CN105418883A - 一种水性聚氨酯丙烯酸酯及其水性紫外光固化涂料和相应的制备方法 - Google Patents

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Abstract

本发明公开了一种水性聚氨酯丙烯酸酯，其原料组分配比按重量份计为：脂肪酸二聚体二醇或脂肪酸二聚体聚酯二醇100份、亲水单体6~25份、二异氰酸酯26~93份、丙烯酸酯单体12~48份、阻聚剂0.2~0.3份、中和剂2~19份、去离子水67~122份。本发明通过将疏水性的非极性脂肪烃结构二聚酸引入水性聚氨酯丙烯酸酯紫外光固化涂料体系，显著地提高了材料的耐水性。另外通过水性聚氨酯丙烯酸酯结构的可设计性，调整二异氰酸酯和丙烯酸酯单体等原料组成和比例，赋予了其材料良好的力学性能。本发明还公开了该种水性聚氨酯丙烯酸酯的制备方法及其作为水性紫外光固化涂料的制备方法，其制备工艺简单，有利于工业化大规模生产。

Description

一种水性聚氨酯丙烯酸酯及其水性紫外光固化涂料和相应的制备方法
技术领域
本发明涉及涂料科技领域，具体涉及一种水性聚氨酯丙烯酸酯及其水性紫外光固化涂料。
背景技术
水性涂料不含挥发性气体(VOC)，不污染环境，是具有很大前景的涂料。区别于溶剂型涂料的高分子链缠绕成膜机理，水性涂料是胶粒之间紧密堆砌成膜，力学性能差和耐溶剂性能差。另外由于水性涂料含有亲水基团，导致耐水性不好。通过引入疏水性的氟碳链、硅氧烷链或非极性脂肪烃，可以增加水性涂料的耐水性。但是由于低极性的氟碳链和硅氧烷链与水性树脂高分子链的相容性不好，会降低水性材料的光学性能和力学性能。
紫外光固化涂料除具有环境友好性、能耗低和生产效率高，还具有力学性能优异等优点。通过将紫外光固化官能团引入水性树脂结构中，可以提高水性体系的交联密度，阻挡水分子的进攻以提高耐水性，另外交联程度的提高也能提高水性涂料的硬度和耐磨性等力学性能。
聚氨酯丙烯酸酯是目前研究最多的一类水性紫外光固化体系，通过调整其分子链段构成与含双键的(甲基)丙烯酯类基团，使其形成致密的交联网络结构，赋予其优越的光泽度、附着力和机械性能。
中国专利CN105001396A公开了一种80-90％固含量水性光固化聚氨酯丙烯酸酯及制备方法，主要用脂肪族二异氰酸酯、聚醚化合物、二羟甲基丙酸、(甲基)丙烯酸羟丙酯、季戊四醇三丙烯酸酯等原料制成，其所得产物具有固含量高、分子量低、较好的水稀释性的优点。
中国专利CN101659785A公开了一种100％固含量的高官能度水性UV树脂组合物及其制备方法，其中以二异氰酸酯、聚酯/聚醚二元醇、亲水性多羟基羧酸为主要原料，以多官能度的羟基丙烯酸酯封端，合成出高官能度的水性UV树脂，固含量达到100％，该组合物具有固含量高，光固化速率快，固化前不需干燥，生产效率高等优点。
中国专利CN104558499A公开了一种可紫外光固化的弹性聚氨酯丙烯酸酯乳液及其合成方法，其中原料组成优选环己二醇为扩链剂，同时利用丙烯酸酯封端，使其经光固化后的固化膜具有优异的力学性能。
然而，目前关于水性聚氨酯丙烯酸酸酯的紫外光固化涂料的公开专利中，难以在高固含量与优异的机械性能及涂膜耐水性之间找到平衡，使所制得的紫外光固化涂料及其固化膜具有优异的综合性能。
