本發(fā)明涉及涂料技術(shù)領(lǐng)域，具體公開(kāi)了一種高官能度水性光固化聚氨酯涂料及制備方法。

背景技術(shù)：

涂料是化工材料的一類(lèi)，正在逐步成為一類(lèi)多功能性的工程材料。涂料工業(yè)是化學(xué)工業(yè)的一個(gè)重要行業(yè)，占有重要的地位。涂料工業(yè)的發(fā)展情況在一定程度上可以作為衡量一個(gè)國(guó)家工業(yè)發(fā)展水平的標(biāo)尺。

傳統(tǒng)涂料一般以有機(jī)溶劑為活性稀釋劑，施工后會(huì)釋放出大量的苯、甲醛等揮發(fā)性有機(jī)化合物(VOC)，嚴(yán)重危害人類(lèi)生存環(huán)境和身體健康，已經(jīng)成了環(huán)境污染的一個(gè)重要來(lái)源。同時(shí)由于有機(jī)溶劑的存在，給生產(chǎn)和運(yùn)輸帶來(lái)了消防安全隱患。

環(huán)境保護(hù)和資源綜合利用已成為世界的共同焦點(diǎn)，環(huán)保型涂料的研究和開(kāi)發(fā)已經(jīng)成為各國(guó)研究的重點(diǎn)和熱點(diǎn)。光固化水性聚氨酯涂料結(jié)合了光固化技術(shù)和水性涂料技術(shù)，采用水不但可作樹(shù)脂的稀釋劑，還可以作為分散介質(zhì)，可以基本消除活性稀釋劑的使用。水性光固化聚氨酯涂料的優(yōu)點(diǎn)顯而易見(jiàn)，其繼承了水性涂料的環(huán)保、經(jīng)濟(jì)、安全和光固化涂料的高效、節(jié)能的優(yōu)勢(shì)，并具有優(yōu)良的柔韌性、耐磨性和性能調(diào)控等特性，展現(xiàn)出廣闊的應(yīng)用前景。

不飽和官能團(tuán)是決定光固化聚氨酯分散體交聯(lián)密度的最關(guān)鍵因素，含光敏性基團(tuán)的聚氨酯分散體樹(shù)脂或預(yù)聚物大多數(shù)以常見(jiàn)的樹(shù)脂進(jìn)行不飽和官能化而得。目前關(guān)于光固化聚氨酯分散體的研究報(bào)道很多，絕大多數(shù)研究沿襲了傳統(tǒng)的線型聚氨酯設(shè)計(jì)理念，即通過(guò)優(yōu)化長(zhǎng)鏈二醇軟段和異氰酸酯硬段的相對(duì)含量，采用甲基丙烯酸羥乙酯(HEMA)或丙烯酸羥乙酯(HEA)封端，不飽和官能度含量較低。在實(shí)際應(yīng)用過(guò)程中，這種低官能度封端的產(chǎn)品已暴露出涂膜固化速率較慢、交聯(lián)密度較低、成本相對(duì)較高等缺陷。使得施工時(shí)間增加、生產(chǎn)效率降低、涂膜硬度、耐水耐化學(xué)品等物理化學(xué)性能較差，難以同傳統(tǒng)的溶劑型涂料相抗衡，因此制約了其工業(yè)化發(fā)展的空間。因此，提高水性聚氨酯樹(shù)脂的性能成為國(guó)內(nèi)水性聚氨酯涂料發(fā)展的關(guān)鍵所在。

技術(shù)實(shí)現(xiàn)要素：

為了克服水性光固化聚氨酯涂料官能度低，硬度、強(qiáng)度和耐水耐化學(xué)品性能差以及存在的不同程度的缺陷等問(wèn)題，本發(fā)明擬通過(guò)設(shè)計(jì)一種分子結(jié)構(gòu)，同時(shí)提高其分子結(jié)構(gòu)中官能度的方法，得到高交聯(lián)密度、硬度、強(qiáng)度、耐水耐溶劑性能優(yōu)異的水性聚氨酯涂料。

為實(shí)現(xiàn)上述目的及其他相關(guān)目的，本發(fā)明提供以下技術(shù)方案：

一種涂料，含有ε-己內(nèi)酯二醇(PCL-1000)、二羥甲基丙酸(DMPA)、異佛爾酮二異氰酸酯(IPDI)、季戊四醇三丙烯酸酯(PETA)、去離子水及各種助劑，其中，上述各組分的配比為：ε-己內(nèi)酯二醇(PCL-1000)：13％～18％；二羥甲基丙酸(DMPA)：4％～9％；異佛爾酮二異氰酸酯(IPDI)：24％～30％；季戊四醇三丙烯酸酯(PETA)：17％～22％；去離子水：22％-28％；助劑：0.1～8％。

