CN106317285A - 一种水性颜料分散剂 - Google Patents
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Abstract
本发明公开了一种颜料分散剂的制备方法，该分散剂是一种接枝改性的具有交联结构的苯乙烯‑二乙烯基苯‑马来酸酐‑丙烯酸共聚物。该分散剂的合成过程，先在1,4‑二氧六环等有机溶剂中，通过普通自由基溶液聚合，得到低分子量的交联型苯乙烯‑二乙烯基苯‑马来酸酐‑丙烯酸共聚物。反应结束后，不除去溶剂，直接加入脂肪醇聚氧乙烯醚或单端氨基聚醚、催化剂进行接枝反应，最后得到接枝改性的具有交联结构的苯乙烯‑二乙烯基苯‑马来酸酐‑丙烯酸共聚物分散剂。本发明所揭示的颜料分散剂，其合成所需反应设备和工艺简单，用该分散剂制备的水性色浆，具有较高的着色力、附着力和储存稳定性。
Description
技术领域
本发明属于精细化工技术领域，具体涉及到一种接枝改性的具有交联结构的苯乙烯-二乙烯基苯-马来酸酐-丙烯酸共聚物分散剂的制备方法及应用。
背景技术
近年来，颜料在涂料、油墨等领域应用日益广泛。相对于染料，颜料大多以粉体或颗粒的形式存在，颜料在水体系中基本不溶解，因而颜料在上述领域应用时，一般是将颜料、分散剂、水等原料经分散、研磨、消泡、过滤等工艺得到的将颜料颗粒稳定分散在水性体系中形成的水性色浆，以水基颜料分散体的形式进行使用。
由于水性色浆中颜料颗粒粒径较小、颜料颗粒表面具有较大的表面能，导致颜料粒子之间容易发生絮凝导致粒径变大，而较大的颗粒粒径对颜料着色力、鲜艳度和亮度等应用效果有十分明显的影响。在高分子分散剂作用下，色浆中的颜料颗粒表面可以形成双电层结构以及空间位阻效应，使颜料颗粒的分散体稳定性得到显著提高，因此，合适的颜料分散剂是制备稳定性和着色力优良水性色浆的重要原料。
苯乙烯-马来酸酐共聚物是常用的颜料分散剂，该类分散剂中的多苯环结构具有亲油性，对颜料粒子具有良好的吸附能力，此外共聚物中的马来酸酐经碱水解后的羧酸根离子可以在颜料粒子表面形成稳定双电层，对颜料颗粒具有良好的分散和稳定效果。然而，高温聚合制备的苯乙烯-马来酸酐共聚物往往分子量偏大，直链型分散剂在溶液中的“架桥”效应较为明显，分散剂容易在颜料颗粒间形成“架桥”效应，导致水性色浆的着色力和储存稳定性下降。通过在分散剂结构内引入交联剂制备交联型聚合物是提升分散剂性能、避免长链分散剂“架桥”效应的重要途径，如公开号为US6336966的美国专利揭示了一种采用原子转移自由基聚合(atom transfer radical polymerization，简称ATRP)技术制备星型颜料分散体的方法，然而，原子转移自由基聚合的制备工艺复杂且成本高昂，难以大规模工业化应用。
近年来，对低分子量的苯乙烯-马来酸酐共聚物研究成为热点，该类共聚物的制备一般采用自由基溶液聚合或沉淀聚合法，如“低分子量SMA交替共聚物的合成”(石油化工,1994,23(11):706-710)一文中介绍了采用沉淀聚合，以甲苯为溶剂制备得到低分子量的苯乙烯-马来酸酐交替共聚物的方法，申请号为CN200910079490.8的中国专利揭示了一种以有机酸烷基酯与烷烃混合溶剂制备得到低分子量的苯乙烯-马来酸酐交替共聚物的方法，申请号为CN201210004482.9的中国专利揭示了一种采用溶液自由基聚合，制备低分子量的苯乙烯-马来酸酐交替共聚物的方法。