中国专利CN103232585A公开了一种多官能度聚氨酯丙烯酸酯水性UV树脂的制备方法，其所得树脂具有较高的交联密度和优异的综合性能，同时其固化物具有非常优异的机械性能和耐水性。但其制备过程相对繁琐，对工艺参数要求极高，可能导致最终产物的综合性能难以控制，而且并没有公开其机械性能和耐水性的等级。
发明内容
针对上述现有技术的不足，本发明的目的在于，提供一种水性聚氨酯丙烯酸酯及其制备方法。
本发明的目的还在于，提供一种水性聚氨酯丙烯酸酯紫外光固化涂料的制备方法。
本发明所采取的技术方案是：一种水性聚氨酯丙烯酸酯，原料组分配比按重量份计为：
作为上述方案的进一步改进，所述脂肪酸二聚体二醇为Pripol2033；所述脂肪酸二聚体聚酯二醇选自Priplast3192、Priplast3195、Priplast3197和Priplast3198中的一种。
作为上述方案的进一步改进，所述亲水单体选自2,2-二羟甲基丙酸和2,2-二羟甲基丁酸中的一种。
作为上述方案的进一步改进，所述二异氰酸酯选自甲苯二异氰酸酯、1,6-六亚甲基二异氰酸酯、1,3,3-三甲基-5-异氰酸基-1-异氰酸基甲基环己烷、二苯基甲烷二异氰酸酯和二环己基甲烷-4,4’-二异氰酸酯中的一种。
作为上述方案的进一步改进，所述丙烯酸酯单体选自丙烯酸羟乙酯、甲基丙烯酸羟乙酯，季戊四醇三丙烯酸酯和二季戊四醇五丙烯酸酯中的一种。
作为上述方案的进一步改进，所述阻聚剂选自对苯二酚和对苯二酚单甲醚中的一种。
作为上述方案的进一步改进，所述中和剂选自三乙胺、氢氧化钠和氢氧化钾中的一种。
作为上述方案的进一步改进，上述水性聚氨酯丙烯酸酯的制备方法包括如下工艺步骤：
(1)将脂肪酸二聚体二醇或脂肪酸二聚体聚酯二醇置于115℃下减压脱水2h后降温至60～80℃，并保持常压；
(2)往步骤(1)中加入亲水单体和二异氰酸酯，在60～80℃下混合反应2～4h；
(3)往步骤(2)中加入丙烯酸酯单体和阻聚剂，在60～80℃下混合反应2～4h；
(4)往步骤(3)中加入中和剂，在50～70℃下混合反应0.5～2h，将所得混合物置于高速搅拌容器中分散，同时加入去离子水，即得水性聚氨酯丙烯酸酯。
脂肪酸二聚体分子结构中含有巨大的非极性的C36脂肪烃结构，具有优异的疏水性。通过将脂肪酸二聚体的衍生物脂肪酸二聚体二醇或脂肪酸二聚体聚酯二醇引入水性聚氨酯丙烯酸酯结构，体系中酯基和氨基甲酸酯基包裹着疏水性的高分子链，阻止了水分子进攻酯基和氨基甲酸酯基，从而显著地提高了材料的耐水性。另外，也通过灵活地设计水性聚氨酯丙烯酸酯结构，引入刚性的含苯环结构的芳香族二异氰酸酯，或引入柔性的含脂肪烃结构的脂肪族二异氰酸酯，赋予水性聚氨酯丙烯酸酯作为紫外光固化材料能满足各种具体领域应用的力学性能等要求。
本发明所采取的另一个技术方案是：一种含有上述制备出的水性聚氨酯丙烯酸酯的水性紫外光固化涂料的制备方法，包括如下工艺步骤：
(1)原料配比：按重量份计为水性聚氨酯丙烯酸酯100份、光引发剂3～5份、流平剂1～4份和消泡剂0.3～1份；
(2)将水性聚氨酯丙烯酸酯、光引发剂、流平剂、消泡剂按原料配比置于高速搅拌中混合0.5-1h，即得水性聚氨酯丙烯酸酯紫外光固化涂料。
作为上述方案的进一步改进，所述光引发剂选自Irgacure184D、Irgacure500、Irgacure2959、IrgacureTPO中的一种或多种混合；所述流平剂选自BYK-019、BYK-349、BYK-UV3500和Tego280中的一种；所述消泡剂选自BYK-067A、BYK-093和BYK-1730中的一种。