優(yōu)選地，所述各組分的配比為：ε-己內(nèi)酯二醇(PCL-1000)：15％～18％；二羥甲基丙酸(DMPA)：4％～7％；異佛爾酮二異氰酸酯(IPDI)：27％～30％；季戊四醇三丙烯酸酯(PETA)：18％～22％；去離子水：22％-28％；助劑：0.1～8％。

在一具體實(shí)施例中，所述各組分的配比可以為：ε-己內(nèi)酯二醇(PCL-1000)：16％；二羥甲基丙酸(DMPA)：4％；異佛爾酮二異氰酸酯(IPDI)：28％；季戊四醇三丙烯酸酯(PETA)：22％；去離子水：22％；助劑：8％。

在一具體實(shí)施例中，所述各組分的配比可以為：ε-己內(nèi)酯二醇(PCL-1000)：18％；二羥甲基丙酸(DMPA)：5％；異佛爾酮二異氰酸酯(IPDI)：27％；季戊四醇三丙烯酸酯(PETA)：20％；去離子水：25％；助劑：5％；。

在一具體實(shí)施例中，所述各組分的配比可以為：ε-己內(nèi)酯二醇(PCL-1000)：15％；二羥甲基丙酸(DMPA)：7％；異佛爾酮二異氰酸酯(IPDI)：24％；季戊四醇三丙烯酸酯(PETA)：18％；去離子水：28％；助劑：8％。

優(yōu)選地，所述各組分的配比為：ε-己內(nèi)酯二醇(PCL-1000)：13％～16％；二羥甲基丙酸(DMPA)：7％～9％；異佛爾酮二異氰酸酯(IPDI)：28％～30％；季戊四醇三丙烯酸酯(PETA)：17％～20％；去離子水：22％-25％；助劑：0.1～8％。

在一具體實(shí)施例中，所述各組分的配比可以為：ε-己內(nèi)酯二醇(PCL-1000)：13％；二羥甲基丙酸(DMPA)：9％；異佛爾酮二異氰酸酯(IPDI)：30％；季戊四醇三丙烯酸酯(PETA)：17％；去離子水：23％；助劑：8％。

優(yōu)選地，所述助劑的組分為：乳液60％～90％；流平劑0.1％～0.8％；消泡劑0.2％～1.0％；增稠劑0.3％～1.2％；助溶劑0.5％～2.0％；增滑劑0.3％～1.4％；手感劑2.0％～5.0％；光引發(fā)劑3.0％～12％。

此外，還可以通過(guò)以下制備步驟來(lái)制備上述涂料，具體步驟可以包括：

1)合成預(yù)聚體

在裝有攪拌器、冷凝管和溫度計(jì)的三口燒瓶中加入計(jì)量配比的聚ε-己內(nèi)酯二醇 (PCL-1000)和二羥甲基丙酸(DMPA)，真空度下脫水以去除PCL-1000和DMPA中含有的水分和自身的結(jié)晶水。然后向燒瓶中滴加計(jì)量配比的異佛爾酮二異氰酸酯(IPDI)，在穩(wěn)定溫度條件下，加入催化劑，制備含羧基基團(tuán)(-COOH)的異氰酸酯基團(tuán)(NCO)封端的預(yù)聚物。

2)雙鍵封端

用適量丙酮稀釋預(yù)聚體，加入計(jì)量配比的季戊四醇三丙烯酸酯(PETA)進(jìn)行封端，加入適量阻聚劑，制備雙鍵基團(tuán)封端的預(yù)聚物。

3)中和、分散和去溶劑

控制體系溫度，在高速攪拌條件下，加入成鹽劑中和，加入計(jì)量的去離子水高速攪拌乳化分散，然后通過(guò)減壓蒸餾除去體系中丙酮，即得到一定固體含量的光固化聚氨酯分散體乳液。

4)添加助劑

向制備好的分散體乳液中加入適量助劑和光引發(fā)劑，1000-2000r/min條件下，分散至少60～120min，助劑配比如下：

所述助劑的組分為：乳液60％～90％；流平劑0.1％～0.8％；消泡劑0.2％～1.0％；增稠劑0.3％～1.2％；助溶劑0.5％～2.0％；增滑劑0.3％～1.4％；手感劑2.0％～50％；光引發(fā)劑3.0％～12％。

