稳定的聚合物水分散液及其制备方法技术

本发明专利技术涉及稳定的聚合物水分散液及其制备方法。本发明专利技术的水分散液含有低于约５％（重量）的有机溶剂、至少约３０％（重量）固体，平均粒度不大于约４００纳米，在环境温度附近粘度低于约２０．０泊。（*该技术在2019年保护过期，可自由使用*）

【技术实现步骤摘要】

本专利技术涉及。更确切地说，通过在亲水性有机溶剂内形成聚合物盐，并在使所形成的聚合物水分散液中的聚合物平均粒度最小的温度下，从水与亲水性有机溶剂的混合溶剂中脱除亲水性有机溶剂，和/或从聚合物/有机溶剂/水的共混物中脱除有机溶剂，使不发生逆转，来制备聚合物的水分散液。专利技术的背景聚酯、醇酸树脂和丙烯酸类聚合物基的保护性和装饰性涂层，由于可提供宽范围的强度、柔性、韧性、附着力、抗降解性和其他的膜性能，在多种用途中的应用日益增多。因为它们是在有机溶剂中以有机聚合物溶液的形式制备和应用，所以许多都是聚合物溶液。对涂料行业使用有机溶剂方面的环境的担忧，变得日益严重。该担忧不仅延伸到对环境自身的保护，而且延伸到了公众的安全性，如居住和工作条件。由工业和消费公众施加和使用的涂料组合物中产生的有机挥发物不仅常常是令人不舒服的，而且促使形成光化学烟雾。政府已经制定了规则，阐述了关于可能释放到大气中的有机挥发化合物(VOC)的标准。美国环保局(EPA)制订了限制释放到大气中的VOC的量的标准，这些标准计划让美国各州采纳或已经采纳了。关于VOC的标准例如EPA的和环境担忧尤其与使用可进入大气的有机溶剂的油漆和涂料行业有关。使用聚合物载体的水分散液，或高固体含量聚合物载体的水分散液，是用来降低涂料组合物中VOC的两种普通方法。先前常规水体系所用的方法会限制聚合物载体内所用聚合物的分子量，这会限制涂料粘合剂和由聚合物载体形成的膜的耐冲击性能及其他性能。制备聚合物水分散液的常规方法是乳液聚合，其中使用亲水性助剂(乳化剂和/或保护胶体)，目的是保证分散液的稳定性。这些助剂使由分散液制成的膜对水略微敏感。降低VOC的另一种方法是使用水作为聚合物载体内的成膜成分的介质。一种方法是使聚合物例如聚酯、醇酸树脂、丙烯酸类或环氧聚合物带有羧基或其他可电离基团，并具有有效量的酸值，使得当羧基与中和剂例如胺转化成盐时，它们可使聚合物或低聚物分散于包含有机溶剂与水的混合溶剂体系中。低聚物或聚合物的盐例如胺盐分散入水/有机溶剂的混合体系中，形成与溶液不同的分散液。这通常称为水稀释性体系。有机溶剂一般通过两个途径从水稀释性体系中脱除。第一条途径是采用与水混溶并常常与水形成低沸点共沸混合物的低沸点溶剂。这类方法会损耗中和剂，并需要在该过程中补加中和剂。另外，在这些体系中溶剂用量不足会导致聚合物盐不溶于加入的水中。因此，当溶剂从体系中汽提出来时会发生逆转。第二条途径一般采用在100℃以上的温度沸腾，而且也常常与水形成共沸混合物的有机溶剂。如果盐是胺，那么高温下的蒸馏过程就会损耗胺，使分散液中形成不符合要求的粒度差异，并使分散液中树脂的平均粒度不符要求地增大。如果蒸馏持续过久，汽提出过量胺，那么分散液就会变得不稳定并分离。为了保持低粘度，在一些水稀释性体系中要保持聚合物的低分子量。结果，这些体系就需要大量的交联剂，产生交联以获得涂层性能。由于从油包水逆转为水包油，在水稀释性体系中使用较高分子量的聚合物常常形成不合格的高加工粘度。另外，脱除水和溶剂会损耗上述的中和剂，使分散液失稳，并形成不符要求的大树脂粒度。美国专利№5,319,019、5,356,988和5,380,771描述了制备丙烯酸类聚合物分散液的方法的实施例。在这些方法的每一种中都使用了不与水混溶的溶剂，而且溶剂在高温下进行汽提。高温汽提会导致使粘度增高的逆转，并导致粒度增大。本专利技术的一个目的是提供可降低或使VOC最少的聚合物载体。本专利技术的另一个目的是提供这样的聚合物载体，它不仅VOC低，而且可提供具有良好膜性能例如硬度和耐冲击性能的涂料粘合剂。本专利技术的又一个目的是提供制备这样的稳定的聚合物水分散液的方法，它具有较高的固体含量，树脂具有低酸值和较高的分子量，它在制备分散液时也可保持低的加工粘度。本专利技术的再一个目的是控制粘度至液态聚合物载体或液态配制的涂料组合物那样低，使用水并使有机溶剂最少来实现这样的控制。当参考了下述说明和所附权利要求书时，就会更明白本专利技术的其他目的、优点、特征和特性。