一种高pH阳离子型聚丙烯酸酯抗菌乳液及制备和无防腐抗菌
剂添加的内墙涂料及制备
技术领域
本发明属于涂料技术领域,更具体地,涉及一种高pH阳离子型聚丙烯酸酯抗菌乳液及制备和无防腐抗菌剂添加的内墙涂料及制备。
背景技术
水性涂料以水为分散介质并富含大量有机组分如纤维素、乳液等,易受细菌霉菌等微生物的腐蚀从而导致涂料变质、发臭、粘度异常,上墙后的涂料在长期潮湿阴暗的环境下还会滋生霉菌导致墙皮发黑、脱落,严重危害家居环境。
涂料的防腐技术通常是通过在涂料配方中添加防腐抗菌剂获得。目前常见的防腐抗菌剂分为无机类抗菌剂、有机类抗菌剂和少量光催化类。其中:
无机类抗菌剂主要以银铜锌为主要原料,此类抗菌剂具有广谱性但抗菌时效短,且这些游离的金属离子释放到环境中会严重危害水生物的生长,危害环境健康。有机类抗菌剂以异噻唑啉酮及其衍生物为主要代表,其杀菌效果好,但研究表明这类防腐剂含有潜在的接触过敏性,能引发人体接触性皮炎,产生严重的过敏反应。此外,异噻唑啉酮类化合物可以通过人体接触进入体内,直接或间接影响正常的激素代谢,且其代谢物和转换产物常表现出一定的生物活性和生物积累。其他抗菌剂如光催化类,需要在紫外光激发下才能产生抗菌活性,应用条件有限且制备成本较高,不具有广泛应用性。
通过对聚合物乳液进行改性,以物理或化学的方式嵌入具有抗菌功能的材料而使乳液及其制备的涂料具有抗菌性是目前制备抗菌涂料的一个方向。其中:(1)以物理掺混的方式将小分子抗菌剂直接与聚合物乳液混合,制备工艺简单,但小分子抗菌剂与聚合物乳液结合牢度差,抗菌剂易溶出,如CN105949900B的发明专利公开了一种含硫化银纳米颗粒的水性抗菌涂料的制备方法,其制备方式简单,直接将负载具有抗菌功能的硫化银纳米颗粒的杂化材料水溶液加入到水性树脂分散体中,再加入增塑剂和颜料搅拌均匀即可制备具有抗菌功能的水性涂料,但硫化银纳米颗粒的杂化材料与水性树脂分散体仅仅以物理方式掺杂,存在结合强度差和乳液稳定性差的问题。(2)以化学键将抗菌单体键接到乳液聚合物大分子链上,制备的乳液稳定性更佳。CN113136003B公开了一种含噻唑结构的苯丙抗菌乳液的制备方法,通过将含噻唑结构的单体化学结合到聚合物乳液大分子链上赋予乳液持久抗菌性,在应用中无需额外添加杀菌剂,但有研究表明,噻唑结构物质对人体的皮肤和眼睛有刺激性作用,经皮肤吸收和摄入后对身体有害,环保性较差。
综上可知,目前针对涂料防腐主要是通过在涂料中直接添加防腐抗菌剂,但存在抗菌持久性差、抗菌剂易溶出的风险,且大部分防腐抗菌剂对人体和环境有害。通过对乳液进行抗菌改性是一种新的方式。但,目前乳液抗菌改性一般是通过将具有抗菌性的材料以物理或化学结合的方式引入乳液中,常见的手段是将无机小分子抗菌剂(如金属离子及其化合物)、阳离子抗菌类材料(如季铵盐类抗菌剂)、其他抗菌材料如含噻唑结构的抗菌剂、有机胍类、天然壳聚糖类等引入乳液聚合中,也存在较多问题。因此,目前亟待提出一种新的对乳液进行改性的方法,从而使其具备抗菌性,不仅可以使乳液在储存中免受细菌病毒的侵蚀,而且以其制备的涂料也无需额外添加防腐剂,所制备的涂料更加环保安全。
发明内容
本发明的目的是针对现有技术的不足,提出一种高pH阳离子型聚丙烯酸酯抗菌乳液及制备和无防腐抗菌剂添加的内墙涂料及制备。本发明所述的乳液既具有强碱性又具有强阳离子性质,可实现自身防腐,由其制备的涂料无需额外添加防腐抗菌剂,具有较好的储存稳定性,涂料更加环保安全。