與現(xiàn)有技術(shù)相比，本發(fā)明具有以下優(yōu)點(diǎn)：

1)本發(fā)明以異佛爾酮二異氰酸酯和ε-己內(nèi)酯二醇為原料，以二羥甲基丙酸為擴(kuò)鏈劑，制備含羧基基團(tuán)(-COOH)的異氰酸酯基團(tuán)(NCO)封端的預(yù)聚物，然后以季戊四醇三丙烯酸酯為封端劑，制備雙鍵基團(tuán)封端的預(yù)聚物。配以流平劑、消泡劑、光引發(fā)劑等助劑，合理搭配，制備的涂料適用于木材、金屬、紙張和塑膠等材料表面涂裝，通用性強(qiáng)；

2)水性體系更便于調(diào)節(jié)粘度，涂料的流變性容易控制，適用于各種涂裝方式，如淋涂、錕涂和噴涂等；

3)用水代替了活性稀釋劑，解決了VOC及毒性、刺激性的問(wèn)題；

4)齊聚物的高分子量及低的交聯(lián)密度，可避免由于活性稀釋劑所引起的固化收縮，涂膜最終附著力好，同時(shí)可解決傳統(tǒng)油性涂料不能同時(shí)具有的高硬度和高韌性的矛盾；

5)通過(guò)調(diào)節(jié)固體含量可得到極薄的涂層，降低成本；

6)設(shè)備、容器等可用水性清洗液，易于清洗；

7)水烘干后在輻照之前就可以得到觸干的涂層，這樣可以用于三維物體的表面固化，這種輻照之前就觸干的涂層減少了灰塵的吸附并且能在固化前對(duì)涂層的缺陷進(jìn)行修補(bǔ)，減少不 合格率；

8)水作為連續(xù)相，是最廉價(jià)安全的稀釋劑，降低了涂料的燃、爆等級(jí)，大大減少火災(zāi)危害。

具體實(shí)施方式

下面將結(jié)合本發(fā)明實(shí)施例，對(duì)本發(fā)明實(shí)施例中的技術(shù)方案進(jìn)行清楚、完整地描述，顯然，所描述的實(shí)施例僅僅是本發(fā)明的一部分實(shí)施例，而不是全部的實(shí)施例?；诒景l(fā)明的實(shí)施例，本領(lǐng)域普通技術(shù)人員在沒(méi)有做出創(chuàng)造性勞動(dòng)的前提下所獲得的所有其它實(shí)施例，都屬于本發(fā)明保護(hù)的范圍。

下面通過(guò)實(shí)施例進(jìn)一步闡述本發(fā)明的產(chǎn)品組成配方。

實(shí)施例1

一種涂料，由以下組分組成：

ε-己內(nèi)酯二醇(PCL-1000)：16％；

二羥甲基丙酸(DMPA)：4％；

異佛爾酮二異氰酸酯(IPDI)：28％；

季戊四醇三丙烯酸酯(PETA)：22％；

去離子水：22％；

助劑：8％。

依據(jù)上述組分，可以通過(guò)以下制備方法來(lái)制得涂料：

在裝有攪拌器、冷凝管和溫度計(jì)的三口燒瓶中加入上述所述重量百分比的聚ε-己內(nèi)酯二醇(PCL-1000)和二羥甲基丙酸(DMPA)，0.7MPa真空度下脫水2h；然后加入5滴催化劑，緩慢滴加上述所述重量百分比的異佛爾酮二異氰酸酯(IPDI)，在80℃溫度條件下連續(xù)攪拌2小時(shí)；用適量丙酮稀釋預(yù)聚體后，加入上述所述重量百分比的季戊四醇三丙烯酸酯(PETA)，在40℃溫度條件下連續(xù)攪拌1小時(shí)，加入適量阻聚劑、成鹽劑、光固化劑等助劑，加入去離子水高速分散后，得到高官能度水性光固化聚氨酯涂料。

實(shí)施例2

一種涂料，由以下組分組成：

ε-己內(nèi)酯二醇(PCL-1000)：18％；

二羥甲基丙酸(DMPA)：5％；

異佛爾酮二異氰酸酯(IPDI)：27％；

季戊四醇三丙烯酸酯(PETA)：20％；

去離子水：25％；

助劑：5％。

依據(jù)上述組分，可以通過(guò)以下制備方法來(lái)制得涂料：

在裝有攪拌器、冷凝管和溫度計(jì)的三口燒瓶中加入上述所述重量百分比的聚ε-己內(nèi)酯二醇(PCL-1000)和二羥甲基丙酸(DMPA)，0.9MPa真空度下脫水1h；然后加入8滴催化劑，緩慢滴加上述所述重量百分比的異佛爾酮二異氰酸酯(IPDI)，在90℃溫度條件下連續(xù)攪拌1.5小時(shí)；用適量丙酮稀釋預(yù)聚體后，加入上述所述重量百分比的季戊四醇三丙烯酸酯(PETA)，在45℃溫度條件下連續(xù)攪拌0.5小時(shí)，加入適量阻聚劑、成鹽劑、光固化劑等助劑，加入去離子水高速分散后，得到高官能度水性光固化聚氨酯涂料。

