疏水性颜料改性制造技术

本发明专利技术是一种组合物，其包含涂有包含烷基三羟基硅烷或其盐的结构单元的聚合物的金属氧化物颜料颗粒的含水分散液。本发明专利技术的组合物为颜料颗粒提供疏水性，由此赋予防水性，并且允许水中的颜料的高负载量而无粘度增加。

【技术实现步骤摘要】
疏水性颜料改性
技术介绍
本专利技术涉及用疏水性材料进行的颜料颗粒表面的改性。水性涂料配制物的性能部分地受用于使涂料不透明的无机颜料的表面化学物质的影响。颜料如广泛使用的TiO2在其天然状态下倾向于是亲水性的，并且因此作为阻挡颜料-粘合剂界面处的水和水溶性着色剂渗透的屏障不是特别有效。由于此原因，改性无机颜料颗粒的表面以提供具有改进的抗污渍性和抗腐蚀性的涂层是有利的。颜料颗粒在涂料配制物中的分散稳定性影响最终膜的遮盖效率。颜料聚集体比独立的初级颗粒提供更少的遮盖力；因此，进一步有利的是，改性颜料颗粒的表面以使膜中的颜料聚集最小化，由此减少配制物中所需的颜料的量。所属领域已知用疏水性基团改性颜料颗粒的表面。举例来说，US2017/0022384A1公开了用聚硅氧烷或甲硅烷基改性的无机颜料颗粒的含水分散液。理论上，预期疏水改性的颜料颗粒会改进阻隔特性并更强烈地与胶乳中的粘合剂颗粒缔合，由此改进遮盖力。然而，在实践中，因为疏水改性的颜料颗粒的润湿性较差并且疏水改性的颜料颗粒的含水分散液的稳定性较差，所以配制物设计师仍然难以将疏水改性的颜料颗粒分散于水中。分散剂的使用可以部分解决这些问题，但分散剂本身存在问题，包括限制成膜，提高水敏感性，破坏对某些衬底的粘附性，以及促进非成膜添加剂如表面活性剂、消泡剂、聚结剂和分散剂向涂层表面的渗出(冒出)。此外，这些疏水改性的颜料颗粒的最大可达到颜料体积浓度(PVC)显著低于未改性颜料颗粒可达到的颜料体积浓度,达到商业上不实用的程度。因此，有利的是，将疏水改性的颜料的含水分散液的颜料体积浓度增加到超过37体积％而不伴随粘度增加，并且进一步有利的是，能够将颜料分散于水中同时减少并且甚至消除辅助分散剂的使用。
技术实现思路
在第一方面中，本专利技术通过提供包含涂有有机硅烷聚合物的金属氧化物颜料颗粒的含水分散液的组合物满足了所属领域的需要，有机硅烷聚合物包含烷基三羟基硅烷或其盐的结构单元，其中含水分散液的pH在8.5到12范围内。在第二方面中，本专利技术是用于制备疏水改性的颜料颗粒的含水分散液的方法，所述方法包含以下步骤：在存在水的情况下和在8.5到12pH下，使碱性官能化金属氧化物颜料颗粒与有机硅烷接触以形成疏水改性的颜料颗粒的含水分散液；其中有机硅烷是烷基三羟基硅烷或其盐。本专利技术提供疏水改性的颜料颗粒的含水分散液，其具有在可接受低的粘度下的高固体含量并且可以在没有辅助分散剂的情况下制备。这类分散液形成非常防水的涂层。具体实施方式在第一方面中，本专利技术是包含涂有有机硅烷聚合物的金属氧化物颜料颗粒的含水分散液的组合物，有机硅烷聚合物包含烷基三羟基硅烷或其盐的结构单元，其中含水分散液的pH在8.5到12范围内。如本文所使用，烷基三羟基硅烷的结构单元是指以下片段：其中R是烷基，优选C1-C18烷基、更优选C1-C4烷基并且最优选甲基；并且每个R1独立地是H，即与颜料颗粒键结的键；M或其它Si原子；其中M是碱金属或铵抗衡离子，优选锂、钠或钾抗衡离子；并且虚线表示氧原子与颜料颗粒的连接点。优选至少50重量％、更优选至少65重量％有机硅烷聚合物包含烷基三羟基硅烷或其盐的结构单元。涂有烷基三羟基硅烷的结构单元的金属氧化物颜料颗粒的含水分散液(即疏水改性的金属氧化物颜料颗粒的含水分散液)有利地通过以下方式来制备：a)使金属氧化物颜料颗粒或金属氧化物颜料颗粒的含水分散液与碱接触以形成碱性金属氧化物颜料颗粒或碱性金属氧化物颗粒的含水分散液，然后b)在存在水的情况下和在8.5、优选9、更优选9.2到12、优选11、更优选10并且最优选9.8的pH范围下使碱性金属氧化物颗粒与有机硅烷接触以形成疏水改性的颜料颗粒的含水分散液。在第一步中，优选使金属氧化物颜料颗粒的含水分散液与碱接触以形成碱性金属氧化物颗粒的含水分散液。最优选的烷基三羟基硅烷、甲基三羟基硅烷可以商购获得或通过在>12pH下的聚甲基氢硅氧烷(PMHS)的含水碱金属氢氧化物水解来原位制备。已经发现，对于储存特别有利的是，将甲基三羟基硅烷的水溶液保持在高pH下直到与碱性颜料颗粒接触以使甲基三羟基硅烷的自缩合最小化。进一步有利的是，在甲基三羟基硅烷添加步骤期间，通过将强酸分别和伴随地添加到碱性颜料颗粒中以使官能化胺的降解最小化来将pH保持在9到10、更优选9.2到9.8范围内。合适的金属氧化物颜料颗粒的实例包括钛、铝、硅、铁、钙、镁、锆或锌的氧化物和碳酸盐以及其混合物。优选的颜料颗粒的实例包括CaCO3、Al2O3和TiO2颜料颗粒。TiO2颜料颗粒包括金红石和锐钛矿TiO2以及用各种金属氧化物和氢氧化物包括氧化铝、二氧化硅和氧化锆处理的TiO2表面。金属氧化物颜料颗粒的平均粒度优选是10nm、更优选20nm、更优选50nm、更优选100nm、更优选200nm并且最优选240nm到优选5μm、更优选1μm、更优选500nm、更优选400nm并且最优选300nm。金属氧化物颜料颗粒的平均粒度由通过使用MalvernZetasizer纳米粒度分析仪的动态光散射测定的平均粒度限定。合适的碱的实例包括胺，如三甲胺、三乙胺、二甲胺、二乙胺、2-氨基-2-甲基-1-丙醇、哌啶和哌嗪；氨基酸，如精氨酸、组氨酸和赖氨酸；亚氨基烷基二胺，如胍；嘌呤，如腺嘌呤；嘧啶，如胞嘧啶；氢氧化铵；氢氧化季四-C1-C12烷基铵，如氢氧化四甲基铵、氢氧化四乙基铵和氢氧化四丁基铵；以及碱金属氢氧化物，如LiOH、NaOH和KOH。相对于颜料颗粒的碱反应性位点，碱优选以化学计量方式或化学计量过量方式使用。这类反应性位点包括酸性OH基团和路易斯酸金属阳离子，如AlIII、TiIV、ZrIV、ZnIV、CaII和MgII。有利地将烷基三羟基硅烷、优选C1-C18烷基三羟基硅烷、更优选C1-C4烷基三羟基硅烷并且最优选甲基三羟基硅烷以足够的量添加到碱性颜料颗粒中以将颜料颗粒转化为疏水改性的颜料颗粒。术语“疏水改性的”是指相对于未改性的干颜料颗粒，如使用DVSAdvantageET分析仪(SurfaceMeasurementSystems)所测量，在90％相对湿度下，改性颜料颗粒具有<25重量％水吸收量。烷基三羟基硅烷与颜料颗粒结合以形成包含烷基三羟基硅烷的结构单元的疏水性有机硅烷聚合物涂层。可能需要用封端剂如三甲基硅烷醇对疏水性涂层进行后处理以形成O-三甲基甲硅烷基。优选地，对于粒度范围是250nm到350nm的颜料颗粒，有机硅烷聚合物中的和由将烷基三羟基硅烷添加到碱性颜料颗粒中而产生的wt％Si以有机硅烷聚合物的重量计优选在0.1并且更优选0.5wt％百分比到优选3并且更优选1.5wt％范围内。可替代地，有机硅烷聚合物中的和由将烷基三羟基硅烷添加到碱性颜料颗粒中而产生的Si原子浓度优选在4、更优选10并且最优选20个Si原子/nm2外部颜料表面积到优选120、更优选100、更优选80并且最优选60个Si原子/nm2外部颜料表面积范围内。如本文所使用，外部颜料表面积是指如通过如使用MalvernZetasizer纳米粒度分析仪进行的动态光散射所测量的具有与颜料颗粒直径相同的直径的球体的几何外表面积。通过消化随后通过电感耦合等离子体-原子发射光谱法(ICP-AES)进行的Si分析来确定掺本文档来自技高网...