为了实现上述目的,本发明第一方面提供了一种高pH阳离子型聚丙烯酸酯抗菌乳液,所述乳液的原料包括如下组分:乳化剂、引发剂、碳酸氢钠、水、丙烯酸酯类单体、阳离子单体、甲基苯乙烯异氰酸酯单体和超支化聚乙烯亚胺。
在本发明中,本发明制备的乳液同时具备高pH性和高阳离子性。由于大部分细菌适宜生长的环境pH为弱酸性至弱碱性,在强碱环境下,微生物的蛋白质会变性,难以存活,同时乳液中的正电荷能吸附带负电荷的细胞膜,与细菌细胞膜上的负电荷相互作用,破坏细菌细胞壁的完整性,使细胞膜失调,并抑制细胞内酶的活性,最终导致细菌死亡。因此,在本发明的乳液的高pH性和阳离子特性的双重加持下,乳液自身可具备抗菌功能,其制备的涂料也无需额外添加防腐剂。
本发明一方面引入在水溶液中具有强碱性和阳离子性的聚乙烯亚胺,同时以甲基丙烯酰氧乙基三甲基氯化铵作为阳离子单体,通过乳液聚合键接在聚丙烯酸酯乳液中,以此制备的乳液既具有强碱性又具有阳离子性,阳离子性既可由聚乙烯亚胺提供,又可由阳离子单体提供,同时阳离子单体中的季铵基团具有高效抑菌、杀菌作用,细菌微生物在强碱性和强阳离子溶液中无法存活,两者协同作用,达到高效抑菌防腐的目的。
在本发明中,聚乙烯亚胺分为普通线型结构和高度支化结构。超支化聚乙烯亚胺是具有高度支化结构的聚乙烯亚胺。与普通的线性聚乙烯亚胺相比,支化聚乙烯亚胺分子结构更加分散和复杂,其中支链的数量和长度也更多样化,具有大量的胺基,物理性能和化学性能更优。
根据本发明,优选地,所述乳液的pH为10.5-11.5。
根据本发明,优选地,所述乳液的原料包括如下组分:乳化剂1-2重量份、引发剂1-2重量份、碳酸氢钠0.5-1.0重量份、水500-600重量份、丙烯酸酯类单体100-400重量份、阳离子单体1-3质量份、甲基苯乙烯异氰酸酯单体40-50质量份和超支化聚乙烯亚胺40-50质量份。
根据本发明,优选地,所述乳化剂为阴离子乳化剂,优选地,所述阴离子乳化剂为十二烷基磺酸钠、十二烷基硫酸钠和十二烷基硫酸铵中的至少一种。
根据本发明,优选地,所述引发剂为过硫酸钾和/或过硫酸铵。
根据本发明,优选地,所述丙烯酸酯类单体为软单体和/或硬单体;优选地,所述软单体为丙烯酸乙酯、丙烯酸丁酯和丙烯酸异辛酯中的至少一种;优选地,所述硬单体为甲基丙烯酸甲酯和/或甲基丙烯酸乙酯;优选地,所述软单体和硬单体的比例为(1.5-2.5):(0.8-1.2)。
根据本发明,优选地,所述阳离子单体为甲基丙烯酰氧乙基三甲基氯化铵。
根据本发明,优选地,所述超支化聚乙烯亚胺为均分子量1200的超支化聚乙烯亚胺、均分子量1800的超支化聚乙烯亚胺和均分子量10000的超支化聚乙烯亚胺中的至少一种。
本发明第二方面提供了所述的高pH阳离子型聚丙烯酸酯抗菌乳液的制备方法,所述制备方法包括:将所述乳化剂、引发剂、碳酸氢钠、水、丙烯酸酯类单体、阳离子单体、甲基苯乙烯异氰酸酯单体和超支化聚乙烯亚胺混合并进行乳液聚合反应,得到所述高pH阳离子型聚丙烯酸酯抗菌乳液。
根据本发明,优选地,所述制备方法包括如下步骤:
S1:将丙烯酸酯类单体、阳离子单体、一部分乳化剂和一部分水混合搅拌均匀并乳化,得到预乳化液A;
S2:将甲基苯乙烯异氰酸酯单体、超支化聚乙烯亚胺、其他部分乳化剂和其他部分水混合并反应,得到预乳化液B;
S3:配制引发剂水溶液;升温并将碳酸氢钠、一部分引发剂水溶液和一部分预乳化液A混合,得到第一乳化液体系,待所述第一乳化液体系泛蓝光后,将泛蓝光乳化液体系与其他部分预乳化液A和另一部分引发剂水溶液混合,保温,得到第二乳化液体系;
