observed, and evaluated according to the following criteria.
[0106]
◎: not thickened at all
○: Slightly thickened
Δ: Thickened but does not cause problems in painting
▲: Thickened significantly, not suitable for painting
X: Gelled state
(2) Gloss and film formability
It apply | coated on the glass plate with the doctor blade (4 mil), it was made to dry at room temperature, the coating film was observed with the microscope, and the following reference | standard evaluated. The gloss of the coating is 60oMeasured as gloss.
[0107]
A: No cracking occurs at temperatures below 5 ° C
○: No cracking
▲: Slightly cracking
X: Remarkably cracked
(3) Adhesion
The cellophane tape peel test was performed with a cross cut width of 2 mm, and the case where the grids were not peeled at all was displayed as 100/100, and the case where all the grids were peeled was displayed as 0/100.
[0108]
(4) Water resistance
It was immersed in water for 20 days, the state of the coating film was visually observed, and evaluated according to the following criteria.
[0109]
A: Remarkably good with no change in coating film
○: Almost no change in coating film, good
△: Level where there is little change in coating film and no problem in practical use
▲: Slightly large change in coating film, causing practical problems
X: The change of the coating film is large and the practicality is poor.
(5) Alkali resistance
The film was immersed in a 30% NaOH aqueous solution for 7 days, the state of the coating film was visually observed, and evaluated according to the same criteria as in (4) above.
[0110]
(6) Frost resistance
The test plate immersed in tap water is subjected to a 50-cycle freezing test in which one cycle is -20 ° C for 16 hours and 20 ° C for 8 hours, and the state of the coating film is visually observed, as in (4) above. Evaluation based on the criteria.
[0111]
(7) Outdoor exposure test
The appearance (gloss, crack, discoloration) of the coating film after 18 months was observed and evaluated according to the same criteria as in (4) above. The gloss gloss retention was also evaluated.
[0112]
(8) Pollution
6 months after coating on the stainless steel plate shown in the figure, it was visually observed by discoloration of the inclined part and the vertical part, and evaluated according to the same criteria as the above (4).
[0113]
(9) Flame resistance
The paint was poured into a mold having a length of 150 mm, a width of 20 mm, and a thickness of 10 mm, and allowed to stand at room temperature for 1 month, and then a test piece having a thickness of 3.0 mm ± 0.5 mm was prepared. This test piece was tested in accordance with JIS K7201, and the flame retardance was evaluated according to the following criteria based on the burning oxygen index value.
[0114]
A: 28 or more
○: 26 or more and less than 28
Δ: 24 or more and less than 26
▲: 20 or more and less than 24
X: Less than 20
[0115]
[Table 3]
Figure 0004046451
[0116]
[Table 4]
Figure 0004046451
[0117]
As shown in Tables 3 and 4, in the paints of Examples 1 to 5, the stain resistance, the outdoor exposure test (weather resistance), the water resistance, etc. are improved by about 1 to 2 ranks compared to Comparative Example 1. ing. Further, as is clear from the comparison between Example 2 and Comparative Example 2, Example 2 can improve the film-forming property, adhesion, resistance, etc., and shows a well-balanced film property. . Furthermore, the gloss of the coating film can be adjusted in a wide range by using an emulsion containing colloidal silica. Furthermore, in Examples 2 and 3 using emulsions with high colloidal silica content (Synthesis Examples 7 and 8), the flame retardancy was relatively evaluated based on the above evaluation criteria. Flame resistance can be imparted without the addition.
[0118]
Moreover, in the coating material of Example 6 using Synthesis Example 10 (using titanium dioxide as fine particles), since titanium dioxide is covered with a polymer, Comparative Example 1 has light resistance, water resistance, alkali resistance, and the like. Compared to other physical properties, it can be improved. Furthermore, the paint of Example 7 using Synthesis Example 10 (using titanium dioxide as the fine particles) and Synthesis Example 6 (using colloidal silica particles as the fine particles) is more pollutant than Example 6. It has been improved.