本发明的有益效果是：
(1)本发明将疏水性的非极性脂肪烃结构二聚酸引入水性聚氨酯丙烯酸酯紫外光固化涂料体系，体系中酯基和氨基甲酸酯基包裹着疏水性的高分子链，阻止了水分子进攻酯基和氨基甲酸酯基，显著地提高了材料的耐水性。另外，也通过水性聚氨酯丙烯酸酯结构的可设计性，通过调整二异氰酸酯和丙烯酸酯单体等原料组成和比例，赋予水性聚氨酯丙烯酸酯紫外光固化涂料体系剪裁的力学性能。
(2)本发明提供的一种水性聚氨酯丙烯酸酯紫外光固化涂料的制备方法，其制备工艺简单，有利于工业化大规模生产。
具体实施方式
下面结合实施例对本发明进行具体描述，以便于所属技术领域的人员对本发明的理解。有必要在此特别指出的是，实施例只是用于对本发明做进一步说明，不能理解为对本发明保护范围的限制，所属领域技术熟练人员，根据上述发明内容对本发明作出的非本质性的改进和调整，应仍属于本发明的保护范围。
实施例1
(1)制备一种水性聚氨酯丙烯酸酯：将100份Pripol2033在115℃减压脱水2h后，降温至60℃并保持常压，然后加入25份2,2-二羟甲基丙酸和93份1,6-六亚甲基二异氰酸酯在60℃反应4h。然后加入48份甲基丙烯酸羟乙基和0.3份对苯二酚在80℃反应2h。加入19份三乙胺，在70℃反应1h，然后在高速搅拌分散下，加入122份去离子水乳化分散得到水性聚氨酯丙烯酸酯(a)。
(2)制备一种水性聚氨酯丙烯酸酯紫外光固化涂料：原料配比按重量份计为100份水性聚氨酯丙烯酸酯(a)、5份Irgacure184D、2份BYK-349、0.3份BYK-067A。将上述原料搅拌混合，同时加入56份去离子水，高速搅拌0.5h，即得水性聚氨酯丙烯酸酯紫外光固化涂料(a)。
实施例2
(1)制备一种水性聚氨酯丙烯酸酯：将100份Priplast3192在115℃减压脱水2h后，降温至80℃并保持常压，然后加入7份2,2-二羟甲基丁酸和33份1,3,3-三甲基-5-异氰酸基-1-异氰酸基甲基环己烷在80℃反应2h。然后加入12份丙烯酸羟乙基和0.2份对苯二酚单甲醚在60℃反应4h。加入5份三乙胺，在60℃反应1.5h，然后在高速搅拌分散下，加入67份去离子水乳化分散得到水性聚氨酯丙烯酸酯(b)。
(2)制备一种水性聚氨酯丙烯酸酯紫外光固化涂料：原料配比按重量份计为100份水性聚氨酯丙烯酸酯(b)、4份Irgacure2959、4份Tego280、1份BYK-1730。将上述原料搅拌混合，同时加入53份去离子水，高速搅拌1h，即得水性聚氨酯丙烯酸酯紫外光固化涂料(b)。
实施例3
(1)制备一种水性聚氨酯丙烯酸酯：将100份Priplast3195在115℃减压脱水2h后，降温至60℃并保持常压，然后加入7份2,2-二羟甲基丁酸和26份甲苯二异氰酸酯在60℃反应3h。然后加入30份季戊四醇三丙烯酸酯和0.2份对苯二酚在60℃反应3h。加入5份三乙胺，在50℃反应2h，然后在高速搅拌分散下，加入72份去离子水乳化分散得到水性聚氨酯丙烯酸酯(c)。
(2)制备一种水性聚氨酯丙烯酸酯紫外光固化涂料：原料配比按重量份计为100份水性聚氨酯丙烯酸酯(c)、3份Irgacure500、1份BYK-3500、0.5份BYK-093。将上述原料搅拌混合，同时加入50份去离子水，高速搅拌0.5h，即得水性聚氨酯丙烯酸酯紫外光固化涂料(c)。
实施例4
