CN113088125B - 水性涂料成膜助剂、成膜助剂组合物以及水性涂料 - Google Patents
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Abstract
本发明提供了一种水性涂料成膜助剂、成膜助剂组合物以及水性涂料,所述水性涂料成膜助剂通过将脂肪酸与二元醇醚经过酯化反应得到,本发明制备得到的成膜助剂沸点高达330℃,无刺激性气味,并且环境友好,安全环保,克服了醇醚类成膜助剂环保性差的缺陷,适用于多种聚合物乳液体系,且能显著降低水性乳液涂料的成膜温度,改善成膜性能。
Description
技术领域
本发明涉及水性涂料成膜助剂技术领域,具体涉及一种水性涂料成膜助剂、成膜助剂组合物以及一种水性涂料。
背景技术
随着环境法规日益趋严和环保意识的不断增强,建筑外墙漆、内墙漆、木器漆等场合均采用水性涂料替代所有有机溶剂的油性涂料。水性涂料中的聚合物是以稳定的悬浮乳胶粒形式存在的。当水性涂料涂刷在基体表面上时,随着水分的挥发,乳胶粒之间的距离不断缩小,发生挤压变形,最后形成连续的聚合物涂膜。如果环境温度低于乳液中聚合物的玻璃化转变温度Tg时,乳胶粒将无法良好的聚结在一起,造成聚合物物涂膜出现裂纹,严重时涂膜会形成一层毫无附着力的粉末,这种情况下需要向水性涂料中添加成膜助剂,降低最低成膜温度MMFT,提高聚合物涂膜的性能,从而能够提高涂膜的耐擦洗性、展色性、耐候性等诸多性能。
目前使用的水性涂料的组成中成膜助剂为约0.1%至10%,其主要是醇酯、醚醇或酯酮化合物,其中所述化合物在其刺激性气味方面是不利的。另外醇醚类的挥发性较高,且带有一定毒性,在安全环保方面受到很大局限。另外有些成膜助剂如乙二醇醚类在高pH值的乳液体系中会发生水解反应,严重影响性能的发挥。因此,开发一款刺激性气味低、环境友好、低VOC且成膜温度低的成膜助剂显得十分有必要。
发明内容
本发明的目的在于克服现有技术的缺陷,提供了一种水性涂料成膜助剂、成膜助剂组合物以及水性涂料,以解决现有技术中的成膜助剂不环保、成膜温度高等问题。
为了实现以上目的及其他目的,本发明是通过包括以下技术方案实现的:本发明首先提供了一种水性涂料的成膜助剂,所述成膜助剂具有式I结构的化合物或者是具有式II结构的化合物:
其中,n为1至8的整数,R1独立地表示选自碳原子个数为0~4的烷基、碳原子个数为2~4的烯基、碳原子个数为2~4的炔基、苯基或苄基中的任意一种,R2表示碳原子个数为1~4的烷基。
本发明另一方面还提供了另一种水性涂料成膜助剂,所述成膜助剂具有式III结构的化合物或者是具有式IV结构的化合物:
其中,n'为1至8的整数,R1'独立地表示选自碳原子个数为0~4的烷基、碳原子个数为2~4的烯基、碳原子个数为2~4的炔基、苯基或苄基中的任意一种,R2'表示碳原子个数为1~4的烷基。
本发明还提供了一种成膜助剂组合物,所述成膜助剂组合物包括第一成膜助剂以及第二成膜助剂,所述第一成膜助剂选自具有式I结构的化合物或者具有式II结构的化合物中的任意一种,所述第二成膜助剂选自具有式III结构的化合物或者具有式IV结构的化合物中的任意一种,所述第一成膜助剂和所述第二成膜助剂的重量比为1:(0.1~5);
其中,n或者n'为1至8的整数,R1或者R1'独立地表示选自碳原子个数为0~4的烷基、碳原子个数为2~4的烯基、碳原子个数为2~4的炔基、苯基或苄基中的任意一种,R2或者R2'表示碳原子个数为1~4的烷基。
本发明另一方面提供了一种水性涂料成膜助剂的制备方法:所述方法包括将脂肪酸与二元醇醚经过酯化反应得到如式I、式II、式III、式IV所示结构的水性涂料成膜助剂;
