水溶性醇酸树脂涂料的研究进展

1、2005年 赣 南 师 范 学 院 学 报 . 6第六期 Journal of G annan Teachers College Dec. 2005水溶性醇酸树脂涂料的研究进展 胡乔生 1,2, 叶家波 1, 范小林 2, 张熊禄 1,2(1. 赣南师范学院 化学与生命科学系 ;2. 赣南师范学院 现代分子科学与新材料技术研究所 , 江西 赣州 341000摘 要 :综述了水溶性醇酸树脂涂料原料的选用 、 水性化途径 、 , 讨论 了其改性方法及其在工业领域中的应用 , .关键词 :涂料 ; 水溶性 ; 醇酸树脂中图分类号 :O623.42+6 文献标识码 :A- -0054-041 概述年提

2、出的 1, 它是以多元醇 、 多元酸以及脂肪酸为主要原料 , 通过缩聚反应 2、 原料易得 、 树脂涂膜综合性能好 , 醇酸树脂已成为合成树脂中用量最大 、 用途最 广的品种之一 . 但是 , , 传统的醇酸树脂涂料含有大量溶剂 (质量比大于 40% , 在生产施工过程中会严 重危害环境和操作人员的身体健康 . 近年来 , 世界各国环保法规日益严格 , 传统的溶剂型涂料受到越来越大的挑战 , 涂料的水 性化 、 高固体化趋势日益明晰 .水溶性涂料是在成膜聚合物中引进亲水的或水可增溶的基团 , 使其成为可以水为溶解介质的一种涂料 , 它是 20世纪 60年代发展起来的一类新型的低污染 、 省能源

3、 、 省资源涂料 . 由于其优点明显 , 涂料水溶性的研究应用已引起了广泛的关注并取 得了重要进展 . 水溶性醇酸树脂涂料是新的发展趋势 , 得到了大量的研究开发 36.2 水溶性醇酸树脂涂料的研究现状2. 1 合成树脂的原料及配方用于合成醇酸树脂的原料有 :植物油或脂肪酸 、 多元醇 、 多元酸 、 共溶剂和中和剂等 . 各种原料的作用不同 , 对水溶性醇酸 树脂性能的影响也不同 .植物油或脂肪酸 合成醇酸树脂常用的植物油有豆油 、 亚麻油 、 红花油 、 (氢化或脱水 蓖麻油 、 葵花籽油 、 桐油 、 椰子油等 . 其中蓖麻油 、 氢化蓖麻油合成的醇酸树脂水溶性最好 , 椰子油次之 ,

4、脱水蓖麻油 、 豆油 、 亚麻油较差 .多元醇 常用于合成醇酸树脂的多元醇有甘油 、 季戊四醇和三羟甲基丙烷 . 由甘油制备的醇酸树脂水溶性 、 干率和树脂 的稳定性较差 . 季戊四醇反应较甘油活泼 , 一般与二元醇或三元醇配合使用 , 使用时要遵循 “多元醇摩尔数大于多元酸摩尔 数” 的规则 . 三羟甲基丙烷形成的树脂的水解稳定性较甘油或季戊四醇形成的醇酸树脂有明显提高 .多元酸 常用于合成醇酸树脂的多元酸有邻苯二甲酸或其酸酐 (苯酐 、 间苯二甲酸 、 己二酸 、 马来酸 、 偏苯三酸等 . 苯酐 价格便宜 , 酯化反应温度低 , 反应平稳易控制 , 但它容易形成半酯使树脂相对分子量降低

