KR20120024501A - 다단식 유제 폴리머 및 향상된 안료 효율 - Google Patents

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Abstract

본 발명은 공중합 유닛으로서, 유제 폴리머의 중량을 기준으로 0.5 중량% 내지 5 중량%의 P-산 모노머; 유제 폴리머의 중량을 기준으로 0 중량% 내지 0.05 중량%의 다중에틸렌성(multiethylenically) 불포화 모노머; 및 적어도 하나의 제2 모노에틸렌성(monoethylenically) 불포화 모노머를 포함하며, -20℃ 내지 50℃의 이론치 Tg를 갖고, 전체 모노머 중량의 10% 내지 50%를 포함하는 단계, 바람직하게 상대적으로 중합의 조기 단계 중에, 제2 모노에틸렌성 불포화 모노머와 함P-산 모노머의 75% 내지 100%를 "펄스" 첨가함으로써 생성되는 다단식 유제 폴리머를 제공한다. 다단식 폴리머/TiO2 컴포지트 입자 및 컴포지트 입자를 포함하는 수성 코팅 조성물도 제공된다.

Description

다단식 유제 폴리머 및 향상된 안료 효율{MULTISTAGE EMULSION POLYMER AND IMPROVED PIGMENT EFFICIENCY}
본 발명은 공중합 유닛으로서, 유제 폴리머의 중량을 기준으로 0.5 중량% 내지 5 중량%의 P-산 모노머; 유제 폴리머의 중량을 기준으로 0 중량% 내지 0.05 중량%의 다중에틸렌성(multiethylenically) 불포화 모노머; 및 적어도 하나의 제2 모노에틸렌성(monoethylenically) 불포화 모노머를 포함하며, -20℃ 내지 50℃의 이론치 Tg를 갖고, 적어도 하나의 제2 모노에틸렌성 불포화 모노머의 유제 공중합(emulsion copolymerization)으로 생성되는 다단식(multistage) 유제 폴리머에 관한 것으로서, 여기에서 전체 모노머 중량의 10% 내지 50%를 포함하는 단계 중에 P-산 모노머의 75% 내지 100%가 제2 모노에틸렌성 불포화 모노머와 함께 첨가된다. 또한, TiO2 입자 및 TiO2 입자의 표면상으로 흡수된 다단식 유제 폴리머의 복수의 폴리머 입자를 포함하는 컴포지트 입자, 컴포지트 입자를 포함하는 수성 코팅 조성물 및 코팅 방법도 제공된다.
많은 페인트에 있어서 티타늄 옥사이드(TiO2)는 고가의 성분이다. 필름 형성 및 건조시 TiO2 입자들간에 서로 너무 가까이 인접하게 되는 경우(이러한 경향이 있음), 은폐성 안료(hiding pigment)인 TiO2의 효율이 감소하게 된다. TiO2의 간격 및 그에 따른 효율은 흡착성(adsorbing) 유제 폴리머를 사용함으로써 향상시킬 수 있다는 것이 개시되어 있다. 선행 기술에서는 페인트, 특히 저단위(low) 또는 제로 VOC 페인트용으로 바람직하지 않은 경질의(hard) 및/또는 가교결합된 흡착성 유제 폴리머를 사용하였다. 경질 또는 가교결합을 사용한 것은, 이러한 특성들이 필름 형성시 붕괴 되지 않는 흡착된 유제 폴리머로부터 간격을 두도록 할 것이라 예상했기 때문이다.
미국 특허 제7,197,531호에는 은폐성을 향상시킨 건조 코팅을 제공하기에 적합한 유기-무기 컴포지트 입자의 제조에 유용한 선택 작용성 또는 흡수성 그룹을 갖는 폴리머 입자가 개시되어 있다.
놀랍게도, 본 발명자들은 상대적으로 낮은 Tg와 함께 TiO2 은폐 효율을 유의성있게 개선시켜, 실질적으로 비가교결합된(uncross-linked) 유제 풀리머를 달성할 수 있다는 것을 발견하였다. 상대적으로 낮은 Tg는 거의 융합되지 않거나 전혀 융합되지 않은 적당히 낮은 온도의 필름을 형성하는데 중요하며, 가교결합이 실질적으로 없으면 건조 코팅의 스크럽 내성(scrub resistance)을 향상시킨다.
본 발명의 제1 측면으로서, 공중합 유닛으로서, 유제 폴리머의 중량을 기준으로 0.5 중량% 내지 5 중량%의 P-산 모노머; 유제 폴리머의 중량을 기준으로 0 중량% 내지 0.05 중량%의 다중에틸렌성 불포화 모노머; 및 적어도 하나의 제2 모노에틸렌성 불포화 모노머를 포함하며; -20℃ 내지 50℃의 이론치 Tg를 갖고, 적어도 하나의 제2 모노에틸렌성 불포화 모노머의 유제 공중합으로 생성되는 다단식 유제 폴리머를 제공하며, 여기에서 전체 모노머 중량의 10% 내지 50%를 포함하는 단계 중에 P-산 모노머의 75% 내지 100%가 제2 모노에틸렌성 불포화 모노머와 함께 첨가된다.
본 발명의 제2 측면으로서, 공중합 유닛으로서, 유제 폴리머의 중량을 기준으로 0.5 중량% 내지 5 중량%의 P-산 모노머; 유제 폴리머의 중량을 기준으로 0 중량% 내지 0.05 중량%의 다중에틸렌성 불포화 모노머; 및 적어도 하나의 제2 모노에틸렌성 불포화 모노머를 포함하며; -20℃ 내지 50℃의 이론치 Tg를 갖는 다단식 유제 폴리머의 생성 방법으로서: (a) 적어도 하나의 제2 모노에틸렌성 불포화 모노머를 유제 공중합하는 단계; 및 (b) 전체 모노머 중량의 10% 내지 50%를 포함하는 단계 중에 P-산 모노머의 75 중량% 내지 100 중량%를 제2 모노에틸렌성 불포화 모노머와 함께 첨가하는 단계를 포함하는 다단식 유제 폴리머의 생성방법을 제공한다.
본 발명의 제3 측면으로서, a) TiO2 입자; 및 b) 상기 TiO2 입자의 표면상에 흡착된 본 발명의 제1 측면의 다단식 유제 폴리머의 복수의 폴리머 입자를 포함하는 컴포지트 입자를 제공한다.
본 발명의 제4 측면으로서, 본 발명의 제3 측면의 컴포지트 입자를 포함하는 수성 코팅 조성물을 제공한다.
본 발명의 제5 측면으로서, (a) 본 발명의 제4 측면의 수성 코팅 조성물을 생성하는 단계; (b) 상기 수성 코팅 조성물을 기재에 적용하는 단계; 및 (c) 상기 적용된 수성 코팅 조성물이 건조되거나, 또는 건조시키는 단계를 포함하는 코팅의 제공방법을 제공한다.
본 발명의 다단식 유제 폴리머는 수성 매질에서 유제 공중합으로 생성되는 폴리머에 관한 것으로서, 본원에서 "수성 매질"은 물 및 매질의 중량을 기준으로 0 중량% 내지 30 중량%의 수혼화성(water-miscible) 화합물(들)을 포함한다. 본 발명의 다단식 유제 폴리머는, 공중합 유닛으로서, 유제 폴리머의 중량을 기준으로, 0.5 내지 5%, 바람직하게 1 내지 4%, 보다 바람직하게 1% 내지 2.25%의 P-산 모노머; 유제 폴리머의 중량을 기준으로, 0 중량% 내지 0.05 중량%, 바람직하게 0 중량%의 다중에틸렌성 불포화 모노머; 및 적어도 하나의 제2 모노에틸렌성 불포화 모노머를 포함한다.
본원에서 "P-산 모노머"란, 적어도 하나의 에틸렌 불포화 및 포스포러스 산 그룹을 포함하는 모노머로서, 포스포러스-함유 산 모노머를 의미한다. P-산 모노머는 산 형태이거나 포스포러스 산 그룹의 염으로 존재할 수 있다. 포스포러스 산 모노머의 예에는 하기가 포함된다:
Figure pat00001
상기 식에서, R은 아크릴옥시, 메타크릴옥시, 스티릴, 아릴 또는 비닐 그룹을 포함하는 유기 그룹이고; R'및 R"은 H 및 제2 유기 그룹으로부터 독립적으로 선택된다. 제2 유기 그룹은 포화 또는 불포화일 수 있다.