其中,n或者n'为1至8的整数,R1或者R1'独立地表示选自碳原子个数为0~4的烷基、碳原子个数为2~4的烯基、碳原子个数为2~4的炔基、苯基或苄基中的任意一种,R2或者R2'表示碳原子个数为1~4的烷基。
在一实施例中,所述酯化反应的温度为100~200℃,所述酯化反应的时间为2~5小时。
本发明还提供了一种水性涂料,所述水性涂料包括水性聚合物分散体以及如上所述的成膜助剂组合物,以所述水性涂料固含为100%计,所述成膜助剂组合物的重量分数为1%~30%。
在一实施例中,所述水性聚合物分散体具有从5℃到10℃的玻璃化转变温度。
在一实施例中,所述聚合物分散体选自丙烯酸共聚物、苯乙烯-丙烯酸共聚物中的一种或两种的混合物。
在一实施例中,以所述水性涂料固含为100%计,所述水性聚合物分散体的重量分数为10%-80%。
本发明最后还提供了一种提供涂层的方法:所述方法包括:形成如上所述的水性涂料;将所述水性涂料应用到基底上;以及干燥所述应用的水性涂料或使所述应用的水性涂料干燥。
如上所述,本发明的主要优点有:本发明制备得到的成膜助剂沸点高达330℃,无刺激性气味,并且环境友好,安全环保,克服了醇醚类成膜助剂环保性差的缺陷,适用于多种聚合物乳液体系,且能显著降低水性乳液涂料的成膜温度,改善成膜性能。
本发明制备得到的成膜助剂是在对水性乳液涂料成膜机理的研究基础上得到的。酮醇酯类化合物和二酸酯类化合物对人体健康没有影响,而且沸点高于250℃,属于非VOC产品。成膜助剂不溶于水,可避免因为水分挥发或涂层基体对水分的吸收造成成膜助剂流失。成膜助剂对任何聚合物乳液体系都具有良好的相容性,对于高pH值乳液体系,也不会发生水解。本发明制备的成膜助剂不仅可以降低涂料的MMFT,还能够有效改善涂料的成膜性能,提高聚合物涂膜的光泽度、展色性、耐候性等多种性能。
参考以下详细说明更易于理解本申请的上述以及其他特征、方面和优点。
具体实施方式
以下通过特定的具体实例说明本发明的实施方式,本领域技术人员可由本说明书所揭露的内容轻易地了解本发明的其他优点与功效。本发明还可以通过另外不同的具体实施方式加以实施或应用,本说明书中的各项细节也可以基于不同观点与应用,在没有背离本发明的精神下进行各种修饰或改变。
本发明首先提供了一种水性涂料的成膜助剂,所述成膜助剂可以是一种脂肪酸二元醇醚酯类的成膜助剂,所述成膜助剂可以是由二元醇醚和油酸经过酯化反应得到,所述成膜助剂可以是具有如式Ⅰ或者如式Ⅱ的结构:
其中,n可以1至8的整数,例如n可以为2、3、4、5、6、7,R1可以独立地表示选自碳原子个数为0~4的烷基,例如碳原子个数可以为0、1、2、3的烷基;或选自碳原子个数为2~4的烯基,例如碳原子个数为3的烯基,或选自碳原子个数为2~4的炔基,例如碳原子个数为3的炔基,或选自苯基或苄基中的任意一种,R2可以表示碳原子个数为1~4的烷基,例如2、3。
本发明还提供了另一种成膜助剂,所述成膜助剂可以是具有如式III或者如式IV的结构,所述另一种成膜助剂可以是由二元醇醚和亚油酸经过酯化反应得到
其中,n'可以1至8的整数,例如n'可以为2、3、4、5、6、7,R1'可以独立地表示选自碳原子个数为0~4的烷基,例如碳原子个数可以为0、1、2、3的烷基;或选自碳原子个数为2~4的烯基,例如碳原子个数为3的烯基,或选自碳原子个数为2~4的炔基,例如碳原子个数为3的炔基,或选自苯基或苄基中的任意一种,R2'可以表示碳原子个数为1~4的烷基,例如2、3。
本发明另一方面还提供了一种成膜助剂组合物,所述成膜助剂组合物可以包括第一成膜助剂以及第二成膜助剂,所述第一成膜助剂选自具有式I结构的化合物或者具有式II结构的化合物中的任意一种,所述第二成膜助剂可以选自具有式III结构的化合物或者具有式IV结构的化合物中的任意一种,所述成膜助剂组合物可以通过将第一成膜助剂和第二成膜助剂经过搅拌混合得到。所述第一成膜助剂和所述第二成膜助剂的重量比可以为1:(0.1~5),例如1:0.2、1:0.5、1:2、1:3等,更进一步的可以是1:2,本发明所述成膜助剂组合物可以用于水性涂料的制备中,所述成膜助剂可以在水性涂料生产过程中加入的。