然而，低分子量的苯乙烯-马来酸酐共聚物分散剂在具体应用时仍然具有明显缺陷，如共聚物中马来酸酐水解后生成大量的羧酸根离子，亲水性太强，从而导致对有机颜料分子的吸附能力减弱，导致色浆储存稳定性变差。在苯乙烯-马来酸酐共聚物上接枝各类改性剂，是提升分散剂分散性能的重要途径，如公开号为US7078464的美国专利揭示了一种在苯乙烯-马来酸酐共聚物分子链上接枝含胺化合物的方法，接枝后的分散剂能够提升硬度、与聚合物的粘结力等多项性能。
另一方面，由于苯乙烯-马来酸酐共聚物对基材附着力不够，导致其在涂料、油墨等领域的应用性能较差。在合成苯乙烯-马来酸酐共聚物时引入其它单体，是提高共聚物对基材的附着力，从而有效地提高苯乙烯-马来酸酐共聚物的应用范围。但加入丙烯酸等单体制备的苯乙烯-马来酸酐-丙烯酸共聚物用作颜料分散剂以增强附着力的工作还未见报道。
溶液聚合法制备苯乙烯-马来酸酐共聚物时所采用的溶剂以低碳酮为主，以此得到的苯乙烯-马来酸酐共聚物的分子量仍然较高。且在后续接枝改性前需要完全去除溶剂，溶剂的残留对接枝改性有很大的影响。为了满足后续的应用需求和简化生产工艺，需要寻找其他的溶剂体系。
在苯乙烯-马来酸酐共聚物中引入其它可以提升附着力的单体，通过添加交联剂减少长链分子的“架桥效应”，通过添加接枝改性剂提升分散剂的分散性能，通过选择合适的溶剂体系降低共聚物的分子量、改善分散稳定性等性能是一个复杂的苯乙烯-马来酸酐共聚物分散剂改进方式，如何通过简单工艺实现上述目标，在现有技术及文献中均未见相关报道。
发明内容
为了全面解决以上提出的苯乙烯-马来酸酐共聚物分子量高、对颜料分散能力差、色浆着色力低、储存稳定性差、分散剂对基材附着力不够等问题，本发明提供了一种接枝改性的具有交联结构的苯乙烯-二乙烯基苯-马来酸酐-丙烯酸四元共聚物分散剂的制备方法。
为了达到上述目的，本发明采用的技术方案如下：
一种水性颜料分散剂，该分散剂为接枝改性的具有交联结构的苯乙烯‐二乙烯基苯‐马来酸酐‐丙烯酸共聚物，合成工艺的具体步骤如下：
a)交联型共聚物溶液的制备：将马来酸酐、溶剂配成混合溶液，并置于反应器中，升温后，将苯乙烯、二乙烯基苯、丙烯酸、引发剂、链转移剂及中等极性的溶剂组成的混合液，缓慢滴加至反应器中，反应温度控制在70～100℃，滴加时间为2～4小时，所述的苯乙烯、二乙烯基苯、丙烯酸、引发剂、链转移剂及溶剂组成的混合液加全部入后，继续反应1～3小时，得到交联型苯乙烯‐二乙烯基苯‐马来酸酐‐丙烯酸共聚物溶液；
b)接枝改性的具有交联结构共聚物的制备：在所述步骤a)交联型共聚物溶液中加入接枝改性剂和催化剂，反应温度为70～100℃，反应时间为2～6小时，反应结束后，除去溶剂，冷却至室温。
优先的，所用步骤a)和步骤b)的溶剂为1,4‐二氧六环、环已烷、四氢呋喃中的一种。
优先的，丙烯酸占苯乙烯、马来酸酐、丙烯酸三种单体总质量的7％～24％，单体中苯乙烯占苯乙烯、马来酸酐、丙烯酸三种单体总质量的42％～65％，马来酸酐占苯乙烯、马来酸酐、丙烯酸三种单体总质量的25％～51％，交联单体二乙烯基苯占苯乙烯、马来酸酐、丙烯酸三种单体总质量的0.28％～1.36％，引发剂占苯乙烯、二乙烯基苯、马来酸酐、丙烯酸四种单体总质量的2％～10％，链转移剂占苯乙烯、二乙烯基苯、马来酸酐、丙烯酸四种单体总质量的2％～3％。