적절한 포스포러스 산 모노머에는 디하이드로겐 포스페이트-작용성 모노머, 예컨대, 중합성 비닐 또는 올레핀 그룹을 포함하는 알코올의 디하이드로겐 포스페이트 에스테르, 예컨대, 알릴 포스페이트, 비스(하이드록시-메틸)퓨마레이트 또는 이타코네이트의 모노- 또는 디포스페이트, (메트)아크릴산 에스테르의 유도체, 예컨대, 2-하이드록시에틸(메트)아크릴레이트, 3-하이드록시프로필(메트)아크릴레이트를 포함하는 하이드록시알킬(메트)아크릴레이트의 포스페이트 등이 포함된다. 기타 적절한 포스포러스 산 모노머에는 CH2=C(R)-C(O)-O-(R1O)n-P(O)(OH)2(식중, R은 H 또는 CH3이고, R1은 알킬이다), 예컨대, 로디아(Rhodia, Inc.)의 SIPOMER™ PAM-100, SIPOMER™ PAM-200, SIPOMER™ PAM-300, 및 SIPOMER™ PAM-4000가 포함된다. 기타 적절한 포스포러스 산 모노머는 WO 99/25780 A1에 개시된 포스포네이트 작용성 모노머이고, 비닐 포스폰산, 알릴 포스폰산, 2-아크릴아미도-2-메틸프로판포스폰산, α-포스포노스티렌, 2-메틸아크릴아미도-2-메틸프로판포스폰산이 포함된다. 추가로 적절한 포스포러스 작용성 모노머는 Harcross T-Mulz 1228 및 US 4,733,005에 개시된 1,2-에틸렌성 불포화(하이드록시)포스피닐알킬(메트)아크릴레이트 모노머이고, (하이드록시)포스피닐메틸 메트아크릴레이트가 포함된다. 바람직한 포스포러스 산 모노머는 디하이드로겐 포스페이트 모노머로서, 2-포스포에틸 (메트)아크릴레이트, 2-포스포프로필 (메트)아크릴레이트, 3-포스포프로필 (메트)아크릴레이트, 및 3-포스포-2-하이드록시프로필 (메트)아크릴레이트가 포함된다. 바람직한 것은 2-포스포에틸 (메트)아크릴레이트, 2-포스포프로필 (메트)아크릴레이트, 3-포스포프로필 (메트)아크릴레이트, 3-포스포-2-하이드록시프로필 (메트)아크릴레이트, SIPOMER™ PAM-100, 및 SIPOMER™ PAM-200이다.
다중에틸렌성 불포화 모노머에는, 예를 들면, 알릴 (메트)아크릴레이트, 디알릴 프탈레이트, 부타디엔, 1,4-부틸렌 글리콜 디(메트)아크릴레이트, 1,2-에틸렌 글리콜 디(메트)아크릴레이트, 1,6-헥산디올 디(메트)아크릴레이트 및 디비닐 벤젠이 포함된다. 본원의 다중에틸렌성 불포화 모노머에서 다중에틸렌성 불포화 PEM 디에스테르 등의 P-함유 다중에틸렌성 불포화 모노머는 명백히 제외시킨다.
적어도 하나의 공중합된 제2 모노에틸렌성 불포화 모노머에서, 산 그룹 함유 모노머, 예를 들면, P-산 모노머 및 제2 산-함유 모노머, 또는 이들의 염, 알데히드-반응성 그룹-함유 모노머, 및 다중에틸렌성 불포화 모노머는 제외되고, 예를 들면, (메티)아크릴 에스테르 모노머, 예컨대, 메틸 (메트)아크릴레이트, 에틸 (메트)아크릴레이트, 부틸 (메트)아크릴레이트, 2-에틸헥실 (메트)아크릴레이트, 데실 (메트)아크릴레이트, 하이드록시에틸 (메트)아크릴레이트, 하이드록시프로필 (메트)아크릴레이트, 우레이도-작용성 (메트)아크릴레이트 및 (메트)아크릴산의 아세토아세테이트, 아세트아미드 또는 시아노아세테이트; 스티렌 또는 비치환 스티렌; 비닐 톨루엔; 부타디엔; 비닐 아세테이트 또는 기타 비닐 에스테르; 비닐 모노머, 예컨대, 비닐 클로라이드, 비닐리덴 클로라이드, N-비닐 피롤리돈; (메트)아크릴로니트릴; 및 N-알킬올 (메트)아크릴아미드가 포함된다. 뒤에 다른 용어가 붙어 "(메트)"가 사용되는 경우, 예컨대, (메트)아크릴레이트 또는 (메트)아크릴아미드는, 본원 전체에 걸쳐, 각각 아크릴레이트 또는 아크릴아미드 및 메타크릴레이트 및 메타크릴아미드를 모두 의미한다.
본 발명의 일부 구체예로서, 다단식 유제 폴리머는, 공중합 유닛으로서, 유제 폴리머의 중량을 기준으로, 0.01 중량% 내지 0.6 중량%, 바람직하게 0.1 중량% 내지 0.5 중량%의 제2 산-함유 모노머, 또는 이들의 염을 포함한다. 제2 산-함유 모노머에서, P-산 모노머 및 이들의 염은 제외되나, S-산 모노머 및 카복시산 모노머, 및 이들의 염은 포함된다. 제2 산-함유 모모머에는, (메트)아크릴산, 크로톤산, 이타콘산, 푸마르산, 말레산, 및 이산성(diacid)의 모노-에스테르 유도체, 예컨대, 모노메틸 이타코네이트, 모노메틸 푸마레이트, 및 모노부틸 푸마레이트가 포함된다. 또한, 유사하게 작용할 수 있는 말레산 무수물도 포함된다. 황 산그룹을 포함하는 모노머의 예에는, 2-아크릴아미도-2-메틸-1-프로판설폰산, 설포에틸 (메트)아크릴레이트, 및 비닐 설폰산 및 소듐 스티렌 설포네이트가 포함된다. 바람직한 제2 산-작용성 모노머는, (메트)아크릴산, 소듐 스티렌 설포네이트, 이타콘산; 및 이들의 염이다. 가장 바람직한 제2 산-작용성 모노머는 메타크릴산, 소듐 스티렌 설포네이트, 및 이들의 염이다.
본 발명의 일부 구체예로서, 다단식 유제 폴리머는, 공중합 유닛으로서, 유제 폴리머의 중량을 기준으로, 0.01 중량% 내지 3 중량%, 바람직하게 0.1 중량% 내지 2 중량%의 알데히드-반응성 그룹-함유 모노머를 포함한다. 본원에서 "알데히드 반응성 그룹-함유 모노머"란, 1 내지 14의 임의의 pH로 20 중량%의 모노머 및 등몰의 포름알데히드를 함유하는 균일 용액 내에서, 상기 모노머와 포름알데히드 간에 몰 기준으로 25℃에서 하루에 10% 초과의 반응 정도를 나타내는 모노머를 말한다. 에틸렌성 불포화 알데히드 반응성 그룹-함유 모노머로는, 예를 들면, 비닐 아세토아세테이트, 아세토아세톡시에틸 (메트)아크릴레이트, 아세토아세톡시프로필 (메트)아크릴레이트, 알릴 아세토아세테이트, 아세토아세톡시부틸 (메트)아크릴레이트, 2,3-디(아세토아세톡시) 프로필 (메트)아크릴레이트, 비닐 아세토아세트아미드, 아세토아세톡시에틸 (메트) 아크릴아미드, 3-(2-비닐옥시에틸아미노)-프로피온아미드, N-(2-(메트) 아크릴옥시에틸)-모르폴린온-2,2-메틸-1-비닐-2-이미다졸린, 2-페닐-1-비닐-2-이미다졸린, 2-(3-옥사졸리디닐)에틸 (메트)아크릴레이트, N-(2-비녹시에틸)-2-메틸옥사졸리딘, 4,4-디메틸-2-이소프로페닐옥사졸린, 3-(4-피리딜)프로필 (메트)아크릴레이트, 디메틸아미노에틸 (메트)아크릴레이트, 2-메틸-5-비닐-피리딘, 2-비녹시에틸아민, 2-비녹시에틸에틸렌-디아민, 3-아미노프로필 비닐 에테르, 2-아미노-2-메틸프로필 비닐 에테르, 2-아미노부틸 비닐 에테르, tert-부틸아미노에틸 (메트)아크릴레이트, 2-(메트)아크릴옥시에틸디메틸-β-프로피오베타인, 디에탄올아민 모노비닐 에테르, o-아닐린 비닐 티오에테르, (메트)아크릴옥시아세트아미도-에틸에틸렌우레아, 에틸렌우레이도에틸 (메트)아크릴레이트, (메트)아크릴아미도에틸-에틸렌우레아, (메트)아크릴아미도에틸에틸렌티오우레아, N-((메트)아크릴아미도에틸)-N-(1-하이드록시메틸)에틸렌우레아, N-((메트)아크릴아미도에틸)-N-(1-메트옥시)메틸에틸렌우레아, N-포름아미도에틸-N-(1-비닐)에틸렌우레아, N-비닐-N-(1-아미노에틸)-에틸렌우레아, N-(에틸렌우레이도에틸)-4-펜텐아미드, N-(에틸렌티오우레이도-에틸)-10-운데센아미드, 부틸 에틸렌우레이도-에틸 푸마레이트, 메틸 에틸렌우레이도-에틸 푸마레이트, 벤질 N-(에틸렌우레이도에틸)푸마레이트, 벤질 N-(에틸렌우레이도-에틸) 말레아메이트, N-비녹시에틸에틸렌-우레아, N-(에틸렌우레이도에틸)-크로톤아미드, 우레이도펜틸 비닐 에테르, 2-우레이도에틸 (메트)아크릴레이트, N-2-(알릴카바모토) 아미노에틸 이미다졸리딘온, 1-(2-((2-하이드록시-3-(2-프로페닐옥시)프로필)아미노)에틸)-2-이미다졸리딘온, 하이드로겐 에틸렌우레이도에틸 이타콘아미드, 에틸렌우레이도에틸 하이드로겐 이타코네이트, 비스-에틸렌우레이도에틸 이타코네이트, 에틸렌우레이도에틸 운데실레네이트, 에틸렌우레이도에틸 운데실렌아미드, 2-(3-메틸올이미다졸리돈-2-일-1) 에틸 아크릴레이트, N-아크릴옥시알킬 옥사졸리딘, 아실아미도알킬 비닐 알킬렌우레아, 알데히드-반응성 아미노 그룹-함유 모노머, 예컨대, 디메틸아미노에틸 메트아크릴레이트, 및 아지리덴 작용성을 함유하는 에틸렌성 불포화 모노머가 포함된다. 바람직한 것은, 다단식 유제 폴리머 중량을 기준으로, 0.25 중량% 내지 2 중량%의 공중합된 우레이도 메타크릴레이트이다. 알데히드 반응성 그룹-함유 모노머가 P-산 모노머와 동일한 단계에서 공중합되는 공정이 바람직하다.