本发明还提供了一种如上所述成膜助剂的制备方法,所述方法包括将脂肪酸与二元醇醚经过酯化反应得到如式I、式II、式III、式IV所示结构的水性涂料成膜助剂。在一些实施例中,所述脂肪酸可以是油酸或者亚油酸中的任意一种,所述二元醇醚可以具有如下结构式的二元醇醚:
其中,n可以1至8的整数,例如可以为2、3、4、5、6、7,R1可以独立地表示选自碳原子个数为0~4的烷基,例如碳原子个数可以为0、1、2、3的烷基;或选自碳原子个数为2~4的烯基,例如碳原子个数为3的烯基,或选自碳原子个数为2~4的炔基,例如碳原子个数为3的炔基,或选自苯基或苄基中的任意一种,R2可以表示碳原子个数为1~4的烷基,例如2、3。
所述酯化反应可以在催化的条件下进行,所述催化用催化剂可以是甲苯磺酸,所述催化剂的用量可以是所述脂肪酸用量的0.5%~1%,所述反应的温度可以是100~200℃,所述酯化反应的时间可以是12~15小时,所述酯化反应可以进行萃取得到所述成膜助剂,所述萃取可以用二氯甲烷进行萃取。
本发明再一方面还提供了一种水性涂料,所述水性涂料包括水性聚合物分散体以及所述成膜助剂组合物,以所述水性涂料固含总重为100%计,所述成膜助剂组合物的重量分数为1~30%。在一些实施例中,所述成膜助剂组合物的重量分数为1~15%,更进一步的可以是1~12%,例如4%、5%、6%、7%、8%、10%等,本发明通过控制成膜助剂在涂料中的百分比可以保证涂料干燥成膜后膜的完整性并具有一定的透明度,可以在一些实施例中,以所述水性涂料固含总重为100%计,所述水性聚合物分散体的重量分数可以是10~80%,进一步的可以是45~75%,例如50%、60%、65%等。所述水性涂料聚合物分散体原料可以选自丙烯酸共聚物以及苯乙烯-丙烯酸共聚物中的一种或两种的混合。
所述水性涂料还可以包括有颜料、添加剂以及溶剂等。所述颜料可以是包括二氧化钛例如锐钛矿和金红石二氧化钛、氧化锌、氧化锑、氧化铁、硅酸镁、碳酸钙、硅酸铝、硅石、各种粘土如高岭土和涂布粘土等等。所述添加剂可以包括但不限制在颜料增量剂、着色剂、表面活性剂、流变改性剂、纹理剂、消泡剂、杀菌剂、润湿剂、分散剂、交联剂、增稠剂、防冻剂、稳定剂等范围内。
在一些实施例中,为了提高所述水性涂料的固含量,所述水性涂料组合物还包括其他成膜助剂,所述其他成膜助剂在涂料干燥成膜的时候可以不挥发,成为涂膜的一部分,其他成膜助剂可以选自苯甲酸酯、酯-醇、乙二醇-醚、长链脂族醇、芳族醇中的一种或几种。所述溶剂可以为水。
本发明所述水性涂料由于加入了如上所述的成膜助剂组合物可以使得本发明所述聚合物分散体具有较低的玻璃化转变温度,在一些实施例中,本发明所述聚合物分散体的玻璃化转变温度可以是0~15℃,进一步的可以是5~10℃,例如6℃、7℃、8℃、9℃。
本发明还提供了一种形成涂层的方法:所述方法包括:形成如上所述的水性涂料;将所述水性涂料应用到基底上;以及干燥所述应用的水性涂料或使所述应用的水性涂料干燥。在一些实施例中,所述水性涂料可以涂覆到基底材料上,干燥或者烘干后所述水性涂料中的聚合物分散体可以在所述基底上形成一膜涂层。本发明所述水性涂料可以典型地应用于如下基底上,例如木材、金属、塑料、海洋和土木工程基底、水泥基材如混凝土、灰泥、砂浆、预先喷涂过的或上过底漆的表面以及风化面等,更进一步的,本发明所述水性涂料可以是一种建筑用水性涂料。所述水性涂料可以通过常规的涂覆方法应用到基底上,例如刷子、辊子、帘式淋涂机和喷涂的方法,又例如,空气雾化喷涂、空气辅助喷涂、无气喷涂、高容量低压力喷涂以及空气辅助无气喷涂等。所述水性涂料可以通过涂料领域中公知的技术制备。