Claims (16)

無機又は有機粒子が水性媒体中に分散した系で、界面活性剤の存在下、ビニル単量体を重合することにより得られる水性分散体であって、前記界面活性剤が、重合温度以下の温度の曇点を有する第1のノニオン界面活性剤と、重合温度を超える温度の曇点を有する第2のノニオン界面活性剤及びアニオン界面活性剤から選択された少なくとも一種の界面活性剤とで構成され、前記第1のノニオン界面活性剤の曇点以上であって、第2のノニオン界面活性剤を用いる場合には第2のノニオン界面活性剤の曇点未満の温度でビニル単量体を重合することにより得られる分散体であり、直接又はノニオン界面活性剤を介して、無機又は有機粒子表面にビニル重合体が結合して前記無機又は有機粒子をコアとし、前記ビニル重合体をシェルとするコア−シェル構造を有する複合粒子が、水性媒体中に分散している水性分散体。Inorganic or organic particles dispersed in an aqueous medium system, the presence of interfacial active agent, an aqueous dispersion obtained by polymerizing a vinyl-monomer, the surfactant is, the polymerization temperature below A first nonionic surfactant having a cloud point at a temperature of 5%, and at least one surfactant selected from a second nonionic surfactant having a cloud point at a temperature above the polymerization temperature and an anionic surfactant. And when the second nonionic surfactant is used, the vinyl monomer is used at a temperature lower than the cloud point of the second nonionic surfactant. It is a dispersion obtained by polymerization, and the vinyl polymer is bonded to the surface of the inorganic or organic particles directly or via a nonionic surfactant , and the inorganic or organic particles are used as a core, and the vinyl polymer is used as a shell. Core Aqueous dispersions composite particles having a shell structure is dispersed in an aqueous medium. 無機又は有機粒子が、コロイド状シリカ又は顔料である請求項1記載の水性分散体。  The aqueous dispersion according to claim 1, wherein the inorganic or organic particles are colloidal silica or a pigment. 第1のノニオン界面活性剤が、ポリオキシアルキレンエーテル又はその誘導体である請求項1記載の水性分散体。 The aqueous dispersion according to claim 1, wherein the first nonionic surfactant is a polyoxyalkylene ether or a derivative thereof. 第1のノニオン界面活性剤の曇点が、0〜80℃である請求項1又は3記載の水性分散体。 The aqueous dispersion according to claim 1 or 3, wherein the cloud point of the first nonionic surfactant is from 0 to 80 ° C. 第1のノニオン界面活性剤が、少なくとも1つのエチレン性不飽和基を有する請求項1、3又は4記載の水性分散体。 The aqueous dispersion according to claim 1, 3 or 4, wherein the first nonionic surfactant has at least one ethylenically unsaturated group. ビニル重合体が、(メタ)アクリル系単量体、芳香族ビニル系単量体、ビニルエステル系単量体から選択された少なくとも一種の重合体である請求項1記載の水性分散体。  The aqueous dispersion according to claim 1, wherein the vinyl polymer is at least one polymer selected from a (meth) acrylic monomer, an aromatic vinyl monomer, and a vinyl ester monomer. ビニル重合体100重量部に対して、無機又は有機粒子3〜500重量部、第1のノニオン界面活性剤0.1〜20重量部を含む請求項1記載の水性分散体。The aqueous dispersion according to claim 1, comprising 3 to 500 parts by weight of inorganic or organic particles and 0.1 to 20 parts by weight of a first nonionic surfactant with respect to 100 parts by weight of the vinyl polymer. 粒子の80重量%以上が無機又は有機粒子をコアとし、ビニル重合体をシェルとするコア−シェル構造の球状複合粒子である請求項1又は7記載の水性分散体。  The aqueous dispersion according to claim 1 or 7, wherein 80% by weight or more of the particles are spherical composite particles having a core-shell structure having inorganic or organic particles as a core and vinyl polymer as a shell. 複合粒子の平均粒子径が10μm以下である請求項1、2、7又は8記載の水性分散体。The aqueous dispersion according to claim 1, 2, 7, or 8, wherein the composite particles have an average particle size of 10 µm or less. 無機又は有機粒子の平均粒子径が5nm〜1μmであり、複合粒子の平均粒子径が10nm〜5μmである請求項1記載の水性分散体。  The aqueous dispersion according to claim 1, wherein the average particle diameter of the inorganic or organic particles is 5 nm to 1 µm, and the average particle diameter of the composite particles is 10 nm to 5 µm. 