【技术保护点】
1.一种组合物，其包含涂有有机硅烷聚合物的金属氧化物颜料颗粒的含水分散液，所述有机硅烷聚合物包含烷基三羟基硅烷或其盐的结构单元，其中所述含水分散液的pH在8.5到12范围内。

【技术特征摘要】
2017.12.19 US 62/6076581.一种组合物，其包含涂有有机硅烷聚合物的金属氧化物颜料颗粒的含水分散液，所述有机硅烷聚合物包含烷基三羟基硅烷或其盐的结构单元，其中所述含水分散液的pH在8.5到12范围内。2.根据权利要求1所述的组合物，其中所述颜料颗粒是TiO2颗粒，并且其中所述有机硅烷聚合物进一步包含三甲基甲硅烷基。3.根据权利要求1所述的组合物，其中所述有机硅烷聚合物包含至少50重量％所述烷基三羟基硅烷的结构单元。4.根据权利要求3所述的组合物，其中所述有机硅烷聚合物的Si原子浓度以所述聚合物的重量计在0.1到3重量％范围内。5.根据权利要求3所述的组合物，其中所述有机硅烷聚合物的Si原子浓度在4到120个Si原子/nm2外部颜料表面积范围内。6.根据权利要求3所述的组合物，其中所述TiO...

【专利技术属性】
技术研发人员：J·C·勃林，郭怡君，A·卡茨，M·米什拉，C·J·拉德克，J·A·罗珀三世，A·K·范戴克，
申请(专利权)人：陶氏环球技术有限责任公司，罗门哈斯公司，加利福尼亚大学董事会，
类型：发明
国别省市：美国,US