优先的，所述步骤a)中的引发剂为偶氮二异丁腈、偶氮二异庚腈、过氧化苯甲酰、过氧化二异丙苯，过氧化二特丁酯，过氧化苯甲酸特丁酯中的一种或多种。
优先的，所述步骤b)中的接枝改性剂为脂肪醇聚氧乙烯醚或单端氨基聚醚中；所述接枝改性剂摩尔数占马来酸酐摩尔数的15％～85％。
优先的，所述接枝改性的脂肪醇聚氧乙烯醚具有通式(I)的结构：
其中，R1是含碳数在3～18之间的烷基，且包含3和18，a是5～30之间的整数，且包括5和30。
所述接枝改性的单端氨基聚醚具有通式(II)的结构：
其中，R2是含碳数在3～18之间的烷基，且包含3和18，b是5～30之间的整数，且包含5和30。
优先的，所述步骤b)的催化剂选择为对甲苯磺酸、三氯化铝、三乙胺、4‐二甲氨基吡啶、吡啶中的一种。
优先的，所述步骤a)中的链转移剂为十二硫醇或α-‐甲基苯乙烯线性二聚体。
优先的，本发明制备的水性颜料分散剂在水性颜料色浆中的应用。
本发明具有以下有益效果：
1)本发明引入了丙烯酸单体，经丙烯酸改性过后的交联型苯乙烯-二乙烯基苯-马来酸酐-丙烯酸共聚物对基材的附着力得到提高，从而增加了聚醚接枝改性后的苯乙烯-二乙烯基苯-马来酸酐-丙烯酸共聚物分散剂制备色浆用于涂料、油墨等产品时的附着力。
2)本发明引入了二乙烯基苯交联单体，经二乙烯基苯交联改性过后的聚醚接枝改性交联型苯乙烯-二乙烯基苯-马来酸酐-丙烯酸共聚物分散剂对颜料有更强的吸附和分散作用。
3)交联型苯乙烯-二乙烯基苯-马来酸酐-丙烯酸四元共聚物的制备及其后续的接枝改性过程均在1,4-二氧六环、环己烷、四氢呋喃等中等极性的溶剂中进行，反应温度在100℃以下，所得交联型苯乙烯-二乙烯基苯-马来酸酐-丙烯酸四元共聚物的分子量更低，且两步反应之间不需要更换溶剂，简化了工艺流程，得到的分散剂具有更好的分散效果，避免了大分子量分散剂“架桥”效应导致的色浆着色力及稳定性下降等问题。
4)通过选用脂肪醇聚氧乙烯醚或单端氨基聚醚对聚合物进行接枝，利用脂肪醇聚氧乙烯醚或单端氨基聚醚自身的润湿分散作用且分子量相对较大的特点，提升该分散剂制备色浆的分散效果和着色力，提升色浆储存稳定性。
具体实施例
下面将结合具体的实施例对本发明所述水性颜料分散剂的制备方法及应用进行详细描述，但具体实施例不作为对本发明专利的限定。
原料来源说明：具体实施例所用的试剂均购自国药集团，分析纯，未经处理，直接使用。
实施例1～4和对比实施例5～7为本发明所述接枝改性交联型苯乙烯-二乙烯基苯-马来酸酐-丙烯酸共聚物分散剂的制备实施例和对比实施例。
下列实施例和对比实施例所用接枝改性剂结构为：
接枝改性剂A为
接枝改性剂B为
接枝改性剂C为
接枝改性剂D为
实施例1
