CN104098736A - 含杂化硅改性丙烯酸酯乳液及其应用和制备方法 - Google Patents
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Abstract
本发明公开了一种含杂化硅改性丙烯酸酯乳液及其应用和制备方法,其特征在于,它是由含碳碳双键的多官能度倍半硅氧烷材料、丙烯酸酯单体、乳化剂、水和引发剂制备而成。本发明无需催化剂,无副产物产生,合成方法简单,产物纯度高,成本低;所得到的杂化硅改性丙烯酸酯杂化乳液的性能稳定,具有很好的耐高低温性、耐候性和耐水性等性能。
Description
技术领域
本发明涉及化工胶黏剂技术领域,特别涉及一种含杂化硅改性丙烯酸酯乳液的水性胶黏剂组合物及其制备方法。
背景技术
乳液聚合具有体系粘度低、传热快、环保以及分隔效应等特点,其产物已被广泛运用于涂料、油漆、粘合剂、橡胶和药物缓释胶囊载体等领域。烯酸树脂是指丙烯酸酯单体的均聚物、共聚物以及与其他乙烯类单体的共聚物。丙烯酸酯聚合物为饱和化合物,不含残余双键,具有优良的耐UV性、耐酸碱性、抗氧化性,粘附性、耐腐蚀性及耐候性,已成为涂料和粘合剂领域中的重要种类并广泛应用于橡胶、塑料、涂料、胶粘剂、织物整理剂等各个行业。
丙烯酸酯聚合物耐高、低温性能较差。同时,丙烯酸酯聚合物因分子链中含有极性酯基,虽然具有较好粘附力,但是其耐水性较差,涂膜吸水后易发白,在一定条件下酯基甚至会发生分解从而影响产品的综合性能。此外,丙烯酸酯聚合物特别是线性聚合物容易高温发粘,耐沾污性下降,低温变脆,韧性变差。丙烯酸酯树脂分子多为线性结构,缺少交联点,因而抗热性较差。
有机硅聚合物中Si-O键能(450 kJ/mol)远大于C-C键能(345 kJ/mol)和C-O键能(351 kJ/mol),专利200980132542.1公开了一种含碳碳双键的多官能度倍半硅氧烷,因其分子结构特点而具有很好的耐高低温性、耐候性、透气性、疏水性和抗沾污性良好以及表面张力低、保光、耐水、抗粉化和抗紫外光等性能,但是其附着力较差,不能常温自干,成膜性差,对基材粘附力不好。利用键能较高、表面能较低的有机硅组分改性丙烯酸酯乳液,可以结合二者的优越性能,发挥优势互补,提高丙烯酸酯聚合物的耐高、低温性及耐水性能,从而进一步扩大其应用范围。
专利申请201010550379.5公开了一种有机硅改性丙烯酸酯共聚物的合成方法,其采用半连续滴加法合成出有机硅种子乳液,通过半连续滴加法,用丙烯酸酯类单体接枝共聚,合成出了高有机硅含量的有机硅改性丙烯酸酯接枝共聚物。专利201010186222.9公开了一种有机硅(甲基)丙烯酸酯ABA型嵌段共聚物及其制备方法与应用,其采用原子转移自由基聚合合成,通过溴或氯对聚硅氧烷或二甲基硅氧烷与聚硅氧烷进行封端,通过冰盐浴冷冻,在氮气保护下催化反应得到有机硅丙烯酸酯ABA型嵌段共聚物。硅氧烷、聚硅氧烷和硅烷偶联剂等有机硅含有硅氧烷结构,硅氧烷结构易于水解而影响乳液的贮存稳定性。上述文献采用这些有机硅对丙烯酸酯进行改性,由于这些有机硅中含有硅氧烷结构,制备出的丙烯酸酯杂化乳液稳定性差,影响丙烯酸酯杂化乳液的实际应用。