다단식 유제 폴리머의 이론치 유리 전이 온도(Tg)는 -20℃ 내지 50℃, 바람직하게 -10℃ 내지 35℃, 보다 바람직하게 -10℃ 내지 20℃이다. 다단식 유제 폴리머의 Tg는 개별 단계의 수 또는 조성물에 관계없이, 다단식 유제 폴리머의 전체 조성물로부터 계산된다. 본원에서 폴리머의 Tg는 하기 Fox 식(T.G.15 Fox, Bull. Am. Physics Soc., Volume 1, Issue No. 3, page 123(1956))을 사용하여 계산한다. 즉, 모노머 M1 및 M2의 코폴리머의 Tg를 다음과 같이 계산한다.
1/Tg(이론치)= w(M1)/Tg(M1) + w(M2)/Tg(M2)
여기에서, Tg(이론치)는 코폴리머에 대하여 계산된 유리 전이 온도이고, w(M1)는 코폴리머에서 모노머 M1의 중량 분율이며, w(M2)는 코폴리머에서 모노머 M2의 중량 분율이고, Tg(M1)은 M1의 호모폴리머의 유리 전이 온도이며, Tg(M2)은 M2의 호모폴리머의 유리 전이 온도이다. 모든 온도의 단위는 °K이다.
호모폴리머의 유리 전이 온도는, 예를 들면, 「J. Brandrup and E.H. Immergut, Interscience Publishers」에서 편집한 "Polymer Handbook"에서 알 수 있다.
본 발명의 다단식 유제 폴리머의 생성 방법에 전형적으로 사용되는 유제 중합 기술은, 예를 들면, 미국 특허 제4,325,856호; 제4,654,397호; 및 제4,814,373호에 개시된 바와 같이, 당 분야에 잘 알려져 있다. 통상적인 계면활성제, 예를 들면, 음이온성 및/또는 비이온성 유화제, 예컨대, 알칼리 금속 또는 암모늄 알킬 설페이트, 알킬 설폰산, 지방산 및 옥시에틸화 알킬 페놀, 및 이들의 혼합물이 사용될 수 있다. 사용되는 계면활성제의 양은, 총 모노머의 중량을 기준으로, 일반적으로 0.1 중량% 내지 6 중량%이다. 가열(thermal)이나 산화환원(redox) 개시 공정이 사용될 수 있다. 촉매로 언급되기도 하는 통상적인 자유 라디칼 개시제, 예컨대, 과산화수소, t-부틸 하이드로퍼옥사이드, t-아밀 하이드로퍼옥사이드, 암모늄 및/또는 알칼리 퍼설페이트를, 총 모노머의 중량을 기준으로, 통상적으로 0.01 중량% 내지 3.0 중량%의 수준으로 사용할 수 있다. 활성제로 언급되기도 하는 적절한 환원제와 커플링된 동일한 개시제를 사용하는 산화환원 시스템, 예컨대, 소듐 설폭실레이트 포름알데히드, 소듐 하이드로설파이트, 이소아스코르브산, 하이드록싱아민 설페이트 및 소듐 바이설파이트를, 임의로 금속 이온, 예컨대, 철 및 구리와 배합하여, 임의로 금속에 대한 착화제를 추가로 포함하여, 비슷한 수준으로 사용할 수 있다. 머캅탄과 같은 사슬 이동제를 사용하여 폴리머의 분자량을 낮출 수 있다. 상술한 계면활성제, 개시제, 및 환원제와 같은 임의의 성분들은, 다단식 유제 중합의 서로 다른 단계에서 동일하거나 상이한 조성 또는 양으로 사용될 수 있다.
모노머는 개별적으로 첨가되거나 모노머 혼합물로 첨가될 수 있으며, 순수하게 또는 수중의 유제로 첨가될 수 있다. 본원에서 모노머는 2 이상의 단계에서 첨가된다. 제2 모노에틸렌성 불포화 모노머는 반응 전반에 걸쳐 첨가된다. 전체 모노머 첨가의 10 중량% 내지 50 중량%, 바람직하게 10 중량% 내지 40 중량%, 보다 바람직하게 10 중량% 내지 35 중량%의 첨가에 해당하는 반응의 일부 또는 단계 중에, 75 중량% 내지 100 중량%, 바람직하게 90 중량% 내지 100 중량%, 보다 바람직하게 100 중량%의 P-산 모노머를 제2 모노에틸렌성 불포화 모노머와 동시에 첨가한다. P-산 모노머가 상대적으로 풍부한 단계에서 사용하는 것은 종종 P-산 모노머의 "펄스" 첨가로 설명된다. 본 발명의 일부 구체예로서, 펄스 또는 P-산 모노머-풍부 단계는, 첨가된 총 모노머의 0 중량% 내지 65 중량%, 바람직하게 0 중량% 내지 40 중량%, 보다 바람직하게 0 중량% 내지 30 중량%가 이미 첨가된 지점에서 개시된다. 즉, 다단식 유제 폴리머의 생성 반응에서 P-산 모노머 펄스가 상대적으로 일찍 일어나는 것이 바람직하다.
다단식 유제 폴리머의 일부 구체예로서, P-산 모노머를 제외한 첨가된 모노머 조성은 반응 전반에 걸쳐 일정하거나 실질적으로 일정할 수 있다. 다른 구체예로서, P-산 모노머를 제외한 첨가된 모노머의 조성은 각 단계마다 변하거나, 독립적으로 하나 이상의 단계(성분 공급 중합이라고도 함) 내에서 변할 수 있다. 또한, 상대적으로 높은 Tg 단계의 한계량, 예컨대, 60℃ 내지 110℃의 이론치 Tg를 갖는 단계의 10 중량% 미만이 다단식 유제 폴리머에 포함될 수 있을 것으로 생각된다.
본 발명의 바람직한 구체예로서, 중합시에 제2 산-함유 모노머 및 P-산 모노머를 함께 공급(co-feed)하는 공정으로 다단식 유제 폴리머를 생성할 수 있다. 상기 공정에서, 반응기 내에서 중합에 이용가능한 P-산 모노머의 농도 및 제2 산-함유 모노머의 농도가 동시에 존재하는 것이 바람직하다. 동시에 존재하는 유의성 있는 농도의 발생은 모노머의 공급을 겹치게 함으로써 가장 잘 수행할 수 있다. 중합 속도가 상당히 빠르기 때문에, 바람직한 조건은 P-산 펄스와 일부 또는 전부의 제2 산-함유 모노머가 완전히 겹치는 것이고, 이는 두 성분들을 모두 공급될 동일한 모노머에 첨가하여 수행할 수 있다. 또한, 공급의 겹침은 100% 미만일 것으로 생각된다. 이를 실행하기 위한 적절한 공정에는, 두 모노머를 포함하는 모노머 유제를 생성하는 단계와 이 모노머 유제를 배치 반응에 서서히 공급하는 단계가 포함되나, 이에 한하지 않는다.