(1)制备一种水性聚氨酯丙烯酸酯：将100份Priplast3197在115℃减压脱水2h后，降温至60℃并保持常压，然后加入6份2,2-二羟甲基丙酸和38份二苯基甲烷二异氰酸酯在60℃反应3h。然后加入56份二季戊四醇五丙烯酸酯和0.2份对苯二酚在60℃反应2h。加入2份氢氧化钠，在50℃反应0.5h，然后在高速搅拌分散下，加入87份去离子水乳化分散得到水性聚氨酯丙烯酸酯(d)。
(2)制备一种水性聚氨酯丙烯酸酯紫外光固化涂料：原料配比按重量份计为100份水性聚氨酯丙烯酸酯(d)、3份Irgacure184D、2份IrgacureTPO、2份BYK-019、0.8份BYK-1730。将上述原料搅拌混合，同时加入52份去离子水，高速搅拌1h，即得水性聚氨酯丙烯酸酯紫外光固化涂料(d)。
实施例5
(1)制备一种水性聚氨酯丙烯酸酯：将100份Priplast3198在115℃减压脱水2h后，降温至70℃并保持常压，然后加入8份2,2-二羟甲基丙酸和44份二环己基甲烷-4,4’-二异氰酸酯在70℃反应3h。然后加入33份季戊四醇三丙烯酸酯和0.2份对苯二酚单甲醚在70℃反应2h。加入3份氢氧化钾，在50℃反应0.5h，然后在高速搅拌分散下，加入80份去离子水乳化分散得到水性聚氨酯丙烯酸酯(e)。
(2)制备一种水性聚氨酯丙烯酸酯紫外光固化涂料：原料配比按重量份计为100份水性聚氨酯丙烯酸酯(e)、2份Irgacure500、2份IrgacureTPO、2份BYK-3500、0.5份BYK-067A。将上述原料搅拌混合，同时加入51份去离子水，高速搅拌1h，即得水性聚氨酯丙烯酸酯紫外光固化涂料(e)。
对比例
(1)制备一种水性聚氨酯丙烯酸酯：将100份聚己二酸丁二醇酯二元醇(分子量2000)在115℃减压脱水2h后，降温至60℃并保持常压，然后加入6份2,2-二羟甲基丙酸和38份二苯基甲烷二异氰酸酯在60℃反应3h。然后加入56份二季戊四醇五丙烯酸酯和0.2份对苯二酚在60℃反应2h。加入2份氢氧化钠，在50℃反应0.5h，然后在高速搅拌分散下，加入87份去离子水乳化分散得到对比例水性聚氨酯丙烯酸酯。
(2)制备一种水性聚氨酯丙烯酸酯紫外光固化涂料：原料配比按重量份计为100份水性聚氨酯丙烯酸酯(f)、3份Irgacure184D、2份IrgacureTPO、2份BYK-019、0.8份BYK-1730。将上述原料搅拌混合，同时加入52份去离子水，高速搅拌1h，即得对比例水性聚氨酯丙烯酸酯紫外光固化涂料。
将上述实施例1～5和对比例制备出的水性聚氨酯丙烯酸酯紫外光固化涂料涂布于塑料基材上(例如PET塑料)，置入约80℃烘箱中，在辐照能量为300～400mJ/cm2高压汞灯或无极H灯下干燥1～2min后固化成膜，膜厚约3～4μm。其测试方法及测试结果如下：
耐水性：通过薄膜样品吸水率表征，吸水率越低，耐水性越好。称重薄膜样品重量m0，常温下将薄膜样品浸泡在水中，24h后取出并迅速用滤纸擦干成膜物的表面，称重m1，公式为：
附着力：按GB/T9286-1998测试。
硬度：按GB/T6739-2006测试。
耐擦伤性：使用0000#钢丝绒，负重500g/cm2下，在PET涂膜上进行往复10次摩擦试验，肉眼观察有无划伤性。
表1测试结果
性能 实施例1 实施例2 实施例3 实施例4 实施例5 对比例
吸水率 0.9％ 1.4％ 1.2％ 1.7％ 2.1％ 6.7％
附着力 0级 0级 0级 0级 0级 0级