尽管国内外科研工作者对有机硅丙烯酸酯乳液体系作了比较深入的研究和探讨,但得到的改性聚合物乳液稳定性仍然欠佳,容易发生分离、凝聚现象,其原因主要表现在:①有机硅添加量较大时难以得到聚合、储存稳定的乳液;②由于硅氧烷基的水解、缩聚,交联过早导致凝胶和乳液粘度增加;③为了提高乳液的机械稳定性所加入的适量丙烯酸类小分子会促使含不饱和双键硅单体的水解,并在乳液聚合过程中有进一步自聚的倾向,致使乳液的贮存稳定性变差;④聚合完成后,乳化剂低分子仍以游离状态存在,它们吸附、包容、分散于乳液聚合物胶粒的表面或内部,对光、热、氧不稳定,会影响涂膜的耐污性、耐水性、耐候性等,因而制备得到的涂料耐水性、耐洗刷性和耐候性不高。
发明内容
本发明的目的就是为了解决现有技术之不足而提供的一种性能稳定,具有很好的耐高低温性、耐候性和耐水性等性能的含杂化硅改性丙烯酸酯乳液。
本发明的另一目的是提供一种无需催化剂,无副产物产生,合成方法简单,产物纯度高,成本低的含杂化硅改性丙烯酸酯乳液的制备方法。
本发明是采用如下技术解决方案来实现上述目的:一种含杂化硅改性丙烯酸酯乳液,其特征在于,它是由含碳碳双键的多官能度倍半硅氧烷材料、丙烯酸酯单体、乳化剂、水和引发剂制备而成。
作为上述方案的进一步说明,所述含碳碳双键的多官能度倍半硅氧烷材料,它的结构简式为:
Rn1R'n2[SiO1.5]8
在其结构式中,R、R'为取代基团,R为含碳碳双键的官能团,R'为H,n1=1~8,n2=0~7。
所述R取代基包括烷基、烯基、芳基、亚芳基、丙烯酸酯基、甲基丙烯酸酯的含碳碳双键的官能团。
所述丙烯酸酯单体,由软单体和硬单体组成,软单体包括丙烯酸正丁酯、丙烯酸异丁酯、丙烯酸正辛酯、甲基丙烯酸正辛酯、丙烯酸异辛酯、丙烯酸羟丙酯中的一种以上;硬单体包括甲基丙烯酸甲酯、苯乙烯、丙烯酸、甲基丙烯酸中的一种以上。
所述乳化剂为烷基酚基聚氧乙烯醚、十二烷基硫酸钠、十二烷基磺酸钠、十二烷基苯磺酸钠中的一种或几种,其用量为丙烯酸酯单体总重量的2.0-3.5%。
所述引发剂为过硫酸铵、过硫酸钾、亚硫酸钠中的一种或几种,其用量为丙烯酸酯单体总重量的0.7%-1.6%。
所述水的用量为丙烯酸酯单体总重量的80%-100%。
一种含杂化硅改性丙烯酸酯乳液的制备方法,其特征在于,它包括如下步骤:
a、一次聚合:
按重量份数将90-99份丙烯酸酯单体A、1-10份含碳碳双键的多官能度倍半硅氧烷、2-3.5份乳化剂和80-100份水混合,边搅拌边预乳化10-30min,得到预乳液;取1/3-1/10重量的预乳液,加热至60-70℃,加入0.3-0.8份引发剂A,于70-80℃反应20-50min,得到种子乳液;将剩余的预乳液滴加入80-90℃种子乳液中,加入0.3-0.8份引发剂B,80-90℃反应3-4小时,得到一次聚合乳液;
b、二次聚合:
按重量份数将40-50份丙烯酸酯单体B、1-2份乳化剂和40-50份水在常温下预乳化10-30min,得到预乳液;将单体乳液加入80-90℃一次聚合乳液中,加入0.1-0.4份引发剂C,进行二次乳液聚合,90-95℃继续反应1-3小时,冷却,得到核壳结构含碳碳双键的多官能度倍半硅氧烷改性丙烯酸酯杂化乳液。
所述的引发剂A的重量优选为单体A总重量的0.3%-0.8%;引发剂B的重量优选为单体A总重量的0.3%-0.8%;引发剂C的重量优选为单体B总重量的0.1%-0.4%。