實(shí)施例3

一種涂料，由以下組分組成：

ε-己內(nèi)酯二醇(PCL-1000)：15％；

二羥甲基丙酸(DMPA)：7％；

異佛爾酮二異氰酸酯(IPDI)：24％；

季戊四醇三丙烯酸酯(PETA)：18％；

去離子水：28％；

助劑：8％。

依據(jù)上述組分，可以通過(guò)以下制備方法來(lái)制得涂料：

在裝有攪拌器、冷凝管和溫度計(jì)的三口燒瓶中加入上述所述重量百分比的聚ε-己內(nèi)酯二醇(PCL-1000)，0.8MPa真空度下脫水1h；然后加入4滴催化劑，緩慢滴加上述所述重量百分比的異佛爾酮二異氰酸酯(IPDI)，在90℃溫度條件下連續(xù)攪拌0.5小時(shí)，加入二羥甲基丙酸(DMPA)，在85℃溫度條件下連續(xù)攪拌1.5小時(shí)；用適量丙酮稀釋預(yù)聚體后，加入上述所述重量百分比的季戊四醇三丙烯酸酯(PETA)，在45℃溫度條件下連續(xù)攪拌0.5小時(shí)，加入適量阻聚劑、成鹽劑、光固化劑等助劑，加入去離子水高速分散后，得到高官能度水性光固化聚氨酯涂料。

實(shí)施例4

一種涂料，由以下組分組成：

ε-己內(nèi)酯二醇(PCL-1000)：13％；

二羥甲基丙酸(DMPA)：9％；

異佛爾酮二異氰酸酯(IPDI)：30％；

季戊四醇三丙烯酸酯(PETA)：17％；

去離子水：23％；

助劑：8％。

依據(jù)上述組分，可以通過(guò)以下制備方法來(lái)制得涂料：

在裝有攪拌器、冷凝管和溫度計(jì)的三口燒瓶中加入上述所述重量百分比的聚ε-己內(nèi)酯二醇(PCL-1000)，0.8MPa真空度下脫水1h；然后加入4滴催化劑，緩慢滴加上述所述重量百分比的異佛爾酮二異氰酸酯(IPDI)，在80℃溫度條件下連續(xù)攪拌1.0小時(shí)，加入二羥甲基丙酸(DMPA)，在90℃溫度條件下連續(xù)攪拌2小時(shí)；用適量丙酮稀釋預(yù)聚體后，加入上述所述重量百分比的季戊四醇三丙烯酸酯(PETA)，在40℃溫度條件下連續(xù)攪拌1小時(shí)，加入適量阻聚劑、成鹽劑、光固化劑等助劑，加入去離子水高速分散后，得到高官能度水性光固化聚氨酯涂料。

上述催化劑具體可以為有機(jī)錫化合物，有機(jī)錫化合物是指錫和碳元素直接結(jié)合所形成的金屬有機(jī)化合物。通式RnSnX4-(n＝1-4，R為烷基或芳香基)。有烷基錫化合物和芳香基化合物兩類(lèi)。其基本結(jié)構(gòu)有一取代體、二取代體、三取代體和四取代體(指R的數(shù)目)。上述有機(jī)錫化合物皆為從現(xiàn)有市場(chǎng)上購(gòu)買(mǎi)獲得。例如，常用有機(jī)錫化合物可以為辛酸亞錫。

綜合上述方案，見(jiàn)下表1，為上述四個(gè)實(shí)施例的關(guān)鍵指標(biāo)性能檢測(cè)表。

表1，涂料的關(guān)鍵指標(biāo)測(cè)試結(jié)果

上述具體實(shí)施例僅例示性說(shuō)明本發(fā)明的原理及其功效，而非用于限制本發(fā)明。任何熟悉此技術(shù)的人士皆可在不違背本發(fā)明的精神及范疇下，對(duì)上述實(shí)施例進(jìn)行修飾或改變。因此，舉凡所屬技術(shù)領(lǐng)域中具有通常知識(shí)者在未脫離本發(fā)明所揭示的精神與技術(shù)思想下所完成的一切等效修飾或改變，仍應(yīng)由本發(fā)明的權(quán)利要求所涵蓋。