S4:保持步骤S3的温度不变,将所述第二乳化液体系、预乳化液B和剩余部分引发剂水溶液混合并保温,然后依次经降温、过滤、出料,得到所述高pH阳离子型聚丙烯酸酯抗菌乳液。
在本发明中,本发明的高pH阳离子型聚丙烯酸酯抗菌乳液包括三类单体,即本发明以丙烯酸酯类单体为主单体、经超支化聚乙烯亚胺改性的甲基苯乙烯异氰酸酯单体(即预乳化液B)为功能单体、甲基丙烯酰氧乙基三甲基氯化铵为阳离子单体。
根据本发明,优选地,在步骤S1中:
所述搅拌的速度为800-1200r/min;
所述乳化的时间为25-35min。
根据本发明,优选地,在步骤S2中:
所述反应的温度为20-30℃,时间为12-36h;
所述一部分乳化剂与所述其他部分乳化剂的用量比为(1.5-2.5):(0.8-1.2);
所述一部分水与所述其他部分水的用量比为(1.5-2.5):(0.8-1.2)。
根据本发明,优选地,在步骤S3中:
所述引发剂水溶液中的引发剂的质量浓度为0.5-1.5%;
所述升温为使进行步骤S3的温度为70-80℃;
保温的时间为1-1.5h;
所述一部分引发剂水溶液、另一部分引发剂水溶液和剩余部分引发剂水溶液的用量比为(0.8-1.2):(0.8-1.2):(0.8-1.2);
所述一部分预乳化液A与其他部分预乳化液A的用量比为(0.8-1.2):(1.5-2.5)。
根据本发明,优选地,在步骤S4中:
保温的时间为1-1.5h;
降温至35-45℃。
本发明第三方面提供了一种无防腐抗菌剂添加的内墙涂料,所述内墙涂料包括如下组分:水、纤维素醚及其衍生物、助剂、所述的高pH阳离子型聚丙烯酸酯抗菌乳液,以及任选的包括颜填料。
根据本发明,优选地,所述内墙涂料包括如下组分:水20-30重量份、纤维素醚及其衍生物0.5-1.0重量份、助剂2-4重量份、高pH阳离子型聚丙烯酸酯抗菌乳液20-30重量份、颜填料40-45重量份。
根据本发明,优选地,所述纤维素醚及其衍生物为羟乙基纤维素、甲基羟乙基纤维素、乙基羟乙基纤维素和甲基羟丙基纤维素中的至少一种。
根据本发明,优选地,所述颜填料为钛白粉、高岭土和碳酸钙中的至少一种。
根据本发明,优选地,所述助剂为润湿剂、分散剂、pH调节剂、成膜助剂、抗冻剂和消泡剂中的至少一种。优选地,所述pH调节剂为有机胺类pH调节剂和/或无机类pH调节剂;优选地,所述成膜助剂为醇酯类成膜助剂和/或混合酯类成膜助剂;优选地,所述抗冻剂为表面活性剂类抗冻剂和/或醇醚类抗冻剂;优选地,所述消泡剂为矿物油类消泡剂和/或有机硅类消泡剂。
本发明第四方面提供了所述的无防腐抗菌剂添加的内墙涂料的制备方法,所述内墙涂料的制备方法包括将所述水、纤维素醚及其衍生物、助剂、高pH阳离子型聚丙烯酸酯抗菌乳液和任选的颜填料混合搅拌均匀,制得所述内墙涂料。
本发明的技术方案的有益效果如下:
1、本发明创造性地将超支化聚乙烯亚胺和甲基丙烯酰氧乙基三甲基氯化铵(阳离子单体)引入乳液聚合物中,其中:
(1)聚乙烯亚胺含有大量具有强反应性和可质子化的胺基,其水溶液呈强碱性,胺基的质子化使得聚乙烯亚胺水溶液带大量正电荷,其与甲基苯乙烯异氰酸酯单体反应后的产物可与丙烯酸酯类单体发生自由基聚合反应从而将聚乙烯亚胺键合到乳液大分子上;
(2)甲基丙烯酰氧乙基三甲基氯化铵是一种具有可反应性不饱和双键和季铵基团的阳离子单体,将其反应到乳液大分子上可使乳液带有抗菌性的季铵盐基团;
