水溶性丙烯酸树脂

水溶性丙烯酸树脂

——酒瓶漆

丙烯酸树脂是由丙烯酸及丙烯酸酯类单，在一定条件下共聚而成的线性高分子树脂。

水溶性丙烯酸树脂之所以具有水溶性，是因为在树脂合成过程中，引进了亲水性基团—羧基、羟基、氨基、酰胺基等。为了进一步增加树脂的水溶性，加胺中和成盐而获得水溶性，然后加水稀释得到水溶性丙烯酸树脂。

与传统的溶剂型涂料相比，水溶性涂料具有价格低、使用安全，节省资源和能源，减少环境污染和公害等优点，因而已成为当前发展涂料工业的主要方向。水溶性丙烯酸烯树脂涂料是水性涂料中发展最快、品种最多的无污染型涂料。

水溶性丙烯酸树脂是制备环保型水溶性丙烯酸酯涂料、水性油墨、水性胶黏剂等的基础树脂材料，可作为成膜连接料，可广泛用于水性涂料、纸张、纺织品（天然和人工合成）表面处理剂、皮革上光剂、胶黏剂等配置的主要原料。在施工过程中，可采用喷涂、辊涂、刷涂等方式涂装。

（1）聚合反应：丙烯酸及其酯在引发剂作用下聚合成嵌段丙烯酸树脂共聚物。

（2）成盐反应：嵌段丙烯酸树脂共聚物用氨水或有机胺中和，生产嵌段丙烯酸树脂的铵盐

（3）聚合物玻璃化温度：无定形或半结晶聚合物从黏流态或高弹态（橡胶态）向玻璃态转变（或相反的转变）称玻璃化转变。发生玻璃化转变温度范围近似中点称为玻璃化温度。

对于涂料用丙烯酸树脂，其玻璃化温度的设计是非常重要的。因为其玻璃化温度直接影响涂料的最终性能。一般而言，玻璃化温度高的硬度和光泽就高，但往往也比较脆。为了使聚合物有较好的的施工和涂膜性能，需要对聚合物的配方进行设计。一个由不同单体构成的聚合物，其玻璃化温度可以由其多组分的玻璃化温度加和而成。通过设涂料树脂的玻璃化温度，就可以确定软硬单体的配比。

酒瓶漆是近年来发展较快的涂料品种，其要求耐醇、耐碱、耐水煮、硬度高、装饰性好，目前国内常用酒瓶漆树脂为环氧树脂和羟基丙烯酸树脂，基本属于溶剂型，不仅污染环境，也会影响操作人员健康。随着环保法规的不断强化，促使涂料向“4E”方向发展，尤其是以水为分散介质和稀释剂的水性涂料是涂料发展的一个重要方向。

羟基丙烯酸树脂固化后具有硬度高、漆膜丰满、附着力好、耐性突出的特点，是一种性能优良，用途广泛的保护和装饰性涂料，特别是在金属、木器、塑料、玻璃等领域。少部分以水为溶剂的羟基丙烯酸树脂存在固含低、耐性差、漆膜装饰性不好等问题，不能够大量替代溶剂型羟丙树脂，因此提高水性羟基丙烯酸树脂的耐性和固含量以及装饰性是目前亟待解决的问题。

本文先采用溶剂聚合的方式、以叔碳酸缩水甘油酯(E－10P)调节粘度、以环氧树脂改善其性能，通过后期加水合成了高固含量的水性羟基丙烯酸树脂，并在水性酒瓶漆领域获得了良好的应用。

1 实验部分

1.1 原材料

甲基丙烯酸甲酯(MMA)、苯乙烯(St)、甲基丙烯酸羟乙酯(HEMA)、丙烯酸丁酯(BA)、丙烯酸(AA)、巯基乙醇、二丙二醇甲醚、N，N’－二甲基乙醇胺均为化学纯，国药集团化学试剂有限公司，叔碳酸缩水甘油酯(E－10P)，工业级，迈图高新材料集团;环氧树脂(E－20)，环氧值(eq/100g)为0.18～0.22，工业级，无锡树脂厂;氨基树脂(Cymel－325)，甲醚化氨基树脂，固体质量分数80%，美国氰特公司;二叔丁基过氧化物(DTAP)，化学纯，上海比尤化工有限公司，分散剂Tego745、润湿剂Tego245、消泡剂Tego810均为工业品，德国盈创工业集团。