注意,如没有特别说明,本文中所示的“%”和“份”分别是指“重量%”和“重量份”。
以下,通过引用实施例将更具体地解释本发明,这些实施例不应被理解为是限制性的。在与本发明主旨相一致的范围内,可以进行适当修改,其均落入本发明的技术范围内。
(1)成膜助剂油酸乙二醇甲醚酯(OA-1)的制备
在成膜助剂OA-1的制备中,将1.0摩尔油酸和1.1摩尔乙二醇甲醚添加到圆底烧瓶中,对甲苯磺酸(油酸的1重量%)作为催化剂,在110℃下回流12小时。然后,蒸发体系中的溶剂并用二氯甲烷进行萃取。萃取后,将碳酸氢钠添加到产物中。然后,蒸发二氯甲烷层以获得OA-1,本实施例的化学反应式如下所示。
(2)成膜助剂油酸丙二醇甲醚酯(OA-2)的制备
可以通过与制备OA-1相同的方法制备成膜助剂OA-2,但在第一步中使用丙二醇甲醚代替乙二醇甲醚。
(3)成膜助剂油酸丁二醇甲醚酯(OA-3)的制备
可以通过与制备OA-1相同的方法制备成膜助剂OA-3,但在第一步中使用丁二醇甲醚代替乙二醇甲醚。
(4)成膜助剂油酸二乙二醇乙醚(OA-4)的制备
可以通过与制备OA-1相同的方法制备成膜助剂OA-4,但在第一步中使用二乙二醇乙醚代替乙二醇甲醚。
(5)成膜助剂油酸二丙二醇乙醚(OA-5)的制备
可以通过与制备OA-1相同的方法制备成膜助剂OA-5,但在第一步中使用二丙二醇乙醚代替乙二醇甲醚。
(6)成膜助剂亚油酸乙二醇甲醚酯(LA-1)的制备
在成膜助剂LA-1的制备中,将1.0摩尔亚油酸和1.1摩尔乙二醇甲醚添加到圆底烧瓶中,对甲苯磺酸(亚油酸的1重量%)作为催化剂,对苯二酚作为阻聚剂对甲苯磺酸(油酸的1重量%)在110℃下回流12小时。然后,蒸发体系中的溶剂并用二氯甲烷进行萃取。萃取后,将碳酸氢钠添加到产物中。然后,蒸发二氯甲烷层以获得LA-1产物并进一步分析其特性,本实施例的化学反应式如下所示。
(7)成膜助剂亚油酸丙二醇甲醚酯(LA-2)的制备
可以通过与制备LA-1相同的方法制备成膜助剂LA-2,但在第一步中使用丙二醇甲醚代替乙二醇甲醚。
(8)成膜助剂亚油酸丁二醇甲醚酯(LA-3)的制备
可以通过与制备LA-1相同的方法制备成膜助剂LA-3,但在第一步中使用丁二醇甲醚代替乙二醇甲醚。
(9)成膜助剂亚油酸二乙二醇乙醚(LA-4)的制备
可以通过与制备LA-1相同的方法制备成膜助剂LA-4,但在第一步中使用二乙二醇乙醚代替乙二醇甲醚。
(10)成膜助剂亚油酸二丙二醇乙醚(LA-5)的制备
可以通过与制备LA-1相同的方法制备成膜助剂LA-5,但在第一步中使用二丙二醇乙醚代替乙二醇甲醚。
脂肪酸二元醇醚酯成膜助剂的性能测试
成膜效果
与市售成膜助剂TexanolTM相比,可以根据以下步骤确定成膜助剂OA-1至LA-5的成膜效果。
1、将20g聚合物乳液(丙烯酸共聚物或苯乙烯-丙烯酸的共聚物)添加到测试烧杯中。
2、在搅拌过程中缓慢添加一定量的成膜助剂,直至成膜助剂与结合剂均匀混合。
3、使用线材涂布机在支撑纸上对由步骤2得到的所制备的成膜助剂和结合剂进行拉伸,直至获得100微米厚的膜层。然后,将所得膜在室温下干燥。
4、当膜干燥后,观察膜的外观,要求膜透明且没有破损。
干燥性能
与市售成膜助剂TexanolTM相比,可以根据以下步骤确定成膜助剂OA-1至LA-5的干燥性能。
1、将20g选自丙烯酸共聚物或苯乙烯-丙烯酸共聚物的乳液和一定比例的成膜助剂添加到测试烧杯中,将混合物混合并搅拌至均匀混合。
2、使用线材涂布机在支撑纸上对由步骤1得到的所制备的成膜助剂和结合剂进行拉伸,直至获得100微米厚的膜层。然后,将所得膜在室温下干燥。