(3)聚乙烯亚胺和阳离子单体协同作用,创造性地赋予乳液强碱性和强阳离子性能,达到高效抑菌防腐的目的,可实现乳液在运输和储存过程中具备自身防腐特性。
2、以本发明制备的乳液为原料制备内墙涂料,乳液的强碱性和强阳离子性使得所制备的涂料无需额外添加防腐抗菌剂,可简化涂料制备工艺,实现涂料罐内防腐,涂料成膜后,漆膜仍呈强碱性,且漆膜中的季铵基团以化学键结合在乳液大分子链上,不会轻易溶出,可赋予漆膜持久抗菌性。
3、本发明制备乳液用的原料在市面上容易获得且价格较低,所制备的乳液具有超低VOC、低气味、耐候性好等特点,适用于内墙高档乳胶漆的制备。
4、本发明中使用的聚乙烯亚胺和阳离子单体生物毒性较低,不会对皮肤产生刺激性作用,所制备的乳液和涂料更环保安全。
本发明的其它特征和优点将在随后具体实施方式部分予以详细说明。
具体实施方式
下面将更详细地描述本发明的优选实施方式。虽然以下描述了本发明的优选实施方式,然而应该理解,可以以各种形式实现本发明而不应被这里阐述的实施方式所限制。相反,提供这些实施方式是为了使本发明更加透彻和完整,并且能够将本发明的范围完整地传达给本领域的技术人员。
以下各个实施例中:
所述分散剂选购自深圳海川新材料科技有限公司Dispersant 5040;
所述pH调节剂为20%氢氧化钠水溶液;
所述成膜助剂为混合酯类成膜助剂,为生兴行化学(上海)有限公司LOCA DA;
所述抗冻剂为表面活性剂类抗冻剂,为(上海昊昶精细化工有限公司FT100XTRIM);
所述消泡剂为矿物油类消泡剂为巴斯夫(中国)有限公司ST 2410矿物油类消泡剂;
甲基丙烯酰氧乙基三甲基氯化铵选购自阿拉丁试剂(上海)有限公司;甲基苯乙烯异氰酸酯单体选购自广州昊毅新材料科技股份有限公司;
超支化聚乙烯亚胺(均分子量1800)选购自阿拉丁试剂(上海)有限公司。
实施例1
本实施例提供一种高pH阳离子型聚丙烯酸酯抗菌乳液,所述乳液的原料包括如下组分:乳化剂十二烷基磺酸钠1.5重量份、引发剂过硫酸钾1.5重量份、碳酸氢钠0.5重量份、去离子水530重量份、软单体丙烯酸丁酯250重量份、硬单体甲基丙烯酸甲酯125重量份、阳离子单体甲基丙烯酰氧乙基三甲基氯化铵1.5质量份、甲基苯乙烯异氰酸酯单体45质量份和超支化聚乙烯亚胺(均分子量1800)45质量份。
所述高pH阳离子型聚丙烯酸酯抗菌乳液的制备方法包括如下步骤:
S1:将丙烯酸酯类单体、阳离子单体、2/3乳化剂和2/3去离子水在1000r/min速度下强烈搅拌,混合均匀,乳化时间30min,得到预乳化液A;
S2:将甲基苯乙烯异氰酸酯单体、超支化聚乙烯亚胺、1/3乳化剂和1/3去离子水在25℃条件下混合均匀,混合时间24h,得到预乳化液B;
S3:将引发剂用去离子水溶解后制得1%质量浓度的引发剂水溶液;升温至80℃,在80℃下,向碳酸氢钠中滴加1/3引发剂水溶液和1/3预乳化液A,得到第一乳化液体系,待所述第一乳化液体系泛蓝光后,向泛蓝光乳化液体系中滴加2/3预乳化液A和1/3引发剂水溶液,约2h滴加完毕,保温1h,得到第二乳化液体系;
S4:保持80℃的温度不变,向所述第二乳化液体系中滴加预乳化液B和1/3引发剂水溶液,保温1h,随后降温至40℃,过滤,出料,得到所述高pH阳离子型聚丙烯酸酯抗菌乳液。
实施例2