一种含杂化硅改性丙烯酸酯乳液的水性胶黏剂组合物,其特征在于,将合成出的杂化硅改性丙烯酸酯杂化乳液与其他乳液按一定的质量比进行混合制得;这里的其他乳液包括醋酸乙烯酯乳液、氯丁乳液、聚氨酯乳液、环氧树脂乳液、酚醛树脂乳液、有机硅乳液及松香乳液中的至少一种;所述的胶黏剂组合物中丙烯酸酯杂化乳液的比例为50%-99%。
本发明采用上述技术解决方案所能达到的有益效果是:
1、本发明采用种子乳液聚合法,以丙烯酸酯单体为原料,通过丙烯酸酯单体与含碳碳双键的多官能度倍半硅氧烷的反应,使倍半硅氧烷基团与丙烯酸酯聚合物以共价键的形式结合,进一步与丙烯酸酯类单体聚合形成核壳结构的乳胶粒,乳液的稳定性好,且无凝聚物产生,提高了丙烯酸酯聚合物的耐高、低温性及耐水性性能,进一步扩大了丙烯酸酯聚合物的应用范围。
2、本发明提供的杂化硅改性丙烯酸酯的合成方法,无需催化剂,无副产物产生,合成方法简单,产物纯度高,成本低;所得到的杂化硅改性丙烯酸酯杂化乳液的性能稳定,具有很好的耐高低温性、耐候性和耐水性等性能。
具体实施方式
下面结合实施例对本发明作进一步详细的描述,但本发明的实施方式不限于此。
实施例1
将50g甲基丙烯酰氧丙基三甲氧基硅烷、12g水、100ml乙醇和1g四甲基氢氧化铵五水化合物加入三口烧瓶中, 50℃磁力搅拌48 h,50℃下减压旋蒸除去醇溶剂得到水解产物;将水解产物溶解于100ml甲苯中,用饱和食盐水溶液水洗甲苯溶液直至中性,加入五水硫酸镁除水,过滤,65℃回收甲苯,得到八甲基丙烯酸甲酯基倍半硅氧烷。
实施例2
一次聚合,将烷基酚聚氧乙烯醚(OP-10)1.5份和十二烷基硫酸钠2份加入到三口圆底烧瓶中,加水100份,混合,加入丙烯酸正丁酯65份,甲基丙烯酸甲酯13份,苯乙烯12份,八甲基丙烯酸甲酯基倍半硅氧烷5份,搅拌速度1000r/min,预乳化30min;取0.5份过硫酸铵,溶于4份水中,取预乳液总质量1/6份的乳液加入三口圆底烧瓶中,缓慢升温至70℃,加入过硫酸铵,升温至75℃,引发聚合,保温20min,得到种子乳液;于80℃滴加剩余预乳液,控制滴加速度,在2小时内单体滴加完毕,期间补加过硫酸铵0.5份,90℃保温反应2小时;
二次聚合,将烷基酚聚氧乙烯醚(OP-10)0.5份和十二烷基硫酸钠0.5份加入到三口圆底烧瓶中,加水50份,混合,加入丙烯酸正丁酯20份,甲基丙烯酸甲酯13份,苯乙烯12份,搅拌速度1000r/min,预乳化30min;将单体乳液加入一次聚合乳液中,进行二次乳液聚合,加入时间控制在2小时,期间补加过硫酸铵0.4份;升温至95℃,保温1小时后冷却出料,得到核壳结构含碳碳双键的多官能度倍半硅氧烷改性丙烯酸酯杂化乳液。
实施例3
一次聚合,将烷基酚聚氧乙烯醚(OP-10)1份和十二烷基硫酸钠1份加入到三口圆底烧瓶中,加水80份,混合,加入丙烯酸正丁酯30份,丙烯酸异辛酯20份,苯乙烯40份,八甲基丙烯酸甲酯基倍半硅氧烷10份,搅拌速度500r/min,预乳化30min;取0.3份过硫酸铵,溶于4份水中,取预乳液总质量1/10份的乳液加入三口圆底烧瓶中,缓慢升温至70℃,加入过硫酸铵,升温至80℃,引发聚合,保温20min,得到种子乳液;于80℃滴加剩余预乳液,控制滴加速度,在2小时内单体滴加完毕,期间补加过硫酸铵0.3份,保温反应1小时;