5、, 进而导致涂膜干燥时间延长 , 硬度 降低 . 采用间苯二甲酸酐 、 偏苯三甲酸酐或不饱和二元顺酐代替部分苯酐可使以上某些缺陷得以弥补 .中和剂 中和剂是将阴离子树脂中的羧酸中和成可溶性盐的试剂 , 是水溶性醇酸树脂制备过程中必不可少的成分 . 中和 剂的碱性强度 、 胺的相对分子质量 、 在水中的溶解度 、 挥发速度等能明显影响树脂的水溶性 、 稳定性 、 粘度 、 固化速度及涂膜的 泛黄性 . 在具体使用时 , 通常应综合考虑以下几个因素 :(1 挥发性好 ; (2 价格便宜 , 气味小 ; (3 对树脂的稳定性好 .常用的中和剂有氨 、 氢氧化钾 、 三乙胺 . 其中三乙胺在常温下挥发

6、速度适宜 , 其助溶效果比氨水和氢氧化钾都好 , 此外 , 三 乙胺不会使聚酯产生胺解反应 , 提高了树脂的稳定性 , 是较为理想的中和剂 . 中和剂的用量应由 p H 值确定 , 一般控制在 p H 为 7. 58. 5.共溶剂 共溶剂 (也称助溶剂 的作用是增加树脂在水中的溶解度 7, 调节树脂的粘度 , 提高树脂的稳定性 , 改善树脂漆 膜的流平性和外观 . 助溶剂的选择主要考虑助溶剂的偶合能力 、 蒸发速度及其降解效应 . 常用的助溶剂有正丁醇 、 乙二醇丁 醚 、 丙二醇甲醚等 8.在醇酸树脂的配方设计中 , 有醇酸树脂常数 K 、 油度 L 和醇超量 R 是三个基本的参数 , 实验

7、表明 9, 当 K =1、 L =50%、 R =1. 2时 , 醇酸树脂膜有最短的干燥时间 , 所得膜硬度也最高 .2. 2 醇酸树脂的水性化研究要使醇酸树脂具有水溶性 , 最重要的是将树脂制成离子型聚合物 . 使醇酸树脂水性化的方法 10有 :成盐法 该法通过将聚合物中的羧基或氨基分别用适当的碱或酸中和 , 将聚合物主链转变成阳离子或阴离子 , 使聚合物 溶于水 .收稿日期 :2005-04-06 修回日期 :2005-06-12 作者简介 :胡乔生 (1954 , 男 , 江西遂川人 , 赣南师范学院化学与生命科学系教授 , 主要从事应用化学的教学与科研 .在聚合物中引入非离子基团法 该

8、法在醇酸树脂中加入含羟基或醚基的聚合物作为活性稀释剂 , 使树脂自行乳化于水 中 .将聚合物变成两性离子中间体法 该法通过合成两性离子型共聚物而得到一种无胺或无甲醛逸出的新型水溶性涂料体 系 .2. 3 干燥机理研究醇酸树脂的干燥一般遵循自氧化干燥机理 :首先不饱和双键吸收氧气形成氢过氧化物 , 然后氢过氧化物分解生成烷基自由基 ,通过自由基的聚合增大树脂相对分子质量 , 形成最终涂膜 . 自氧化干燥的关键步骤是不饱和树脂与氧反应生成氢过氧化物 , 反应如上 11:水溶性醇酸树脂与溶剂型醇酸树脂具有相同的干燥机理 , 程又有自己的特点 ., 酸为基料配制的水稀释涂料和溶剂型涂料 , :=1.

9、5X +1(其中 , Y 是水稀释醇酸的干 燥时间 , X . , 加上单态氧 (激发态 在水中的活泼期极短 (仅 2s 12. 而且 , 树脂种类 、 金属催干剂的含量和种类 、施工环境的湿度 、 颜填料种类也会影响涂膜干燥性能 13、 14., 需要使用催干剂 , 催干剂就是自氧化干燥过程的催化剂 . 水溶性醇酸树脂的催 , 所用的催干剂要能水溶 , 且常要在中和树脂之前 , 将催干剂分散到树脂中或加入 合适的分散剂与中和剂配合使用 , 使催干剂稳定分散到水溶性体系中 .目前研究较多的是将催干促进剂如二吡啶基化合物 (biPY 与新型聚合型催干剂如 Ne 、 Al 和 Ba 联合使用 ,