1.2 实验仪器

IKA欧洲之星电子搅拌器，江西鼎技科学仪器有限公司;DiamondDSC，美国Perkin-Elmer公司;NDJ－3旋转粘度计，广州标格达实验仪器公司;GPC测定仪，Waters公司;光泽仪A－4528，毕克公司。

1.3 水性羟丙烯酸树脂的制备

在装有搅拌器、温度计和回流冷凝管的四口烧瓶中加入一定量的二丙二醇甲醚、正丁醇、环氧树脂E－20，升温至140℃，然后在4h内滴加混合单体和引发剂，滴加完毕后保温1h，然后补加少量引发剂，保温1h，降温，中和，加水过滤出料。

1.4 漆膜的配制

将合成的水性羟基丙烯酸树脂与氨基树脂按一定比例混合，加入钛白和其他助剂砂磨2h，在玻璃板上用100μm的涂布器涂布，先在80℃的烘箱中预烘5min，然后升至170℃烘20min，得到的漆膜进行下一步测试。

1.5 性能检测

1)树脂粘度测试

在25℃下使用NDJ－3旋转粘度计测定。

2)树脂分子质量检测

采用Waters公司的GPC测定仪测定，四氢呋喃做淋洗液，标准聚苯乙烯做校正曲线，柱温25℃，流速1.0mL/min。

3)漆膜性能检测

漆膜性能按照国家相关标准测试。

2·结果与讨论

2.1 引发剂用量对树脂的影响

引发剂用量不仅影响树脂的水溶性，而且对合成树脂的分子质量和分子质量分布具有很大影响，本实验选择对分子质量分布控制较好的DTAP为本次实验的引发剂。

从表1可以看出，提高引发剂用量会降低树脂的粘度和树脂分子质量，分子质量分布变宽，同时也会提高树脂的水溶性;但是引发剂过多，不仅会造成树脂分子质量分布变宽，影响树脂的最终性能，而且生产过程放热剧烈，影响聚合过程稳定性，此外制备的树脂气味大，生产成本过高。在保证树脂水溶性的前提下，引发剂的质量分数在1.2%左右比较合适。

表1 引发剂用量对水性羟丙树脂性能的影响

2.2 E－10P对树脂粘度的影响

E－10P在高温下可以和丙烯酸发生酯化反应，从而形成一个庞大而疏水的叔碳酸酯结构，该结构能对交联提供位阻保护效应，从而防止水解，赋予聚合物优异的性能，如低粘度、耐酸碱、高光泽、漆膜韧性和饱满度等。

从图1中可以看出，随着E－10P用量的增加，树脂的粘度不断下降，考虑到价格的因素，E－10P质量分数在15%较合适。

图1 E－10P 对树脂水性羟丙树脂粘度的影响

2.3 环氧树脂用量对树脂性能的影响

环氧树脂的引入不仅能够提高树脂的附着力，而且会大幅度提高树脂的各种耐性，考虑到树脂的水溶性和耐性的平衡关系，本实验选择环氧树脂E－20来改性羟丙树脂。

从表2可以看出，随着环氧树脂E－20用量的增加，水性树脂的粘度在不断增加，树脂涂膜对玻璃的附着力和硬度也在不断增加，但水溶性降低，且用量过大时，漆膜在高温烘烤时黄变严重，这是因为环氧树脂E－20分子质量较大，可形成的接枝反应点相对较多，用量过多，接枝不完全，会发生树脂的相分离，产生不透明现象，另外E－20用量过大，和氨基树脂交联密度过大，交联过度，会造成涂膜变脆，因此综合考虑，环氧树脂E－20的质量分数在10%时所制备的涂膜性能较好。