水溶性丙烯酸涂料的研制

涂料是一种重要的化工材料，广泛用于建筑、汽车、机械、家用电器、轻工仪表、耐用消费品、航天航空、船舶等领域，是国民经济中必不可少的材料。常用的溶剂型涂料中含有大量的有机挥发物(VOC)，易燃有毒，会对环境造成严重的污染进而危害人类的健康。长期吸入有机挥发物会导致疲劳乏力、记忆衰退甚至死亡。水性涂料经过数十年的开发研制，在性能和应用方面得到了长足的发展。水性涂料以水为溶剂，配以无毒或低毒的有机溶剂作为助溶剂和稀释剂，不仅价格低廉、涂膜性能好，且无毒、安全、对环境友好。近年来，随着人类环保意识的日益增强，水性涂料代替溶剂型涂料已成为现代涂料工业发展的主要方向。与溶剂型涂料相比，水性涂料具有低毒、不易燃、不含有机溶剂、无污染等优点。水溶性丙烯酸酯涂料在保证丙烯酸酯涂料的各种优良特性外，还将大部分有机挥发溶剂代之以水，从而达到大幅度降低大气污染。而且丙烯酸涂料附着力强，具有保光、保色等优异性能，具有较好的装饰性。目前，用于水性涂料成膜物的有水性醇酸树脂、氨基树脂、酚醛树脂、聚酯树脂、环氧树脂、丙烯酸树脂等。由于水性丙烯酸树脂具有稳定性高、光泽性好、流变性能和表面吸附性能好的优点，因此将其用于涂料工业中有较好的发展前途。本文采用乳液聚合法制成水性丙烯酸树脂。在制得的树脂中加入颜料、消泡剂、分散剂等，经过分散研磨制得水性丙烯酸涂料，该涂料的综合性能较好。
 

1 实验部分

1.1 主要原料及仪器

1.1.1 原料

丙烯酸：分析纯，天津市博迪化工有限公司；α-甲基丙烯酸：分析纯，天津市博迪化工有限公司；甲基丙烯酸甲酯：分析纯，上海试一化学试剂有限公司；丙烯酸丁酯：分析纯，天津市博迪化工有限公司；丙烯酰胺：分析纯，天津市化学试剂三厂；过硫酸铵：分析纯，天津市福晨化学试剂厂；乙醇：分析纯，上海振兴化工一厂；异丙醇：分析纯，武汉市洪山中南化工电器有限公司；氨水(25.0%~ 28.0%)：分析纯，武汉市亚泰化工试剂有限公司；三乙胺：分析纯，天津市博迪化工有限公司；12-硫醇：化学纯，中国五联化工厂(上海)。

1.1.2 主要仪器

250 mL四颈烧瓶、回流冷凝管、滴液漏斗、温控仪、机械搅拌器、NDJ-1型旋转黏度计、WGG-60微机光泽度仪、QFZ漆膜附着力试验仪、QXD型刮板细度计、QCJ-120漆膜冲击试验器。

1.2 水性丙烯酸树脂的制备

1.2.1 水性丙烯酸树脂的配方

本实验所需原料及配方见表1。

1.2.2 实验步骤

将混合均匀的基本单体丙烯酸、α-甲基丙烯酸、甲基丙烯酸甲酯、丙烯酸丁酯以及丙烯酰胺的混合液中取1/3的量加入到250 mL四颈烧瓶中，然后加入水、乙醇和少量表面活性剂十二烷基硫酸钠，加热搅拌至回流(约70℃)，加入1/4的引发剂，同时开始滴加剩余2/3量单体，约1 h滴完。缓慢而均匀地加入剩余的引发剂。全部滴加完毕后，在80℃左右恒温1 h，然后降温至60℃，加入适量的氨水中和，同时用水稀释，并调节pH=8~9。继续搅拌0.5 h，冷却至室温倒出，即制得浅黄色水性丙烯酸树脂。
1.3 水性丙烯酸涂料的配制

1.3.1 水性丙烯酸涂料配方

水性丙烯酸涂料按如下配方制备：

1.3.2 涂料的生产工艺

将水性丙烯酸树脂、分散剂及部分稀释剂投入500 mL塑料杯中，搅拌均匀后加入颜料，分散均匀后加入一定量玻璃珠，开动研磨机研磨2 h，加入剩余的稀释剂、消泡剂，搅拌均匀，过滤，出料，即制得白色水性丙烯酸涂料。

1.3.3 涂料的性能测定

本实验所研制的水性丙烯酸涂料的性能指标检测方法如下：

漆膜外观：目测；黏度：按GB/T 1723―1993；细度：按GB/T 1724―1989；耐冲击性：按GB/T1732—1993；附着力：按GB/T 1720―1989；光泽度：按GB/T 1743―1979；涂膜吸胀率：树脂在玻璃片上干燥48 h吸胀后称重，按下式计算：

2 结果和讨论

2.1 单体的选择

树脂配方的关键就是选用单体，通过单体的组合来满足漆膜性能的技术要求。在本实验中，组成单体选用甲基丙烯酸甲酯和丙烯酸丁酯，用来调节树脂的硬度、柔韧性及耐候性等物理性能；功能单体选用丙烯酸、甲基丙烯酸和丙烯酰胺，用来提供亲水基团及水溶性，并为树脂固化提供交联反应基团。硬单体甲基丙烯酸甲酯过多，将使聚合物自身的内聚力增大，导致涂层附着力下降；软单体丙烯酸丁酯过多会使涂层硬度下降发黏。当软、硬单体质量比为1.17∶1时，涂层光泽度高、附着力强且柔韧性好。羧基的含量多少直接影响树脂的水溶性和黏度变化，因为丙烯酸树脂的水溶机理主要是羧基经胺中和成盐所致。过高的羧基含量会导致并不需要的高水溶性，反而会使树脂的成膜性大大降低；过低的羧基含量会导致树脂黏度较大，水溶性降低，树脂分散性成膜流平性较差。丙烯酸的量在10%~20%(mol)之间时，树脂的酸值为50~100，此时树脂具有足够的水溶性，同时具有足够的交联度和较好的成膜性。如表3所示，三种配方制备的树脂其水溶性、稳定性均较好，酸的含量越高树脂的水溶性越好，其中配方一制备的树脂综合性能更好。