본 발명의 일부 구체예로서, 인산 그룹을 갖는 수-용해성 폴리머의 형성을 최소화하는 다단식 유제 폴리머의 생성방법이 바람직하다. 상기 공정에서, 다단식 유제 폴리머는 낮은 pH에서 수성 유제 중합 공정으로 제조된다. 특정 이론에 얽매이는 것은 아니지만, 충분히 낮은 pH의 수성 반응 매질에서, P-산 모노머가 양성자화하고 보다 높은 pH에서보다 낮은 수-용해성을 나타내므로, 인산 그룹을 갖는 수 용해성 폴리머의 생성에 있어서 수반되는 감소과 함께 성장하는 폴리머 입자에 P-산 모노머의 결합을 증가시키게 된다. 본원에서 사용되는 낮은 pH에는, 1 내지 2.5 미만, 바람직하게 약 0 내지 2.2 미만, 보다 바람직하게 1 내지 2.1 범위의 pH 값이 포함된다. 수성 반응 매질의 pH는 바람직하게 비완충된(un-buffered) P-산 모노머의 원래의 pH이다. 다르게는, 황산, 아황산, 알킬 설폰산, 설팜산, 염산, 요오드산, 과요오드산, 셀렌산, 크롬산, 질산, 피로인산, 트리플루오로아세트산, 말레산, 옥살산 등의 강산을 첨가하여 pH를 낮은 pH로 조정할 수 있다. P-산 모노머의 중합 전, 중합 중, 또는 이들 모두, 강산을 수성 반응 매질에 첨가할 수 있다. 본 구체예에서, P-산 모노머가 중합중인 것을 제외한 단계(들)에서 반응 혼합물의 pH는 상이할 수 있다. 전형적으로 다른 단계에서 pH는 3.5 초과, 바람직하게 5 초과인 것이 바람직하다. 수성 반응 매질의 pH를 염화은 전극이 장착된 pH 미터를 사용하여 20℃에서 측정하고, 반응으로부터 제고된 수성 반응 매질의 약수(aliquot)로 실시할 수 있다.
추가적인 성분들, 예컨대, 자유 라디칼 개시제, 산화제, 환원제, 사슬 이동제, 중화제, 계면활성제 및 분산제를 임의의 단계 전, 단계 중 또는 단계 후에 첨가할 수 있다. 예를 들어 미국 특허 제4,384,056호 및 제4,539,361호에 개시된 것과 같이 폴리모드 입자 크기 분포(polymodal particle size distribution)을 산출하는 방법을 사용할 수 있다.
수성 폴리머 분산 입자의 평균 입자 직경은, 브룩해브 인스트루먼트(Brookhave Instrument)(미국 뉴욕주 홀츠빌)의 "Brookhaven Model BI-90 Particle Sizer"로 측정하여, 전형적으로 30 nm 내지 500 nm, 바람직하게 50 nm 내지 200 nm, 보다 바람직하게 50 nm 내지 150 nm이다.
본 발명의 일 측면은 TiO2 입자의 표면상으로 흡수된 본 발명의 복수의 다단식 유제 폴리머 입자를 갖는 중심의 TiO2 입자를 포함하는 컴포지트 입자에 관한 것이다. 본원에서 "TiO2 입자"란, 루틸(rutile) TiO2 및 아나타제(anatase) TiO2를 포함하여, 대부분 TiO2로 구성된 입자를 의미한다. TiO2는 균일한 조성을 갖거나, 2 이상의 상으로 비균일한 조성을 가질 수 있다. 전형적으로, TiO2는 실리카, 알루미나, 아연 옥사이드, 및 지르코니아 중 하나 이상의 코팅을 적어도 하나 가질 수 있다. 특정 타입의 TiO2는, 다단식 유제 폴리머에서 상이한 수준의 공중합 흡수 P-산 모노머를 필요로 한다는 것을 알 수 있다. 예를 들어, Al:Si의 비가 상대적으로 높은 TiO2 등급은, 2.3 wt% 흡수 모노머를 필요로 하는 Al:Si의 비가 더 낮은 등급보다 더 적은 흡수 모노머(1.2 wt%)를 필요로 한다.
본 발명의 컴포지트 입자의 생성은, 전형적으로 통상적인 저전단 믹서(low shear mixer)를 사용하여, 분산된 TiO2를 다단식 유제 폴리머에 접촉시킴으로써 수행한다. 상기 생성은 TiO2와 라텍스 간의 반응성의 균형으로 유리해질 수 있다. 만약, 반응이 너무 빠르면 코팅 생성 능력이 악화되어, 원치않는 그릿(grit)이 생성된다. 반대로, 반응이 너무 약하면 흡착이 전혀 일어나지 않거나, 너무 느리게 되고, 그 결과 점도 및 착색 강도(tint strength)가 불안정해진다.
본 발명의 일 구체예로서, 본 발명의 컴포지트 입자를 포함하는 특정 수성 코팅 조성물이 제공된다. 수성 코팅 조성물에 포함되는 무기 입자의 양은, 수성 조성물 및 무기 입자의 총 건조 부피를 기준으로, 0 내지 95 부피%이다. 전형적으로, 본 발명의 수성 코팅 조성물은 건조된 코팅을 제조하기 위해 사용되는 경우, 수성 조성물의 부피를 기준으로, 20 내지 50 부피% 범위의 고체 수준을 나타낸다. 수성 조성물의 pH는 전형적으로 3 내지 11, 바람직하게 7 내지 10 범위이다. 수성 조성물의 적절한 점도 범위는 50 내지 130 Kreb 단위(KU), 바람직하게 70 내지 120 KU, 보다 바람직하게 90 내지 110 KU이다.
컴포지트 입자 외에 사용될 수 있는 무기 입자에는: 금속 산화물, 예컨대, 산화아연, 산화세륨, 산화주석, 산화안티몬, 산화지르코늄, 산화크로뮴, 산화철, 산화납, 산화알루미늄, 산화실리콘, 이산화티탄; 아연 설파이드, 리토폰, 칼슘 카보네이트, 칼슘 설페이트, 바륨 설페이트, 운모, 점토, 하소 점토, 장석, 하석 섬장암, 규회석, 규조토, 알루미나 실리케이트 및 활석이 포함된다. 일 구체예로서, 무기 입자의 입자 크기는 1 내지 100 nm, 바람직하게 1 내지 50 nm일 수 있다. 100 nm 미만의 입자 크기를 갖는 바람직한 무기 입자의 예로는 산화아연, 산화실리콘, 이산화티탄 및 산화철을 들 수 있다.
수성 코팅 조성물은 임의로 유기 안료 입자를 포함할 수 있다. 적절한 유기 안료에는 플라스틱 안료, 예컨대, 고체 비드 안료, 예를 들면, 폴리스티렌 및 폴리비닐 클로라이드 비드 및 보이드(void) 및 소낭(vesicle)을 함유하는 마이크로스피어 안료도 포함된다. 하나 이상의 보이드를 함유하는 폴리머 입자를 포함하는 마이크로스피어 안료의 예로는 Ropaque™ 불투명 폴리머(opaque polymer) 및 소낭성 폴리머 입자를 들 수 있다.
임의의 무기 입자를 포함하는 수성 코팅 조성물은 코팅 분야에 잘 알려진 기술로 제조될 수 있다. 우선, 무기 입자는 전형적으로 COWLES (R) 믹서에 의해 제공되는 것과 같은 고전단(high shear)하에서, 수성 매질에 잘 분산된다. 일 구체예로서, 본 발명의 컴포지트 입자를 필요에 따라 다른 코팅 어쥬번트와 함께 저전단 교반하에서 첨가한다. 다르게는, 수성 코팅 조성물의 생성 중에 그 자리에서 컴포지트 입자를 생성할 수 있다. 수성 조성물에는, 컴포지트 입자 외에, 컴포지트 입자와 관련 없는 추가적인 다단식 유제 폴리머를 포함될 수 있고; 또한 본 발명의 다단식 유제 폴리머의 0 중량% 내지 20 중량% 양의 필름-형성 또는 비필름-형성 용액 또는 다른 유제 폴리머, 및 통상적인 코팅 어쥬번트, 예를 들면, 유화제, 융합제(합체제), 가소제, 부동제, 경화제, 완충제, 중화제, 농축제, 감광성 성분, 게올로지 개질제, 보습제, 습윤제, 살생물제, 가소제, 소포제, UV 흡수제, 형광 증백제, 빛 또는 열 안정화제, 살생물제, 킬레이트제, 분산제, 착색제, 왁스, 발수제 및 항산화제가 포함될 수 있다.