在装有搅拌器、回流冷凝装置的1000mL四口圆底烧瓶中一次加入130g 1,4-二氧六环、29.4g马来酸酐，将烧瓶置于恒温油浴锅中，加热搅拌至100℃。在200mL的恒压滴定漏斗中加入41.66g苯乙烯、0.26g二乙烯基苯、21.6g丙烯酸、1.9g偶氮二异丁腈、2.5g十二硫醇、18g 1,4-二氧六环的混合物，滴加到反应器中，滴加时间为2小时，滴加结束后继续反应2小时。往四口烧瓶中加入120g接枝改性剂A、4g三乙胺，温度维持80℃，反应时间为4小时。反应结束后，将溶剂1,4-二氧六环蒸出，冷却至室温，得到接枝改性交联型苯乙烯-二乙烯基苯-马来酸酐-丙烯酸共聚物。经检测，得到的共聚物的重均分子量为12820。
实施例2
在装有搅拌器、回流冷凝装置的1000mL四口圆底烧瓶中一次加入350g 1,4-二氧六环、24.52g马来酸酐，将烧瓶置于恒温油浴锅中，加热搅拌至90℃。在200mL的恒压滴定漏斗中加入62.49g苯乙烯、0.65g二乙烯基苯、10.8g丙烯酸、6g过氧化苯甲酰、2.93g十二硫醇、60g四氢呋喃的混合物，滴加到反应器中，滴加时间为4小时，滴加结束后继续反应3小时。往四口烧瓶中加入59g接枝改性剂B、4g 4-二甲氨基吡啶，温度升至100℃，反应时间为2小时。反应结束后，将溶剂四氢呋喃蒸出，冷却至室温，得到接枝改性交联型苯乙烯-二乙烯基苯-马来酸酐-丙烯酸共聚物。经检测，得到的共聚物的重均分子量为10420。
实施例3
在装有搅拌器、回流冷凝装置的1000mL四口圆底烧瓶中一次加入260g环己烷、49.03g马来酸酐，将烧瓶置于恒温油浴锅中，加热搅拌至70℃。在200mL的恒压滴定漏斗中加入41.66g苯乙烯、0.92g二乙烯基苯、7.21g丙烯酸、9.7g过氧化苯甲酸特丁酯、2.1gα-甲基苯乙烯线性二聚体、40g环己烷的混合物，滴加时间为3小时，滴加结束后继续反应1小时。往四口烧瓶中加入120g接枝改性剂C、3g三氯化铝，温度维持70℃，反应时间为6小时。反应结束后，将溶剂蒸出，冷却至室温，得到接枝改性交联型苯乙烯-二乙烯基苯-马来酸酐-丙烯酸共聚物。经检测，得到的共聚物的重均分子量为12120。
实施例4
在装有搅拌器、回流冷凝装置的1000mL四口圆底烧瓶中一次加入300g 1,4-二氧六环、39.2g马来酸酐，将烧瓶置于恒温油浴锅中，加热搅拌至80℃。在200mL的恒压滴定漏斗中加入83.2g苯乙烯、1.96g二乙烯基苯、21.6g丙烯酸、8g偶氮二异丁腈、3gα-甲基苯乙烯线性二聚体、50g 1,4-二氧六环的混合物，滴加时间为3小时，滴加结束后继续反应1小时。往四口烧瓶中加入150g接枝改性剂D、4g对甲基苯磺酸，温度维持80℃，反应时间为6小时。反应结束后，将溶剂蒸出，冷却至室温，得到接枝改性交联型苯乙烯-二乙烯基苯-马来酸酐-丙烯酸共聚物。经检测，得到的共聚物的重均分子量为11280。
对比实施例5
在装有搅拌器、回流冷凝装置的1000mL四口圆底烧瓶中一次加入300g丁酮、39.2g马来酸酐，将烧瓶置于恒温油浴锅中，加热搅拌至80℃。在200mL的恒压滴定漏斗中加入83.2g苯乙烯、1.96g二乙烯基苯、21.6g丙烯酸、8g偶氮二异丁腈、3gα-甲基苯乙烯线性二聚体、50g丁酮的混合物，滴加时间为3小时，滴加结束后继续反应1小时。往四口烧瓶中加入150g接枝改性剂D、4g对甲基苯磺酸，温度维持80℃，反应时间为6小时。反应结束后，将溶剂蒸出，冷却至室温，得到接枝改性交联型苯乙烯-二乙烯基苯-马来酸酐-丙烯酸共聚物。经检测，得到的共聚物的重均分子量为19320。