硬度 2H 2H 3H 2H 2H 2H
耐擦伤性 无擦伤 无擦伤 无擦伤 无擦伤 无擦伤 无擦伤
由表1测试结果可得出，本发明所制备出的水性聚氨酯丙烯酸酯紫外光固化涂料具有优异的耐水性，同时具有良好的力学性能。

Claims (10)

1.一种水性聚氨酯丙烯酸酯，其特征在于原料组分配比按重量份计为：
脂肪酸二聚体二醇或脂肪酸二聚体聚酯二醇100份
亲水单体6~25份
二异氰酸酯26~93份
丙烯酸酯单体12~48份
阻聚剂0.2~0.3份
中和剂2~19份
去离子水67~122份。
2.根据权利要求1所述的一种水性聚氨酯丙烯酸酯，其特征在于：所述脂肪酸二聚体二醇为Pripol2033；所述脂肪酸二聚体聚酯二醇选自Priplast3192、Priplast3195、Priplast3197和Priplast3198中的一种。
3.根据权利要求1所述的一种水性聚氨酯丙烯酸酯，其特征在于：所述亲水单体选自2,2-二羟甲基丙酸和2,2-二羟甲基丁酸中的一种。
4.根据权利要求1所述的一种水性聚氨酯丙烯酸酯，其特征在于：所述二异氰酸酯选自甲苯二异氰酸酯、1,6-六亚甲基二异氰酸酯、1,3,3-三甲基-5-异氰酸基-1-异氰酸基甲基环己烷、二苯基甲烷二异氰酸酯和二环己基甲烷-4,4’-二异氰酸酯中的一种。
5.根据权利要求1所述的一种水性聚氨酯丙烯酸酯，其特征在于：所述丙烯酸酯单体选自丙烯酸羟乙酯、甲基丙烯酸羟乙酯，季戊四醇三丙烯酸酯和二季戊四醇五丙烯酸酯中的一种。
6.根据权利要求1所述的一种水性聚氨酯丙烯酸酯，其特征在于：所述阻聚剂选自对苯二酚和对苯二酚单甲醚中的一种。
7.根据权利要求1所述的一种水性聚氨酯丙烯酸酯，其特征在于：所述中和剂选自三乙胺、氢氧化钠和氢氧化钾中的一种。
8.一种制备如权利要求1~7任一项所述的一种水性聚氨酯丙烯酸酯的制备方法，其特征在于包括如下工艺步骤：
（1）将脂肪酸二聚体二醇或脂肪酸二聚体聚酯二醇置于115℃下减压脱水2h后降温至60～80℃，并保持常压；
（2）往步骤（1）中加入亲水单体和二异氰酸酯，在60~80℃下混合反应2~4h；
（3）往步骤（2）中加入丙烯酸酯单体和阻聚剂，在60~80℃下混合反应~4h；
（4）往步骤（3）中加入中和剂，在50~70℃下混合反应0.5~2h，将所得混合物置于高速搅拌容器中分散，同时加入去离子水，即得水性聚氨酯丙烯酸酯。
9.一种含有如权利要求8所制备出的水性聚氨酯丙烯酸酯的水性紫外光固化涂料的制备方法，其特征在于包括如下工艺步骤：
（1）原料配比：按重量份计为水性聚氨酯丙烯酸酯100份、光引发剂3~5份、流平剂1~4份和消泡剂0.3~1份；
（2）将水性聚氨酯丙烯酸酯、光引发剂、流平剂、消泡剂按原料配比置于高速搅拌中混合0.5~1h，即得水性聚氨酯丙烯酸酯紫外光固化涂料。
10.根据权利要求9所述的一种水性聚氨酯丙烯酸酯的水性紫外光固化涂料的制备方法，其特征在于：所述光引发剂选自Irgacure184D、Irgacure500、Irgacure2959、IrgacureTPO中的一种或多种混合；所述流平剂选自BYK-019、BYK-349、BYK-UV3500和Tego280中的一种；所述消泡剂选自BYK-067A、BYK-093和BYK-1730中的一种。
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