수성 코팅 조성물은 임의로 휘발성 유기 화합물(VOC)을 함유한다. 본원에서 "VOC"는 대기압에서 280℃ 미만의 끓는점을 갖는 탄소 함유 화합물로 정의된다. 물과 암모니아는 VOC에서 제외시킨다. VOC는 코팅의 필름 특성을 개선하거나 코팅을 제조하기 위해 사용하는 조성물의 도포 특성을 보조하기 위하여 일부러 페인트나 코팅에 종종 첨가된다. 예로서는, 글리콜 에테르, 유기 에스테르, 방향족 화합물, 에틸렌 및 프로필렌 글리콜, 및 지방족 탄화수소를 들 수 있다.
일부 구체예로서, 수성 코팅 조성물은 수성 코팅 조성물의 총 중량을 기준으로, 20 중량% 이하의 VOC, 바람직하게 5 중량% 미만의 VOC, 보다 바람직하게 3 중량% 미만의 VOC, 보다 더 바람직하게 1.7 중량% 미만의 VOC를 함유할 수 있다.
수성 코팅 제조의 전형적인 방법에 의하면, 수성 조성물, 살생물제, 소포제, 소프, 분산제, 및 농축제의 제조시에 우연히 VOC가 발생된다. 이들은 전형적으로 수성 코팅 조성물의 총 중량을 기준으로 0.2 중량%의 VOC로 함유된다. 증기 스트리핑과 같은 추가적인 방법과, 살생물제, 소포제, 소프, 분산제 및 농축제 등의 첨가제를 선택할 때에 저VOC 함유 첨가제를 선택하는 것은, 수성 코팅 조성물에서, 수성 코팅 조성물의 총 중량을 기준으로 0.05 중량% 미만의 VOC로 추가로 감소시키기에 적합하다. 일 구체예로서, 수성 코팅 조성물은, 수성 코팅 조성물의 총 중량을 기준으로 0.1 중량% 미만의 VOC를 갖는다.
추가적으로, 수성 코팅 조성물은 VOC가 아닌 융합제를 함유할 수 있다. 융합제는 수인성(water-borne) 유제 폴리머, 페인트 또는 코팅에 첨가되는 화합물로서, 유제 폴리머, 페인트 또는 코팅의 최소 필름 형성 온도(MFFT)를 적어도 1℃ 감소시킨다. MFFT는 ASTM 테스트법 D2354를 사용하여 측정한다. 비-VOC 융합제는 대기압에서 280℃ 초과의 끓는점을 갖는 융합제이다. VOC가 아닌 융합제의 예에는, 가소제, 저분자량 폴리머, 계면활성제, 및 자가산화성(autooxidizable) 가소제, 예컨대, 불포화 지방산의 알킬 에스테르가 포함된다. 아마씨, 유동, 탈수 피마자, 대두, 톨, 해바라기 및 옥수수 등의 오일로부터 제조된 알킬 에스테르가 바람직하다. 적절한 불포화 지방산의 에스테르에는, 알킬 에스테르, 예컨대, 메틸 및 에틸 에스테르; 치환된 알킬 에스테르, 예컨대, 에틸렌 글리콜 및 프로필렌 글리콜로부터 생성된 에스테르; 및 불포화 지방산, 디에틸렌 글리콜, 트리에틸렌 글리콜, 디프로필렌 글리콜, 트리프로필렌 글리콜 및 디에틸렌 글리콜 모노부틸 에테르의 알킬 에테르 에스테르가 포함된다.
본 발명의 수성 조성물을 도포하기 위하여, 예를 들면, 통상적인 코팅 적용법, 예컨대, 브러싱, 롤링 및 스프레이법, 예컨대, 공기-분무 스프레이, 기조식(air-assisted) 스프레이, 에어리스(airless) 스프레이, 고용적 저압 스프레이, 및 기조식 에어리스 스프레이가 사용될 수 있다. 추가적으로, 일부 시스템에 있어서, 수성 폴리머 조성물을 도포하기 위하여, 다른 적용 기술, 예컨대, 코르크 건(caulk gun), 롤 코팅기, 커텐 코팅기 등이 사용될 수 있다. 수성 폴리머 조성물은, 예를 들면, 플라스틱, 목재, 금속, 프라이밍된 표면(primed surface), 전에 페인팅된 표면, 풍화된 페인팅 표면, 유리, 복합재, 및 시멘트 기재 등의 기재에 유리하게 적용된다. 전형적으로, 예를 들면, 0℃ 내지 35℃의 주변 조건하에서 건조를 진행시키나, 열 또는 저습으로 가속화시킬 수 있다.
본 발명은 안료 효율을 향상시킨 다단식 유제 폴리머를 제공한다.
테스트 방법
은폐력( hiding ) 측정:
1.5 밀 버드 어플리케이터를 사용하여, 레네타(Leneta) RC-BC 블랙 릴리즈 차트상에 테스트 페인트의 박막 필름을 캐스팅하였다. 25 밀 드로우 다운 바(draw down bar)를 사용하여, 레네타(Leneta) 블랙 비닐 스크럽 차트상에 페인트당 하나의 두꺼운 필름을 가로방향으로 캐스팅하였다. 77+/-3.5°F 및 50+/-5% 상대습도에서 밤새 건조시켰다. Kodak？ 프로젝터 유리 슬라이드 커버(3.25"×4")를 박막 필름상에 놓고, Excel？ 나이프로 스코어링하여 테스트 영역(13 in2)을 얻었다. 휴대용 Byk-Gardner 45°반사계를 사용하여 스코어링된 박막 필름 테스트 영역에서, 반사값(reflectance value)을 5회 측정하고 평균값을 기록하였다. 첫번째 측정을 테스트 영역의 좌측 상단 모서리에서 실시하고, 이어지는 측정들은 우측 하단 모서리로 대각선으로 내려오면서 실시하였다. 박막 필름 테스트 영역에서 반사값을 5회 측정하여 평균값을 기록하였다. Exacto™ 나이프의 끝을 사용하여 스코어링된 박막 필름 테스트 영역을 들어올리고, 필름을 분석용 저울의 평량팬(tared pan)에 놓았다. 필름의 무게를 기록하였다. 측정된 두꺼운 필름 및 박막 필름의 반사값과 필름 테스트 영역의 무게로부터, 은폐력 "S" 값을 계산하였다. 본 테스트에서, 쿠벨카/뭉크 은폐값(Kubelka/Munk hiding value) "S"는 다음과 같이 주어진다:
S=X-1R(ln 1-RBR)/(1-R2)(1-RB/R)
상기 식에서, X는 평균 필름 두께(밀)이고, R은 박막 필름의 평균 반사값이며, RB는 블랙 레네타(Leneta)에서 블랙의 박막 필름상의 평균 반사값이다. X는 건조 페인트 필름의 중량(Wpf), 건조 필름의 밀도(D), 및 필름 면적(A)으로부터 계산된다. 일반적으로, 안료를 보다 효율적으로 사용한다는 것은, 보다 우수한 품질의 코팅의 제공 또는 코팅 제조자에게 있어서 비용 절감(또는 이들 모두)을 의미하기 때문에, S 값이 더 높은 것이 항상 바람직하다.
광택도( gloss ) 및 그릿 분석 과정:
3 밀 버드 필름 어플리케이터로 레네타(Leneta) 5C 차트상에 테스트 샘플의 드로우다운을 제조하였다. 77+/-3.5°F 및 50+/-5% 상대습도에서 7일간 차트를 건조시켰다. 가드너 컴퍼니(Gardner Company)에서 시판되는 눈금 있는 규격화 글로스가드 II 광택도계(Glossgard II Glossmeter)를 사용하여 반사하는 광택을 2개의 반사각 20° 및 60°에서 측정하였다.
건조된 드로우다운상에서 관찰된 그릿의 레벨을 평가하였다. 그릿의 레벨을 다음의 범위로 기록하였다: 없음/매우약함/약함/보통/강함/매우강함.
스크럽 내성 테스트
본 테스트(ASTM D 2486-00에 의거)를 다음과 같이 실시하였다:
A. 장치의 준비
마모 시험기( Abrasion Tester )- 브래킷으로 고정된 브러시로 구성되고, 이것이 양쪽에 한 세트의 케이블에 의해서, 도포되어 건조된 페인트 필름 위를 앞뒤로 움직이도록 구성된 마모 테스트 장치를 사용하였다. 마모 시험기를 사용 및 조작 전에 37±1 순환/분으로 레벨링하였다.
브러시- 브러시의 모(bristle)는, 새 제품인 경우, 사용 전에 레벨링하여 페인트 표면을 균일하게 덮을 수 있게 하였다. 100 또는 120 메쉬 알루미늄 옥사이드 폐쇄 그레인형(close grain) 사포상에 브러시를 움직여서 레벨링을 수행하였다.