無機又は有機粒子が水性媒体中に分散した系で、界面活性剤の存在下、ビニル単量体を重合することにより水性分散体を製造する方法であって、前記界面活性剤を、重合温度以下の温度の曇点を有する第1のノニオン界面活性剤と、重合温度を超える温度の曇点を有する第2のノニオン界面活性剤及びアニオン界面活性剤から選択された少なくとも一種の界面活性剤とで構成し、前記第1のノニオン界面活性剤の曇点以上であって、第2のノニオン界面活性剤を用いる場合には第2のノニオン界面活性剤の曇点未満の温度でビニル単量体を重合し、前記無機又は有機粒子をコアとし、前記ビニル重合体をシェルとするコア−シェル構造を有する複合粒子が水性媒体中に分散した水性分散体の製造方法。Inorganic or system in which organic particles are dispersed in an aqueous medium in the presence of interfacial active agent, a process for producing an aqueous dispersion by polymerizing a vinyl-monomer, the surfactant, the polymerization At least one surfactant selected from a first nonionic surfactant having a cloud point below the temperature, a second nonionic surfactant having a cloud point above the polymerization temperature, and an anionic surfactant And when the second nonionic surfactant is used, the vinyl monomer is used at a temperature lower than the cloud point of the second nonionic surfactant. A method for producing an aqueous dispersion in which composite particles having a core-shell structure in which an inorganic or organic particle is used as a core and the vinyl polymer is used as a shell are dispersed in an aqueous medium . 第1のノニオン界面活性剤の曇点以上の温度に昇温して無機又は有機粒子表面に、第1のノニオン界面活性剤を吸着させてビニル単量体を重合する請求項11記載の水性分散体の製造方法。 The aqueous dispersion according to claim 11, wherein the first monomer is heated to a temperature equal to or higher than the cloud point of the first nonionic surfactant, and the vinyl monomer is polymerized by adsorbing the first nonionic surfactant on the surface of the inorganic or organic particles. Body manufacturing method. 重合温度が、第1のノニオン界面活性剤の曇点を超える温度60〜100℃である請求項11記載の水性分散体の製造方法。The method for producing an aqueous dispersion according to claim 11, wherein the polymerization temperature is 60 to 100 ° C. above the cloud point of the first nonionic surfactant. 第1のノニオン界面活性剤の使用量を、
(a-1)臨界ミセル濃度未満であり、かつ無機又は有機粒子の飽和吸着量未満、
(a-2)臨界ミセル濃度未満であり、かつ無機又は有機粒子の飽和吸着量以上、
(b-1)臨界ミセル濃度以上であり、かつ無機又は有機粒子の飽和吸着量未満、又は
(b-2)臨界ミセル濃度以上であり、かつ無機又は有機粒子の飽和吸着量以上とし、ビニル単量体を重合する請求項11〜13のいずれかに記載の水性分散体の製造方法。
The amount of the first nonionic surfactant used is
(a-1) less than the critical micelle concentration and less than the saturated adsorption amount of inorganic or organic particles,
(a-2) less than the critical micelle concentration, and more than the saturated adsorption amount of inorganic or organic particles,
(b-1) above the critical micelle concentration and less than the saturated adsorption amount of inorganic or organic particles, or
(b-2) The method for producing an aqueous dispersion according to any one of claims 11 to 13 , wherein the vinyl monomer is polymerized at a critical micelle concentration or higher and a saturated adsorption amount of inorganic or organic particles.
請求項1記載の水性分散体で構成されている塗料組成物。  A coating composition comprising the aqueous dispersion according to claim 1. コア−シェル構造の複合粒子と無機又は有機粒子との割合が、固形分換算で、前者/後者=100/0〜50/50(重量比)である水性分散体で構成されている請求項15記載の塗料組成物。Core - ratio of the composite particles and the inorganic or organic particles of shell structure, in terms of solid content, the former / the latter = 100 / 0-50 / 50 claims is composed of an aqueous dispersion (weight ratio) 15 The coating composition as described.
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