10、也可用稀土化合物作催干剂 . 孙曰圣 15等人对各种稀土离子作了筛选研究 , 最终推荐了一种新的催干剂体系即钴 /铈或钴 /混合稀土 .2. 4 改性方法研究水稀释醇酸树脂的相对分子质量比相应的溶剂型树脂的相对分子质量低 , 涂膜干燥缓慢 、 硬度低 、 耐水性差 、 耐腐蚀性 差 , 气干型醇酸树脂受日光照射易变黄 、 户外耐候性不佳 .为了提高水溶性醇酸树脂的性能 , 有必要对醇酸树脂进行改性 16. 醇酸树脂分子具有极性主链和非极性侧链 , 使其能够 和许多树脂及化合物较好的混溶 , 为醇酸树脂进行各种物理改性创造了条件 ; 醇酸树脂分子上具有羟基 、 羧基和双键等反应 性基团 , 可以

11、通过化学合成的途径引入其它分子 , 是化学改性醇酸树脂的基础 . 因此 , 可用多种途径对醇酸树脂进行改性 .2. 4. 1 苯乙烯改性苯乙烯改性醇酸树脂涂料具备三大特点 :粘接力强 、 耐水性好 、 干燥速度快 . 苯乙烯改性醇酸树脂的基本方法有双键共聚法 、 官能化苯乙烯改性法及偶氮酯自引发聚合法 1719.双键共聚法 双键共聚法是苯乙烯与含共轭双键的植物油 (氧化油和异构化油 、 脂肪酸或醇酸树脂发生共聚反应的方 法 . 由于它是由未改性的醇酸树脂 、 苯乙烯均聚物和苯乙烯接枝共聚物三者混合而成 , 树脂组分不均匀 , 故还存在与其它树脂 的相容性较差 , 贮存稳定性差等不足 . 为了得

12、到优良的苯乙烯共聚产品 , 大量的研究者对共聚反应的工艺和原料进行了改进 . Qu 等人利用苯乙烯共聚改性的顺酐醇酸树脂提高了普通苯乙烯改性醇酸树脂的耐溶剂性能 、 贮存稳定性等性能 , 拓宽了原料的选择范围 , 降低了改性树脂的成本 , 扩大了改性树脂涂料的应用领域 20.官能化苯乙烯改性法 官能化聚苯乙烯改性醇酸树脂是指在聚苯乙烯分子上引入具有反应活性的基团 (如氯 、 硫 、 硝基 、 羧基和羟基等 , 将聚苯乙烯链引入到醇酸分子上 . 官能化苯乙烯改性醇酸树脂的优点有 :(1 原料油或脂肪酸在选择上有较 大的自由度 , 可以不用含有共轭双键的油或脂肪酸 ; (2 可以在醇酸树脂分子中引

13、入最大限度的聚苯乙烯链段 , 而不影响树脂 体系的透明性 ; (3 树脂组分均匀 , 树脂涂膜的耐酸 、 碱 、 盐及耐溶剂性能优异 ; (4 拓宽了改性醇酸树脂的原料选择途径 .偶氮酯自引发聚合法 偶氮酯自引发聚合是将含有偶氮基的小分子物质与植物油的醇解物或高羟值醇酸树脂即多元醇 的羟基反应 , 生成聚偶氮酯 , 然后利用聚偶氮酯的热分解产生自由基 , 引发苯乙烯聚合得到醇酸树脂分子上含有聚苯乙烯的 共聚物 . 偶氮酯自引发聚合工艺的优点如下 :可以在无共轭双键油 、 脂肪酸或氧化油的存在下将醇酸树脂苯乙烯化 ; 反应不需 任何引发剂或催化剂 ; 接枝活性点在多元醇分子骨架上 , 避免产生大