二次聚合,将烷基酚聚氧乙烯醚(OP-10)0.5份和十二烷基硫酸钠0.5份加入到三口圆底烧瓶中,加水40份,混合,加入丙烯酸正丁酯13份,丙烯酸异辛酯11份,苯乙烯16份,搅拌速度500r/min,预乳化30min;将单体乳液加入一次聚合乳液中,进行二次乳液聚合,加入时间控制在2小时,期间补加过硫酸铵0.1份;升温至85℃,保温1小时后冷却出料,得到核壳结构含碳碳双键的多官能度倍半硅氧烷改性丙烯酸酯杂化乳液。
实施例4
一次聚合,将烷基酚聚氧乙烯醚(OP-10)1份和十二烷基硫酸钠1份加入到三口圆底烧瓶中,加水80份,混合,加入丙烯酸正丁酯30份,丙烯酸异辛酯20份,甲基丙烯酸甲酯15份,苯乙烯25份,八甲基丙烯酸甲酯基倍半硅氧烷10份,搅拌速度500r/min,预乳化30min;取0.3份过硫酸铵,溶于4份水中,取预乳液总质量1/10份的乳液加入三口圆底烧瓶中,缓慢升温至70℃,加入过硫酸铵,升温至80℃,引发聚合,保温20min,得到种子乳液;于80℃滴加剩余预乳液,控制滴加速度,在2小时内单体滴加完毕,期间补加过硫酸铵0.3份,保温反应1小时;
二次聚合,将烷基酚聚氧乙烯醚(OP-10)0.5份和十二烷基硫酸钠0.5份加入到三口圆底烧瓶中,加水40份,混合,加入丙烯酸正丁酯13份,丙烯酸异辛酯11份,甲基丙烯酸甲酯9份,苯乙烯7份,搅拌速度500r/min,预乳化30min;将单体乳液加入一次聚合乳液中,进行二次乳液聚合,加入时间控制在2小时,期间补加过硫酸铵0.1份;升温至85℃,保温1小时后冷却出料,得到核壳结构含碳碳双键的多官能度倍半硅氧烷改性丙烯酸酯杂化乳液。
实施例5
一次聚合,将烷基酚聚氧乙烯醚(OP-10)1.5份和十二烷基硫酸钠2份加入到三口圆底烧瓶中,加水80份,混合,加入丙烯酸正丁酯45份,丙烯酸异辛酯25份,甲基丙烯酸甲酯5份,苯乙烯15份,八甲基丙烯酸甲酯基倍半硅氧烷10份,搅拌速度500r/min,预乳化10min;取0.8份过硫酸铵,溶于4份水中,取预乳液总质量1/3份的乳液加入三口圆底烧瓶中,缓慢升温至60℃,加入过硫酸铵,升温至70℃,引发聚合,保温20min,得到种子乳液;于80℃滴加剩余预乳液,控制滴加速度,在2小时内单体滴加完毕,期间补加过硫酸铵0.8份,保温反应1小时;
二次聚合,将烷基酚聚氧乙烯醚(OP-10)0.5份和十二烷基硫酸钠0.5份加入到三口圆底烧瓶中,加水50份,混合,加入丙烯酸正丁酯12份,丙烯酸异辛酯8份,甲基丙烯酸甲酯13份,苯乙烯17份,搅拌速度1000r/min,预乳化30min;将单体乳液加入一次聚合乳液中,进行二次乳液聚合,加入时间控制在2小时,期间补加过硫酸铵0.1份;升温至85℃,保温1小时后冷却出料,得到核壳结构含碳碳双键的多官能度倍半硅氧烷改性丙烯酸酯杂化乳液。
实施例6