本实施例提供一种无防腐抗菌剂添加的内墙涂料,所述内墙涂料包括如下组分:去离子水28.2重量份、羟乙基纤维素0.5重量份、助剂(分散剂1.0重量份、pH调节剂0.2重量份、成膜助剂1.0重量份、抗冻剂0.5重量份和消泡剂0.6重量份,防腐抗菌剂0重量份)、实施例1的高pH阳离子型聚丙烯酸酯抗菌乳液25重量份、颜填料(钛白粉25重量份、煅烧高岭土10重量份和1250目碳酸钙8重量份)。
所述的无防腐抗菌剂添加的内墙涂料的制备方法包括:
(1)将分散剂、抗冻剂、羟乙基纤维素、pH调节剂、1/2消泡剂、2/3去离子水混合,调节转速至800r/min,混合10min,得到预混液。
(2)将颜填料加入步骤(1)中的预混液中,在1500r/min下高速分散15min,得到浆料。
(3)转速降至800r/min,将实施例1的高pH阳离子型聚丙烯酸酯抗菌乳液、成膜助剂、1/2消泡剂、1/3去离子水混合均匀,混合10min,得到所述内墙涂料。
实施例3、对比例1-3分别提供一种内墙涂料,具体成分和用量见表1。其中,对比例1和对比例2的防腐抗菌剂均由托尔专用化学品(镇江)有限责任公司RSC和朗盛(常州)有限公司备防多BM5组成,且RSC:BM5=1:4。
表1
测试例
本测试例对实施例1的乳液、实施例2-3的内墙涂料、对比例1-3的内墙涂料进行测试,包括:热储存稳定性、低温成膜性、耐洗刷性、抗泛碱性、抗泛盐碱性、VOC和游离甲醛含量检测。
其中:
乳液的热储存稳定性的测试方法为:取一定量的乳液置于50℃烘箱中,分别储存1周、2周和1个月,观察乳液有无破乳、腐败、凝胶、变色等异常现象,并测试乳液pH变化。
内墙涂料的热储存稳定性的测试方法为:热储存前分别对实施例2-3、对比例1-3进行粘度、pH、白度测试,并记录开罐状态及测试结果,然后分别于50℃储存1周、2周、1个月后进行粘度、pH、白度测试,并记录开罐状态及测试结果。
实施例1-3和对比例1-3的热储存稳定性的结果如表2所示。
低温成膜性测试方法:按照GBT 9756-2018相关规定进行,结果如表3。
耐洗刷性测试方法:按照GBT 9756-2018相关规定进行,结果如表4。
抗泛碱性和抗泛盐碱性测试方法根据JG/T 210-2018进行,结果如表5。VOC和游离甲醛含量检测根据GB 18582-2008进行,结果如表6。
表2
由表2可知:
实施例1的乳液的储存稳定性良好,pH在热储存中能保持相对稳定,实施例2和实施例3的涂料的储存稳定性较好,pH在热储存中能保持相对稳定,对比例1和对比例2的涂料为普通乳液并添加罐内防腐剂,其储存稳定性也较好,对比例3的涂料为普通乳液未添加罐内防腐剂,50℃储存2周后开罐状态开始出现异常,粘度稀化,气味异常,伴有絮凝状等现象。
表3
性能指标 |
实施例2 |
实施例3 |
对比例1 |
对比例2 |
对比例3 |
低温成膜性 |
无异常 |
无异常 |
无异常 |
无异常 |
无异常 |
表4
性能指标 |
实施例2 |
实施例3 |
对比例1 |
对比例2 |
对比例3 |
耐洗刷性/次 |
>6000 |
>6000 |
>6000 |
>6000 |
>6000 |
表5
表6
由表3-6可知,实施例2和实施例3采用本发明自制高pH阳离子型聚丙烯酸酯抗菌乳液,未额外添加防腐剂,其低温成膜性、抗泛碱、抗泛盐碱性、耐洗刷性均无异常,VOC和游离甲醛未检出。
以上已经描述了本发明的各实施例,上述说明是示例性的,并非穷尽性的,并且也不限于所披露的各实施例。在不偏离所说明的各实施例的范围和精神的情况下,对于本技术领域的普通技术人员来说许多修改和变更都是显而易见的。