B. 테스트:
7 밀 개구의 7/10 다우(Dow) 필름 캐스터를 사용하여, 패널의 고정된 말단에서 시작하여, 블랙 비닐 차트(Type P-121-10N, The Leneta Company)상에 코팅을 드로우 다운하였다. 말단에서 말단까지 적용 시간은 3 내지 4초였다. 코팅을 77+/-3.5°F 및 50+/-5% 상대습도로 유지시킨 개방된 공간에서 수평 위치로 7일간 공기 건조시켰다. 각 샘플에 3개의 드로우다운을 만들었다. 이것들이 25% 내의 반복성을 나타내었을 때, 2개를 테스트하고 평균을 내었다. 그렇지 않은 경우, 3번째 것을 테스트하여 3개의 평균을 내었다. 가스킷 후레임(gasketed frame)과 황동 추(brass weight) 또는 클램프를 사용하여 드로우다운을 마모 시험기에 고정시켰다. 브러시를 받침대(holder)에 올려놓았다. 10g의 스크럽 매질(Abrasive Scrub Medium, Type SC-2, The Leneta Company)를 브러시 모에 균등하게 발랐다. 브러시를 통로 중앙에 두었다. 스크럽 매질 및 물을 적용할 때, 브러시 모의 한쪽을 위로 가게 한 후, 테스트를 시작할 때 조심스럽게 브러시 모의 한쪽을 밑으로 가게 돌렸다. 파손까지 각각 400 순환 시킨 후, 브러시를 제거하고 헹구지 않은 채 10g의 교반된 스크럽 매질을 첨가하여 브러시를 교체하였다. 계속하기 전에 5 ml의 물을 브러시에 첨가하였다. 하나의 연속 라인에서 페인트 필름을 완전히 제거하기까지의 순환 수를 기록하였다.
하기 실시예들은 본 발명을 설명하기 위한 것이다.
사용되는 약어
부틸 아크릴레이트 BA
메틸 메타크릴레이트 MMA
메타크릴산 MAA
우레이도 메타크릴레이트 (50% 활성) UMA
포스포에틸 메타크릴레이트 (65% 활성) PEM
소듐 스티렌 설포네이트 (이성질체의 혼합물) SSS
알릴 메타크릴레이트 ALMA
소듐 퍼설페이트 NaPS
탈이온수 DI 수
총 모노머를 기준으로 botm
비교예 A. 공급의 100%에 걸쳐 PEM(2.3 wt%)을 공급
525 g DI 수, 64.8 g(30% 활성) 음이온성 계면활성제 A, 974.4 g BA, 703.9 g MMA, 13.89 g MAA, 39.10 g PEM 및 17.4 g UMA를 혼합하여, 단계 1 모노머 유제를 제조하였다. 5 리터 반응기, 패들 교반기가 장착된 4-목 둥근 바닥 플라스크, 서모커플(thermocouple), 질소 주입구 및 환류 콘덴서를 조립하였다. 플라스크에 926.0 g DI 수 및 4.63 g(30% 활성)의 음이온성 계면활성제를 첨가하고 교반을 개시하였다. 플라스크의 내용물을 질소 분위기하에서 88℃로 가열하였다. 110.1 g 부분의 단계 1 모노머 유제를 케틀(kettle)에 첨가하고, 25 g DI 세척수를 첨가하였다. 내용물을 1분간 교반한 후, 44 g DI 수 중 3.55 g NaPS 용액을 첨가하였다. 다시 2분 후 모노머 유제 1과 118 g DI 수 중 1.58 g NaPS 용액을 110분에 걸쳐 플라스크에 분리하여 공급하였다. 첨가 중에 플라스크의 내용물을 84~86℃로 유지시켰다. 모노머 유제를 50 g DI 세척수로 헹구었다. 그 후, 배치(batch)를 65℃로 냉각시키고, 22 g DI 수 중 15 g(28% 농도) 수성 암모니아 용액으로 부분 중화시킨 후, 산화환원 쌍(redox pair)을 첨가하였다. 배치를 실온으로 냉각시켰다. 냉각 중 50℃ 미만에서, 196 g의 수산화칼륨(6.5%) 수성 용액을 첨가하였다. pH 7.9에, 측정된 입자 크기는 101 nm, 고체는 46.3%였다.
실시예 1. 다단식 유제 폴리머의 제조. 공급의 70%에 걸쳐 PEM(2.3 wt%)을 공급
367.5 g DI 수, 45.4 g(30% 활성) 음이온성 계면활성제 A, 682.1 g BA, 482.9 g MMA, 13.89 g MAA 및 39.10 g PEM를 혼합하여, 단계 1 모노머 유제를 제조하였다. 157.5 g DI 수, 19.4 g(30% 활성) 음이온성 계면활성제 A, 292.3 g BA, 221.0 g MMA 및 17.4 g UMA를 혼합하여, 단계 2 모노머 유제를 제조하였다. 5 리터 반응기, 패들 교반기가 장착된 4-목 둥근 바닥 플라스크, 서모커플, 질소 주입구 및 환류 콘덴서를 조립하였다. 플라스크에 926.0 g DI 수 및 4.63 g(30% 활성)의 음이온성 계면활성제를 첨가하고 교반을 개시하였다. 플라스크의 내용물을 질소 분위기하에서 88℃로 가열하였다. 110.1 g 부분의 단계 1 모노머 유제를 케틀에 첨가하고, 25 g DI 세척수를 첨가하였다. 내용물을 1분간 교반한 후, 44 g DI 수 중 3.55 g NaPS 용액을 첨가하였다. 다시 2분 후 모노머 유제 1을 70분에 걸쳐 플라스크에 첨가하였다. 동시에, 118 g DI 수 중 1.58 g NaPS 용액을 1.09 g/분의 속도로 플라스크에 따로 공급하였다. 모노머 유제 1의 공급이 완료된 후 개시제 코피드(cofeed)를 중지하고, 30분간 배치의 온도를 유지시켰다. 그 후, 개시제 코피드를 다시 시작하고, 모노머 유제 2를 40분에 걸쳐 첨가하였다. 첨가 중에 플라스크의 내용물을 84~86℃로 유지시켰다. 모노머 유제를 50 g DI 세척수로 헹구었다. 그 후, 배치를 65℃로 냉각시키고, 22 g DI 수 중 15 g(28% 농도) 수성 암모니아 용액으로 부분 중화시킨 후, 산화환원 쌍을 첨가하였다. 배치를 실온으로 냉각시켰다. 냉각 중 50℃ 미만에서, 196 g의 수산화칼륨(6.5%) 수성 용액을 첨가하였다. pH 7.8에, 측정된 입자 크기는 100 nm, 고체는 46.1%였다.
실시예 2. 다단식 유제 폴리머의 제조. 공급의 50%에 걸쳐 PEM(2.3 wt%)을 공급
225 g DI 수, 32.4 g(30% 활성) 음이온성 계면활성제 A, 487.2 g BA, 329.7 g MMA, 13.92 g MAA 및 39.15 g PEM를 혼합하여, 단계 1 모노머 유제를 제조하였다. 300.0 g DI 수, 32.4 g(30% 활성) 음이온성 계면활성제, 487.2 g BA, 374.1 g MMA 및 17.4 g UMA를 혼합하여, 단계 2 모노머 유제를 제조하였다. 5 리터 반응기, 패들 교반기가 장착된 4-목 둥근 바닥 플라스크, 서모커플, 질소 주입구 및 환류 콘덴서를 조립하였다. 플라스크에 926.0 g DI 수 및 4.63 g(30% 활성)의 음이온성 계면활성제를 첨가하고 교반을 개시하였다. 플라스크의 내용물을 질소 분위기하에서 88℃로 가열하였다. 110.1 g 부분의 단계 1 모노머 유제를 케틀에 첨가하고, 25 g DI 세척수를 첨가하였다. 내용물을 1분간 교반한 후, 44 g DI 수 중 3.55 g NaPS 용액을 첨가하였다. 다시 2분 후 모노머 유제 1을 55분에 걸쳐 플라스크에 첨가하였다. 동시에, 118 g DI 수 중 1.58 g NaPS 용액을 1.09 g/분의 속도로 플라스크에 따로 공급하였다. 모노머 유제 1의 공급이 완료된 후 개시제 코피드를 중지하고, 30분간 배치의 온도를 유지시켰다. 그 후, 개시제 코피드를 다시 시작하고, 모노머 유제 2를 55분에 걸쳐 첨가하였다. 첨가 중에 플라스크의 내용물을 84~86℃로 유지시켰다. 모노머 유제를 50 g DI 세척수로 헹구었다. 그 후, 배치를 65℃로 냉각시키고, 22 g DI 수 중 15 g(28% 농도) 수성 암모니아 용액으로 부분 중화시킨 후, 산화환원 쌍을 첨가하였다. 배치를 실온으로 냉각시켰다. 냉각 중 50℃ 미만에서, 196 g의 수산화칼륨(6.5%) 수성 용액을 첨가하였다. pH 8.0에, 측정된 입자 크기는 107 nm, 고체는 46.2%였다.