对比实施例6
在装有搅拌器、回流冷凝装置的1000mL四口圆底烧瓶中一次加入300g 1,4-二氧六环、39.2g马来酸酐，将烧瓶置于恒温油浴锅中，加热搅拌至80℃。在200mL的恒压滴定漏斗中加入83.2g苯乙烯、1.96g二乙烯基苯、21.6g丙烯酸、8g偶氮二异丁腈、3gα-甲基苯乙烯线性二聚体、50g 1,4-二氧六环的混合物，滴加时间为3小时，滴加结束后继续反应1小时。反应结束后，将溶剂蒸出，冷却至室温，得到未接枝改性的交联型苯乙烯-二乙烯基苯-马来酸酐-丙烯酸共聚物。经检测，得到的共聚物的重均分子量为4638。
对比实施例7
在装有搅拌器、回流冷凝装置的1000mL四口圆底烧瓶中一次加入300g丁酮、60.8g马来酸酐，将烧瓶置于恒温油浴锅中，加热搅拌至80℃。在200mL的恒压滴定漏斗中加入83.2g苯乙烯、1.96g二乙烯基苯、8g偶氮二异丁腈、3gα-甲基苯乙烯线性二聚体、50g丁酮的混合物，滴加时间为3小时，滴加结束后继续反应1小时。往四口烧瓶中加入150g接枝改性剂D、4g对甲基苯磺酸，温度维持80℃，反应时间为6小时。反应结束后，将溶剂蒸出，冷却至室温，得到接枝改性交联型苯乙烯-二乙烯基苯-马来酸酐共聚物。经检测，得到的共聚物的重均分子量为21560。
对比实施例8
在装有搅拌器、回流冷凝装置的1000mL四口圆底烧瓶中一次加入300g 1,4-二氧六环、39.2g马来酸酐，将烧瓶置于恒温油浴锅中，加热搅拌至80℃。在200mL的恒压滴定漏斗中加入83.2g苯乙烯、21.6g丙烯酸、8g偶氮二异丁腈、3gα-甲基苯乙烯线性二聚体、50g丁酮的混合物，滴加时间为3小时，滴加结束后继续反应1小时。往四口烧瓶中加入150g接枝改性剂D、4g对甲基苯磺酸，温度维持80℃，反应时间为6小时。反应结束后，将溶剂蒸出，冷却至室温，得到接枝改性非交联型苯乙烯-马来酸酐-丙烯酸共聚物。经检测，得到的共聚物的重均分子量为10100。
应用实施例9～12和对比应用实施例13～16
应用实施例9～12和对比应用实施例13～16为实施例1～4及对比实施例5～8所制备颜料分散剂制备颜料蓝15:3水性色浆的应用，各组分占色浆的质量百分比如表1所示。该色浆制备过程为，将表1中分散剂、润湿剂、有机溶剂和去离子水混合均匀后加入颜料高速分散，再以卧式砂磨机研磨该混合物至细度小于15μm，添加少量消泡剂、防霉抗菌剂并过滤，即得水性色浆产品。
表1.应用实施例9～12和对比应用实施例13～16中各组分占色浆的质量百分比
色浆性能测试
根据HG/T 3951-2007附录B测试水性色浆的相对着色力；在乳胶漆中，添加占乳胶漆总质量5％的上述应用实施例及对比应用实施例制备的水性色浆，混合均匀后形成有色乳胶漆，以有色乳胶漆制备漆膜，并按照标准《GB 1720-1979漆膜附着力测定法》测试漆膜的附着力。其中，测试颜料蓝15:3水性色浆相对着色力时以应用实施例11制备的水性色浆为标准，并记为100％。通过目测，观察水性色浆在25℃下密闭放置180天后，有无出现明显颜料颗粒沉淀、絮凝等严重影响储存稳定性的情况。