一次聚合,将烷基酚聚氧乙烯醚(OP-10)1.5份和十二烷基硫酸钠2份加入到三口圆底烧瓶中,加水100份,混合,加入丙烯酸正丁酯45份,丙烯酸异辛酯26份,甲基丙烯酸甲酯13份,苯乙烯15份,八甲基丙烯酸甲酯基倍半硅氧烷1份,搅拌速度1000r/min,预乳化30min;取0.8份过硫酸铵,溶于4份水中,取预乳液总质量1/6份的乳液加入三口圆底烧瓶中,缓慢升温至70℃,加入过硫酸铵,升温至80℃,引发聚合,保温20min,得到种子乳液;于80℃滴加剩余预乳液,控制滴加速度,在2小时内单体滴加完毕,期间补加过硫酸铵0.8份,90℃保温反应1小时;
二次聚合,将烷基酚聚氧乙烯醚(OP-10)0.5份和十二烷基硫酸钠0.5份加入到三口圆底烧瓶中,加水50份,混合,加入丙烯酸正丁酯12份,丙烯酸异辛酯8份,甲基丙烯酸甲酯13份,苯乙烯17份,搅拌速度1000r/min,预乳化30min;将单体乳液加入一次聚合乳液中,进行二次乳液聚合,加入时间控制在2小时,期间补加过硫酸铵0.1份;升温至95℃,保温1小时后冷却出料,得到核壳结构含碳碳双键的多官能度倍半硅氧烷改性丙烯酸酯杂化乳液。
实施例7
一次聚合,将烷基酚聚氧乙烯醚(OP-10)1.5份和十二烷基硫酸钠2份加入到三口圆底烧瓶中,加水100份,混合,加入丙烯酸正丁酯45份,丙烯酸异辛酯20份甲基丙烯酸甲酯13份,苯乙烯12份,八甲基丙烯酸甲酯基倍半硅氧烷10份,搅拌速度1000r/min,预乳化30min;取0.5份过硫酸铵,溶于4份水中,取预乳液总质量1/6份的乳液加入三口圆底烧瓶中,缓慢升温至70℃,加入过硫酸铵,升温至75℃,引发聚合,保温20min,得到种子乳液;于80℃滴加剩余预乳液,控制滴加速度,在2小时内单体滴加完毕,期间补加过硫酸铵0.5份,90℃保温反应2小时;
二次聚合,将烷基酚聚氧乙烯醚(OP-10)0.5份和十二烷基硫酸钠0.5份加入到三口圆底烧瓶中,加水50份,混合,加入丙烯酸正丁酯12份,丙烯酸异辛酯8份甲基丙烯酸甲酯13份,苯乙烯12份,搅拌速度1000r/min,预乳化30min;将单体乳液加入一次聚合乳液中,进行二次乳液聚合,加入时间控制在2小时,期间补加过硫酸铵0.4份;升温至95℃,保温1小时后冷却出料,得到核壳结构含碳碳双键的多官能度倍半硅氧烷改性丙烯酸酯杂化乳液。
实施例8
取50份实施例4合成的丙烯酸酯杂化乳液,50份乙烯-醋酸乙烯酯乳液,将它们混合均匀,得到丙烯酸酯乳液的水性胶黏剂组合物。
实施例9
取99份实施例5合成的丙烯酸酯杂化乳液,1份氯丁乳液,将它们混合均匀,得到丙烯酸酯乳液的水性胶黏剂组合物。
实施例10
取80份实施例6合成的丙烯酸酯杂化乳液,10份氯丁乳液,10份醋酸乙烯酯乳液将它们混合均匀,得到丙烯酸酯乳液的水性胶黏剂组合物。
实施例11
取80份实施例7合成的丙烯酸酯杂化乳液,20份聚氨酯乳液,10份醋酸乙烯酯乳液将它们混合均匀,得到丙烯酸酯乳液的水性胶黏剂组合物。
效果实施例
对实施例4-7制备的杂化硅改性丙烯酸酯杂化乳液的性能进行测试,测试结果如下:
。
以上所述的仅是本发明的优选实施方式,应当指出,对于本领域的普通技术人员来说,在不脱离本发明创造构思的前提下,还可以做出若干变形和改进,这些都属于本发明的保护范围。
Claims (10)
1.一种含杂化硅改性丙烯酸酯乳液,其特征在于,它是由含碳碳双键的多官能度倍半硅氧烷材料、丙烯酸酯单体、乳化剂、水和引发剂制备而成。
2.根据权利要求1所述的一种含杂化硅改性丙烯酸酯乳液,其特征在于,所述含碳碳双键的多官能度倍半硅氧烷材料,它的结构简式为:
Rn1R'n2[SiO1.5]8
在其结构式中,R、R'为取代基团,R为含碳碳双键的官能团,R'为H,n1=1~8,n2=0~7。
3.根据权利要求2所述的一种含杂化硅改性丙烯酸酯乳液,其特征在于,所述R取代基包括烷基、烯基、芳基、亚芳基、丙烯酸酯基、甲基丙烯酸酯的含碳碳双键的官能团。
4.根据权利要求1所述的一种含杂化硅改性丙烯酸酯乳液,其特征在于,所述丙烯酸酯单体,由软单体和硬单体组成,软单体包括丙烯酸正丁酯、丙烯酸异丁酯、丙烯酸正辛酯、甲基丙烯酸正辛酯、丙烯酸异辛酯、丙烯酸羟丙酯中的一种以上;硬单体包括甲基丙烯酸甲酯、苯乙烯、丙烯酸、甲基丙烯酸中的一种以上。
5.根据权利要求1所述的一种含杂化硅改性丙烯酸酯乳液,其特征在于,所述乳化剂为烷基酚基聚氧乙烯醚、十二烷基硫酸钠、十二烷基磺酸钠、十二烷基苯磺酸钠中的一种或几种,其用量为丙烯酸酯单体总重量的2.0-3.5%。
6.根据权利要求1所述的一种含杂化硅改性丙烯酸酯乳液,其特征在于,所述引发剂为过硫酸铵、过硫酸钾、亚硫酸钠中的一种或几种,其用量为丙烯酸酯单体总重量的0.7%-1.6%。
7.根据权利要求1所述的一种含杂化硅改性丙烯酸酯乳液,其特征在于,所述水的用量为丙烯酸酯单体总重量的80%-100%。
8.一种含杂化硅改性丙烯酸酯乳液的制备方法,其特征在于,它包括如下步骤:
a、一次聚合:
按重量份数将90-99份丙烯酸酯单体A、1-10份含碳碳双键的多官能度倍半硅氧烷、2-3.5份乳化剂和80-100份水混合,边搅拌边预乳化10-30min,得到预乳液;取1/3-1/10重量的预乳液,加热至60-70℃,加入0.3-0.8份引发剂A,于70-80℃反应20-50min,得到种子乳液;将剩余的预乳液滴加入80-90℃种子乳液中,加入0.3-0.8份引发剂B,80-90℃反应3-4小时,得到一次聚合乳液;
b、二次聚合:
按重量份数将40-50份丙烯酸酯单体B、1-2份乳化剂和40-50份水在常温下预乳化10-30min,得到预乳液;将单体乳液加入80-90℃一次聚合乳液中,加入0.1-0.4份引发剂C,进行二次乳液聚合,90-95℃继续反应1-3小时,冷却,得到核壳结构含碳碳双键的多官能度倍半硅氧烷改性丙烯酸酯杂化乳液。
9.根据权利要求8所述的含杂化硅改性丙烯酸酯乳液的制备方法,其特征在于,所述的引发剂A的重量优选为单体A总重量的0.3%-0.8%;引发剂B的重量优选为单体A总重量的0.3%-0.8%;引发剂C的重量优选为单体B总重量的0.1%-0.4%。
10.一种如权利要求1-9任意一项所述的含杂化硅改性丙烯酸酯乳液的应用,其特征在于,它是用于制成含杂化硅改性丙烯酸酯乳液的水性胶黏剂组合物;含杂化硅改性丙烯酸酯乳液的水性胶黏剂组合物是将合成出的杂化硅改性丙烯酸酯杂化乳液与其他乳液按一定的质量比进行混合制得;这里的其他乳液包括醋酸乙烯酯乳液、氯丁乳液、聚氨酯乳液、环氧树脂乳液、酚醛树脂乳液、有机硅乳液及松香乳液中的至少一种;所述的胶黏剂组合物中丙烯酸酯杂化乳液的比例为50%-99%。
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