3、用手指触摸所制备的膜,记录膜上不再显示指纹时的时间。
玻璃化转变温度
将干燥后的膜按照GB/T19466.2-2004方法通过差示扫描热量测定DSC进行玻璃化转变温度测试。
气味测试
与市售成膜助剂TexanolTM相比,可以根据以下步骤进行成膜助剂OA-1至LA-5的气味测试。
1、将10g混合有不同成膜助剂的聚合物乳液添加到各测试烧杯中。
2、请五名评估员试闻气味并将气味强度记录为0至3,其中3表示最强的气味强度,0表示没有检测到气味。
本发明性能评价表如表1所示,表1中成膜助剂的添加比例均为5%,表1中PE代表没有添加任何成膜助剂的聚合物乳液,PE(TexanolTM)代表加入了市售Texanol型号的聚合物乳液,PE(OA-1)代表仅仅只加入了OA-1成膜助剂的聚合物乳液,PE【OA-1+LA-1(1:0.1)】代表OA-1以及LA-1两种成膜助剂按照1:0.1的质量比加入的聚合物乳液,以此类推。
表1性能评价表
由表1可以看出,将油酸和亚油酸合成的的两种不同的成膜助剂混合加入聚合物乳液中比单独加入一种效果更好,在低成膜温度和成膜效果方面混合的成膜助剂组合物显示出了明显的优势,且成出来的膜也较好。这是因为油酸在降低成膜温度方面总体比亚油酸要好,降得更多,但存在回粘、干燥时间长且膜的透明性不好的问题,亚油酸的正好弥补这一缺陷,且附着力强。
所以,本发明有效克服了现有技术中的种种缺点而具高度产业利用价值。上述实施例仅例示性说明本发明的原理及其功效,而非用于限制本发明。任何熟悉此技术的人士皆可在不违背本发明的精神及范畴下,对上述实施例进行修饰或改变。因此,举凡所属技术领域中具有通常知识者在未脱离本发明所揭示的精神与技术思想下所完成的一切等效修饰或改变,仍应由本发明的权利要求所涵盖。
Claims (8)
3.根据权利要求2所述的方法:其特征在于:所述酯化反应的温度为100~200℃,所述酯化反应的时间为2~5小时。
4.一种水性涂料,其特征在于:所述水性涂料包括水性聚合物分散体以及如权利要求1所述的成膜助剂组合物,以所述水性涂料固含为100%计,所述成膜助剂组合物的重量分数为1%~30%。
5.根据权利要求4所述的水性涂料,其特征在于:所述水性聚合物分散体具有从5℃到10℃的玻璃化转变温度。
6.根据权利要求4所述的水性涂料,其特征在于:所述聚合物分散体选自丙烯酸共聚物、苯乙烯-丙烯酸共聚物中的一种或两种的混合物。
7.根据权利要求4所述的水性涂料,其特征在于:以所述水性涂料固含为100%计,所述水性聚合物分散体的重量分数为10%-80%。
8.一种提供涂层的方法:其特征在于:其包括:
形成如权利要求4所述的水性涂料;
将所述水性涂料应用到基底上;以及
干燥所述应用的水性涂料或使所述应用的水性涂料干燥。
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Legal Events
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PB01 | Publication | ||
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SE01 | Entry into force of request for substantive examination | ||
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GR01 | Patent grant | ||
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