表2是应用实施例9～12和对比应用实施例13～16制备色浆根据上述方法测试的结果，其中储存稳定性测试，“√”表示目测无异常，“×”表示目测出现明显颜料颗粒沉淀、絮凝情况。
表2.应用实施例9～12和对比应用实施例13～16制备色浆性能测试结果
Claims (10)
1.一种水性颜料分散剂，该分散剂为接枝改性的具有交联结构的苯乙烯-二乙烯基苯-马来酸酐-丙烯酸共聚物，其特征在于，合成工艺的具体步骤如下：
a)交联型共聚物溶液的制备：将马来酸酐、溶剂配成混合溶液，并置于反应器中，升温后，将苯乙烯、二乙烯基苯、丙烯酸、引发剂、链转移剂及中等极性的溶剂组成的混合液，缓慢滴加至反应器中，反应温度控制在70～100℃，滴加时间为2～4小时，所述的苯乙烯、二乙烯基苯、丙烯酸、引发剂、链转移剂及溶剂组成的混合液加全部入后，继续反应1～3小时，得到交联型苯乙烯-二乙烯基苯-马来酸酐-丙烯酸共聚物溶液；
b)接枝改性的具有交联结构共聚物的制备：在所述步骤a)交联型共聚物溶液中加入接枝改性剂和催化剂，反应温度为70～100℃，反应时间为2～6小时，反应结束后，除去溶剂，冷却至室温。
2.根据权利要求书1所述的水性颜料分散剂，其特征在于，所用步骤a)和步骤b)的溶剂为1,4-二氧六环、环已烷、四氢呋喃中的一种。
3.根据权利要求书1所述的水性颜料分散剂，其特征在于，所述步骤a)中，丙烯酸占苯乙烯、马来酸酐、丙烯酸三种单体总质量的7％～24％，单体中苯乙烯占苯乙烯、马来酸酐、丙烯酸三种单体总质量的42％～65％，马来酸酐占苯乙烯、马来酸酐、丙烯酸三种单体总质量的25％～51％，交联单体二乙烯基苯占苯乙烯、马来酸酐、丙烯酸三种单体总质量的0.28％～1.36％，引发剂占苯乙烯、二乙烯基苯、马来酸酐、丙烯酸四种单体总质量的2％～10％，链转移剂占苯乙烯、二乙烯基苯、马来酸酐、丙烯酸四种单体总质量的2％～3％。
4.根据权利要求书1所述的水性颜料分散剂，其特征在于，所述步骤a)中的引发剂为偶氮二异丁腈、偶氮二异庚腈、过氧化苯甲酰、过氧化二异丙苯，过氧化二特丁酯，过氧化苯甲酸特丁酯中的一种或多种。
5.根据权利要求书1所述的水性颜料分散剂，其特征在于，所述步骤b)中的接枝改性剂为脂肪醇聚氧乙烯醚或单端氨基聚醚中；所述接枝改性剂摩尔数占马来酸酐摩尔数的15％～85％。
6.根据权利要求书5所述的水性颜料分散剂，其特征在于，所述接枝改性的脂肪醇聚氧乙烯醚具有通式(I)的结构：
其中，R1是含碳数在3～18之间的烷基，且包含3和18，a是5～30之间的整数，且包括5和30。
7.根据权利要求书5所述的水性颜料分散剂，其特征在于，所述接枝改性的单端氨基聚醚具有通式(II)的结构：
其中，R2是含碳数在3～18之间的烷基，且包含3和18，b是5～30之间的整数，且包含5和30。
8.根据权利要求书1所述的水性颜料分散剂，其特征在于，所述步骤b)的催化剂选择为对甲苯磺酸、三氯化铝、三乙胺、4-二甲氨基吡啶、吡啶中的一种。
9.根据权利要求书1所述的水性颜料分散剂，其特征在于，所述步骤a)中的链转移剂为十二硫醇或α-甲基苯乙烯线性二聚体。
10.根据权利要求1-9制备的水性颜料分散剂在水性颜料色浆中的应用。
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