14、量的聚苯乙烯均聚物 . 但该法工艺耗时长 (20h 左右 且苯 乙烯的转化率低 (60%75% , 因此工业化生产有一定的限制 .2. 4. 2 丙烯酸改性丙烯酸改性醇酸树脂的方法有 :冷混拼用法 、 双键共聚法和利用两个组分基团间的反应 21.冷混拼用就是用聚丙烯酸酯与醇酸树脂通过物理方法混溶以提高醇酸树脂物理化学性能的方法 . Bakule 22用该法制备 出了物理化学性能较好的涂膜 , 并能满足低 VOC 含量的要求 .双键共聚法就是丙烯酸类单体与含有双键和共轭双键的醇酸树脂的共聚 . 该法改性后的醇酸树脂涂膜的耐水性 、 耐碱 性 、 耐久性 、 耐候性 、 干率和硬度均有较大提高 .

15、 但是该共聚物体系中会残留部分未反应的丙烯酸单体 , 这会导致贮存稳定性 下降 , 耐溶剂性差等不足 . 通过调整工艺和配方 , 改变引发剂种类 、 添加链转移剂能使这些弊病得到一定程度的克服 .利用两个组分基团间的反应有三种方法 , 即保留双键法 、 单甘油酯法和脂肪酸法 . Levine 23将反应性丙烯酸树脂与干性 油脂肪酸 、 间苯二甲酸和三羟甲基丙烷及偏苯三酸酐一起反应合成了改性水溶性醇酸树脂 . Kuzma 24等用多官能度体系改性55第 6期 胡乔生 , 叶家波 , 范小林 , 等 水溶性醇酸树脂涂料的研究进展 水溶性醇酸树脂的干率 、 耐候性等性能时发现 , 在反应后期加入 5

16、%三羟甲基丙烷三丙烯酸酯可提高水溶性醇酸树脂的性能 . 从总体上看 , 丙烯酸改性醇酸树脂比苯乙烯改性醇酸树脂具有更好的耐候性 、 保光性以及耐刮伤性 . 因而 , 对醇酸树脂的 丙烯酸改性是一个很有发展前景的研究领域 .2. 4. 3 有机硅改性有机硅改性醇酸树脂有物理法和化学法两种方法 . 物理法虽然通过简单的混合便大大改进了醇酸树脂的耐候性 , 但仍有 一定的缺陷 , 故此法已被淘汰 25. 化学法是将有机硅中间体与三羟甲基丙烷 、 间苯二甲酸和脂肪酸一起反应得到一种含羟基 的预聚物 , 然后与偏苯三酸酐反应再进行水性化而得到的聚合物 . 通过化学方法改性的水性醇酸树脂涂料具有与水溶性醇

17、酸 树脂类似的施工性能 , 而且其干燥性能 、 耐候性 (10年以上 、 耐久性 、 耐热性 、 抗粉化性和耐水解性都得到改善 , 并且还显示出 优良的外观和耐水性 26.2. 4. 4 其他改性方法其他的改性方法还有聚氨酯改性 、 纳米材料改性 、 环氧树脂改性 、 Chen 27等将自制的 粒径较小的纳米氧化物用于改性醇酸树脂涂料 ,树脂涂料 . Rokicki 28, 29脂 , .33. 1 铁道车辆近二十年来 , , 涂料档次和涂装工艺水平有较大的提高 . 涂料品种中的底漆由酚 醛 、 , 腻子由酯胶 、 石膏腻子逐步改为环氧酯或不饱和聚酯腻子 , 面 漆则由丙烯酸改性醇酸 、 脂肪