실시예 3. 다단식 유제 폴리머의 제조. 공급의 30%에 걸쳐 PEM(2.3 wt%)을 공급
200 g DI 수, 24.3 g(30% 활성) 음이온성 계면활성제 A, 292.0 g BA, 186.2 g MMA, 4.17 g MAA 및 39.11 g PEM를 혼합하여, 단계 1 모노머 유제를 제조하였다. 409.6 g DI 수, 40.5 g(30% 활성) 음이온성 계면활성제 A, 681.3 g BA, 516.9 g MMA, 17.4 g UMA 및 9.7 g MAA를 혼합하여, 단계 2 모노머 유제를 제조하였다. 5 리터 반응기, 패들 교반기가 장착된 4-목 둥근 바닥 플라스크, 서모커플, 질소 주입구 및 환류 콘덴서를 조립하였다. 플라스크에 926.0 g DI 수 및 4.63 g(30% 활성)의 음이온성 계면활성제를 첨가하고 교반을 개시하였다. 플라스크의 내용물을 질소 분위기하에서 88℃로 가열하였다. 110.1 g 부분의 단계 1 모노머 유제를 케틀에 첨가하고, 25 g DI 세척수를 첨가하였다. 내용물을 1분간 교반한 후, 44 g DI 수 중 3.55 g NaPS 용액을 첨가하였다. 다시 2분 후 모노머 유제 1을 40분에 걸쳐 플라스크에 첨가하였다. 동시에, 118 g DI 수 중 1.58 g NaPS 용액을 1.09 g/분의 속도로 플라스크에 따로 공급하였다. 모노머 유제 1의 공급이 완료된 후, 모노머 유제 2를 70분에 걸쳐 첨가하였다. 첨가 중에 플라스크의 내용물을 84~86℃로 유지시켰다. 모노머 유제를 50 g DI 세척수로 헹구었다. 그 후, 배치를 65℃로 냉각시키고, 22 g DI 수 중 15 g(28% 농도) 수성 암모니아 용액으로 부분 중화시킨 후, 산화환원 쌍을 첨가하였다. 배치를 실온으로 냉각시켰다. 냉각 중 50℃ 미만에서, 196 g의 수산화칼륨(6.5%) 수성 용액을 첨가하였다. pH 7.9에, 측정된 입자 크기는 98 nm, 고체는 45.1%였다.
실시예 4. 수성 코팅 조성물의 생성 및 불투명도 평가
표 4.1은 흡수 모노머 단계의 사이즈 변화의 영향을 평가하기 위한 코팅 조성물을 나타낸다. TiO2 첨가를 위한 우수한 혼합 조건하에서 실험 믹서에 열거된 순서로 하나의 베슬(vessel)에 컴포지트를 제조하였다. 익스텐더 그라인드(extender grind)를, 4개의 페인트 모두에 사용되는 단일의 커다란 그라인드로 제조하였다. 컴포지트와 익스텐더 그라인드가 제조되었을 때, 렛다운(letdown)에 대해 열거된 순서로 제3의 베슬에 페인트를 혼합하였다. TAMOL™ 2002를 KOH로 중화하였다. S/Mil을 ASTM 테스트법 D-2805.70에 따라 평가하였다.
Figure pat00002
Figure pat00003

본 발명의 수성 코팅 조성물, 실시예 5 내지 7은 비교예 B보다 우수한 은폐력을 나타내는 코팅을 제공하였다. TiO2/폴리머 컴포지트에 사용되는 다단식 유제 폴리머의 생성에 있어서 P-산 모노머(PEM)를 펄스로 놓는 것이 균일한 조성물에 비해 바람직하였다.
실시예 8-10 및 비교예 C. 실시예 1-3의 교시에 따른 다단식 유제 폴리머의 제조.
실시예 8: 공급의 첫번째 5-35%(앞)에서 2.2% PEM(botm) 첨가
실시예 9: 공급의 35-65%(중간)에서 2.2% PEM(botm) 첨가
실시예 10: 공급의 65-100%(끝)에서 2.2% PEM(botm) 첨가
비교예 C: 두번째 단계에서 UMA와 함께 공급의 70-100%(끝)에서 2.2% PEM(botm) 첨가.
실시예 11. 수성 코팅 조성물의 생성 및 코팅 불투명도 평가
표 11.1은 흡수 모노머 단계의 첨가의 영향을 평가하기 위한 코팅 조성물을 나타낸다. TiO2 첨가를 위한 우수한 혼합 조건하에서 실험 믹서에 열거된 순서로 하나의 베슬에 컴포지트를 제조하였다. 익스텐더 그라인드를, 4개의 페인트 모두에 사용되는 단일의 커다란 그라인드로 제조하였다. 컴포지트와 익스텐더 그라인드가 제조되었을 때, 렛다운에 대해 열거된 순서로 제3의 베슬에 페인트를 혼합하였다. TAMOL™ 2002를 KOH로 중화하였다. S/Mil을 ASTM 테스트법 D-2805.70에 따라 평가하였다.
Figure pat00004
Figure pat00005

본 발명의 수성 코팅 조성물, 실시예 12-14은 비교예 D보다 우수한 은폐력을 나타내는 코팅을 제공한다. TiO2/폴리머 컴포지트의 생성을 위한 다단식 유제 폴리머 공정에서 P-산 모노머(PEM)를 보다 조기에 펄스로 첨가하는 것이 바람직하다.
실시예 15 - 다단식 유제 폴리머의 생성: (1.5 PEM / 0.0 MAA)
다음과 같은 조성을 제외하고 실시예 1-3의 교시에 따라 다단식 폴리머를 제조하였다: 200 g DI 수, 27.25 g(30% 활성) 음이온성 계면활성제 A, 285.6 g BA, 198.9 g MMA 및 25.5 g PEM를 혼합하여 제1 모노머 유제를 제조하였다. 420 g DI 수, 27.75 g(30% 활성) 음이온성 계면활성제 A, 666.4 g BA, 515.15 g MMA 및 17 g UMA를 혼합하여 제2 모노머 유제를 제조하였다. 측정된 입자 크기는 109 nm, 고체는 45.8%였다.
실시예 16 - 다단식 유제 폴리머의 생성: (1.2 PEM / 0.0 MAA)
다음과 같은 조성을 제외하고 실시예 15의 교시에 따라 다단식 폴리머를 제조하였다: 200 g DI 수, 27.25 g(30% 활성) 음이온성 계면활성제 A, 285.6 g BA, 204 g MMA 및 20.4 g PEM를 혼합하여 제1 모노머 유제를 제조하였다. 420 g DI 수, 27.75 g(30% 활성) 음이온성 계면활성제 A, 666.4 g BA, 515.15 g MMA 및 17 g UMA를 혼합하여 제2 모노머 유제를 제조하였다. 측정된 입자 크기는 109 nm, 고체는 45.9%였다.
실시예 17 - 다단식 유제 폴리머의 생성: (1.2 PEM / 0.5 MAA)
다음과 같은 조성을 제외하고 실시예 15의 교시에 따라 다단식 폴리머를 제조하였다: 200 g DI 수, 27.25 g(30% 활성) 음이온성 계면활성제 A, 285.6 g BA, 190.38 g MMA, 25.5 g PEM 및 8.52 g MAA를 혼합하여 제1 모노머 유제를 제조하였다. 420 g DI 수, 27.75 g(30% 활성) 음이온성 계면활성제 A, 666.4 g BA, 515.15 g MMA 및 17 g UMA를 혼합하여 제2 모노머 유제를 제조하였다. 측정된 입자 크기는 98 nm, 고체는 45.7%였다.
실시예 18 - 다단식 유제 폴리머의 생성: (1.2 PEM / 0.4 MAA)
다음과 같은 조성을 제외하고 실시예 15의 교시에 따라 다단식 폴리머를 제조하였다: 200 g DI 수, 27.25 g(30% 활성) 음이온성 계면활성제 A, 285.6 g BA, 197.22 g MMA, 20.4 g PEM 및 6.78 g MAA를 혼합하여 제1 모노머 유제를 제조하였다. 420 g DI 수, 27.75 g(30% 활성) 음이온성 계면활성제 A, 666.4 g BA, 515.15 g MMA 및 17 g UMA를 혼합하여 제2 모노머 유제를 제조하였다. 측정된 입자 크기는 96 nm, 고체는 45.9%였다.