专利技术的概述本专利技术涉及可有效地提供高分子量聚合物的稳定水分散液的分散方法。本专利技术的水分散液含有低于约5％(重量)的有机溶剂、至少约30％(重量)固体，在环境温度附近粘度低于约20.0泊。在本专利技术的一个重要方面，使加工温度最低，分散液中树脂的平均粒度保持于不大于约400纳米，而且分散过程不发生逆转。根据本专利技术的分散方法，在亲水性有机溶剂中合成离子官能聚合物，或合成纯聚合物，然后再与亲水性有机溶剂混合。在本专利技术的一个重要方面，所形成的聚合物的酸值至少约为4，该聚合物在亲水性溶剂中的溶解度至少约为50％(重量)，以聚合物和溶剂的重量为基准，而且亲水性溶剂在加工温度下在水中的溶解度至少约为5％(重量)，以溶剂和水的混合物的重量为基准。聚合物完全溶解于有机溶剂之后，加入有效量的中和剂，以提供加入水并脱除溶剂时的聚合物分散液。中和剂可以是任何适合于可电离官能聚合物的可形成盐的碱，例如氢氧化钠或胺。在一个很重要的方面，中和剂是选自氨、三乙醇胺、二甲基乙醇胺、2-氨基-2-甲基-1-丙醇的胺类。不是所有的聚合物上的可电离基团都需要与碱反应(或中和)。根据存在于聚合物内的可电离基团类型，重要的是在与水混合之前中和聚合物，使水可分散的中和的可电离基团通常能均匀地分布于整个聚合物内。在亲水性有机溶剂中形成聚合物盐溶液之后，将该溶液与水混合，形成水/有机溶剂/聚合物盐的共混物，在一定时间、温度和压力下从共混物中脱除或汽提有机溶剂和水，以有效地形成这样一种水分散液，它含有的树脂平均粒度不大于约400纳米，聚合物浓度至少约30％(重量)，有机溶剂浓度低于5％(重量)。在一个很重要的方面，其中中和剂是胺或氨，在不高于约65℃的汽提温度下，在容许该汽提温度的压力下，保持树脂的平均粒度。在本专利技术方法的最后步骤中，其中亲水性溶剂从水/有机溶剂/聚合物盐的共混物中脱除，粘度有稳定的很小的增高，不会因为非挥发性物质(NVM)增多而产生逆转。尽管如此，在加工过程中仍然没有观察到粘度尖峰。因为逆转会引起高加工粘度，所以应当避免逆转。高加工粘度会导致使用能量或热量(例如施加高剪切维持混合)，或另外会导致使用较多的水或有机溶剂，这会导致增大加工成本也增大原料成本的处置问题，因为加工助剂最终要处理掉。也应当认识到在有机溶剂的汽提过程中，脱除有机溶剂，而使逆转不会发生也是很重要的。要在加工过程中避免逆转，在整个加工过程中，体系的约25℃温度的粘度就需保持在约0.1-20泊，优选约1-20泊，就不会发生通常可归因于逆转过程的高粘度尖峰。由于在分散液的加工过程中不曾出现高粘度尖峰，所以能够获得较高的固体含量。在本专利技术的一个很重要的方面，分散液25℃的粘度通常低于约10泊。另外，汽提温度低于中和剂会大量损耗的温度。树脂的平均粒度不超过约400纳米，平均粒度一般约为40-200纳米。在本专利技术的一个重要方面，根据本专利技术能够分散的聚合物包括缩聚物、加聚物和缩聚物与加聚物的混合物。在本专利技术的一个重要方面，其中分散液含有缩聚物，固体含量可以至少约为40％(重量)。在本专利技术的一个涉及缩聚物的方面，树脂的数均分子量(Mn)约为2000-10000，酸值至少约为4。在另一方本文档来自技高网...

【技术保护点】
一种制备水分散液的方法，它包括如下步骤：形成具有足量可电离基团从而为聚合物提供至少约４的酸值的聚合物，该聚合物选自亲水性有机溶剂中的缩聚物、加聚物和缩聚物与加聚物的混合聚合物，以形成聚合物的有机溶剂溶液，其中聚合物可溶于亲水性溶剂，亲水性有机溶剂在水中的溶解度至少约为５％（重量）；通过将聚合物与可形成中和的聚合物盐的有效量的中和剂混合，来中和聚合物的可电离基团，以形成中和的聚合物盐溶液；将中和的聚合物盐的溶液与水混合，形成水／有机溶剂／中和的聚合物的共混物；在一定的温度和压力下，从共混物中脱除有机溶剂，聚合物的平均粒度不大于约４００纳米该分散液含有少于约５％（重量）的有机溶剂、至少约３０％（重量）固体，约２５℃下的粘度低于约２０泊。

【技术特征摘要】
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【专利技术属性】
技术研发人员：JL诺特阿热尔，MD科德，KJ奥卡拉汉，CAK施特策尔，
申请(专利权)人：伊士曼化学公司，
类型：发明
国别省市：US[美国]