18、族聚氨酯替代了普通醇酸漆 . 曹立安 30等研制开发了水溶性厚浆醇酸树脂漆 , 产品已先后通过 铁道部四方车辆研究所 、 国家涂料质量监督检测测试中心 、 铁道部产品质量监督检测中心检测 , 显示出优异的物理机械性能 、 耐腐蚀性和耐候性 . Wang 31等人也从事了水溶性厚浆醇酸树脂漆的研制 , 并制备出可一次成膜的高压无气喷涂产品 , 应用前 景较好 .3. 2 汽车工业汽车涂料产量占涂料总 产量的 15%20%, 在涂料工业中占有举足轻重的地位 . 自从美国颁布了洛杉矶 “ 66环保法规” 后 , 世界众多国家的汽车涂料的研制与开发迫于环保压力已经开始向水性化发展 . 汽车涂料主要包括

19、底漆 、 中涂漆和面漆 . 在 我国 , 水溶性醇酸树脂涂料早已在阳极电泳底漆中得到应用 32, 但还需要得到进一步发展 , 在中涂漆和面漆中的应用也需要 做进一步的研究 . 国外车身涂料底漆用的主要漆基就包括各种改性的醇酸树脂 、 环氧树脂等优质的水溶性树脂 33.3. 3 船舶工业钢铁船舶保护的最主要方法是涂装 , 船舶涂料按使用部位的不同分为水上部位涂料 、 水线区涂料和水上部位涂料 . 醇酸 树脂涂料一直是水上部位 (尤其是甲板 的主用涂料 , 而且已经实现水性化 . 在所有船舶涂料品种中 , 醇酸防锈漆和醇酸船壳 漆也一直是近 20年来我国海洋船舶的主流品种 , 美国海军则以有机硅改

20、性醇酸为主 34. 另外 , 苯乙烯改性涂膜由于具有较好 的耐水性一直是我国内河船舶漆首选产品 .3. 4 建筑领域醇酸树脂涂料在建筑领域应用历史悠久 , 需求量巨大 , 当使用水溶性醇酸树脂涂料时可具有与树脂相同或更好的涂装效 果 . 但是目前国内的内 、 外墙涂料以中低档水性涂料为主 , 在高档产品的研发和市场推广方面显得力不从心 . 丙烯酸醇酸涂料 光泽度高 , 实干时间 (68h 较短 、 保色保光性优于传统醇酸树脂 , 并且涂膜性能良好 , 易刷涂施工 , 是目前国内最佳的民用漆 品种 .4 水溶性醇酸树脂研究的发展趋势与其它种类树脂漆相比 , 水溶性醇酸树脂的优势在于使用大量的植物

21、油或脂肪酸 , 对石油产品的依赖性较小 , 以空气 /氧 气方式固化 , 从而使得树脂固化成本较低 , 且其涂膜的水蒸气透过率较低 , 具有良好的防潮性能 .尽管我国醇酸树脂工业已有相当规模 , 其水性化研究也已有一定规模 , 但与发达国家相比仍有很大差距 , 主要是产量有 限 , 应用普及程度不高 , 技术水平较低 , 人均消费量极低 , 而且 , 我国水溶性醇酸树脂涂料品种较少 , 产品性能较差 , 许多特种 原料 、 助剂 、 半成品 、 最终制品还需进口 .在国外涂料企业纷纷步入中国市场的今天 , 国内同行只有大力开发具有自主知识产权的高性能涂料才能赶超世界先进 水平 . 水溶性醇酸树

22、脂继承了传统醇酸树脂的优点 , 而且可以通过改性来获得良好的耐候性 、 耐水性 、 耐腐蚀性等性能 , 同时 , 以醇酸树脂作为水性涂料 , 大大降低了 VOC 含量 , 顺应了环保要求 , 其市场前景广阔 .参考文献 :1 赵亚光 , 李丽 . 醇酸涂料生产使用技术问答 M .北京 :化学工业出版社 ,2003. 1.2 洪啸吟 , 冯汉保 . 涂料化学 M .北京 :科学出版社 ,1997. 142.3 Bush M , Pradhan S C , Ghosh S , et al. Recent development in water -based resins for surface

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