실시예 19. 코팅의 스크럽 내성에 대한 다단식 유제 폴리머내의 보조-산(co-acid)의 효과 평가
다단식 유제 폴리머로부터 형성된 컴포지트를 포함하는 수성 코팅 조성물을 제조하고(실시예 15-18), 이로부터 제조된 코팅의 스크럽 내성을 평가하였다. 결과를 표 19.2에 나타내었다. TiO2 첨가를 위한 우수한 혼합 조건하에서 실험 믹서에 열거된 순서로 하나의 베슬에 컴포지트를 제조하였다. 익스텐더 그라인드를 분리된 베슬에 제조하였다. 컴포지트와 익스텐더 그라인드가 제조되었을 때, 제제에 대해 열거된 순서로 제3의 베슬에 수성 코팅을 혼합하였다. 각 코팅에서 8개 데이터 포인트를 수집하여 마모 스크럽 내성 테스트(Abrasive Scrub Resistance Test; ASTM D 2486-00에 의거)를 실시하였다.
Figure pat00006
Figure pat00007
Figure pat00008
본 발명의 다단식 유제 폴리머에 보조산을 사용하는 것은 폴리머 조작성과 수성 코팅의 안정성에 유리하였다(PEM이 높을수록 더 높은 레벨의 보조산을 필요로 함). 보조산 레벨이 낮을수록 다단식 유제 폴리머/TiO2 컴포지트를 포함하는 코팅의 스크럽 내성에 유리하였다.
실시예 29. 다단식 유제 폴리머로부터 제조된 코팅의 은폐력 및 스크럽 내성에 대한 다단식 유제 폴리머내의 보조-산의 효과 평가
다단식 유제 폴리머로부터 생성된 컴포지트를 포함하는 수성 코팅 조성물을 제조하고, 코팅의 은폐력 및 스크럽 내성을 평가하였다.
Figure pat00009
본 발명의 다단식 유제 폴리머에 보조산을 사용하는 것은, 유제 폴리머를 함유하는 TiO2/다단식 유제 폴리머 컴포지트를 포함하는 코팅의 스크럽 내성을 기준으로, 더 높은 MAA보다 MAA 보조-산이 낮을수록 유리하였다.
실시예 38. 다단식 유제 폴리머로부터 제조된 코팅의 은폐력에 대한 다단식 유제 폴리머내의 보조-산 및 UMA의 효과 평가
TiO2 및 다단식 유제 폴리머로부터 생성된 컴포지트를 포함하는 수성 코팅 조성물을 제조하고, 코팅의 은폐력 및 광택도를 평가하였다.
Figure pat00010
본 발명의 다단식 유제 폴리머내에서 PEM 및 UMA의 공동-단계(co-staging)는 TiO2 및 유제 폴리머로부터 생성된 컴포지트를 포함하는 코팅에 있어서 보다 우수한 은폐력을 제공하였다.
실시예 43. PEM과 함께 보조산으로서 SSS의 효과
TIPURE R-746(TiO2)와 함께, 다단식 유제 폴리머로부터 컴포지트, 실시예 39-42를 생성한 후, PVC=29.19; VS=34.01 수성 코팅 조성물로 조제하고, 코팅의 스크럽 및 은폐력을 평가하였다.
Figure pat00011
TiO2/폴리머 컴포지트에 사용되는 본 발명의 다단식 유제 폴리머에서 PEM과 함께 보조산으로서 SSS는 약간의 은폐력 감소와 함께 보조산으로서 MAA보다 우수한 스크럽 내성 및 광택도를 갖는 코팅을 제공하였다.
실시예 47. P-산 모노머 단계에서 공중합된 다중에틸렌성 불포화 모노머의 효과
TiO2 첨가를 위한 우수한 혼합 조건하에서 실험 믹서에 열거된 순서로 하나의 베슬에 다단식 유제 폴리머를 포함하는 컴포지트, 실시예 44-46을 제조하였다. 익스텐더 그라인드를, 3개의 코팅 조성물 모두에 사용되는 단일의 커다란 그라인드로 제조하였다. 컴포지트와 익스텐더 그라인드가 제조되었을 때, 제제에 대해 열거된 순서로 제3의 베슬에 페인트를 혼합하였다. 은폐력 S/Mil을 ASTM 테스트법 D-2805.70에 따라 평가하였다. 각 코팅에서 8개 데이터 포인트를 수집하여 마모 스크럽 내성 테스트(ASTM D 2486-00에 의거)를 실시하였다.
Figure pat00012
Figure pat00013

본 발명의 다단식 유제 폴리머 내의 PEM과 동일한 단계에서, 0.5 wt%~1 wt%에서의 ALMA는, 대략적으로 일정한 은폐력에서 스크럽 내성의 저하를 나타내는 TiO2/폴리머 컴포지트를 포함하는 코팅을 제공하였다.

Claims (10)

  1. 공중합 유닛으로서, 유제 폴리머의 중량을 기준으로,
    0.5 중량% 내지 5 중량%의 P-산 모노머;
    0 중량% 내지 0.05 중량%의 다중에틸렌성 불포화 모노머; 및
    적어도 하나의 제2 모노에틸렌성 불포화 모노머를 포함하고;
    -20℃ 내지 50℃의 이론치 Tg를 가지며, 상기 적어도 하나의 제2 모노에틸렌성 불포화 모노머의 유제 공중합으로 생성되는 다단식 유제 폴리머로서,
    여기에서, 전체 모노머 중량의 10% 내지 50%를 포함하는 단계 중에 P-산 모노머의 75 중량% 내지 100 중량%가 상기 제2 모노에틸렌성 불포화 모노머와 동시에 첨가되는, 다단식 유제 폴리머.
  2. 제1항에 있어서, P-산 모노머의 75 중량% 내지 100 중량%가, 첨가되는 전체 모노머 중량의 0% 내지 65%에서 시작하는 단계 중에 제2 모노에틸렌성 불포화 모노머와 동시에 첨가되는 다단식 유제 폴리머.
  3. 제1항 또는 제2항에 있어서, P-산 모노머의 75 중량% 내지 100 중량%가 제2 모노에틸렌성 불포화 모노머와 동시에 첨가되는 단계가, 유제 폴리머의 중량을 기준으로, 0.01 중량% 내지 0.6 중량%의 제2 산 함유 모노머의 첨가를 추가로 포함하는 다단식 유제 폴리머.
  4. 제3항에 있어서, 제2 산 함유 모노머가 메타크릴산 및 소듐 스티렌 설포네이트로 구성된 군으로부터 선택되는 다단식 유제 폴리머.
  5. 제1항 또는 제2항에 있어서, P-산 모노머의 75 중량% 내지 100 중량%가 제2 모노에틸렌성 불포화 모노머와 동시에 첨가되는 단계가, 유제 폴리머의 중량을 기준으로, 0.01 중량% 내지 3 중량%의 알데히드-반응성 그룹-함유 모노머의 첨가를 추가로 포함하는 다단식 유제 폴리머.
  6. 공중합 유닛으로서, 유제 폴리머의 중량을 기준으로,
    0.5 중량% 내지 5 중량%의 P-산 모노머;
    0 중량% 내지 0.05 중량%의 다중에틸렌성 불포화 모노머; 및
    적어도 하나의 제2 모노에틸렌성 불포화 모노머를 포함하고;
    -20℃ 내지 50℃의 이론치 Tg를 갖는 다단식 유제 폴리머의 생성 방법으로서,
    (a) 적어도 하나의 제2 모노에틸렌성 불포화 모노머를 유제 공중합하는 단계; 및
    (b) 전체 모노머 중량의 10% 내지 50%를 포함하는 단계 중에 P-산 모노머의 75 중량% 내지 100 중량%를 상기 제2 모노에틸렌성 불포화 모노머와 동시에 첨가하는 단계를 포함하는 다단식 유제 폴리머의 생성방법.
  7. 제6항에 있어서, P-산 모노머의 75 중량% 내지 100 중량%를, 첨가되는 전체 모노머 중량의 0% 내지 65%에서 시작하는 단계 중에 제2 모노에틸렌성 불포화 모노머와 동시에 첨가하는 방법.
  8. a) TiO2 입자; 및
    b) 상기 TiO2 입자의 표면상에 흡착된, 제1항 내지 제3항 중 어느 한 항의 다단식 유제 폴리머의 복수의 폴리머 입자를 포함하는 컴포지트 입자.
  9. 제8항의 컴포지트 입자를 포함하는 수성 코팅 조성물.
  10. (a) 제9항의 수성 코팅 조성물을 생성하는 단계;
    (b) 상기 수성 코팅 조성물을 기재에 적용하는 단계; 및
    (c) 상기 적용된 수성 코팅 조성물이 건조되거나, 또는 이를 건조시키는 단계를 포함하는 코팅의 제공방법.
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