涂料技术
研究松香酯树脂改性低游离TDI多异氰酸酯预聚物
3.2制造工艺
把蓖麻油、醚醇、145树脂(小豆粒状或由大块状破碎成小块)、甲苯加入配有回流冷凝器与分水器的四口烧瓶中,加热、搅拌,在118~120℃回流脱水约30min;降温,加入二甲苯⑴;降温到65~60℃,加入P10、TDI、二甲苯⑵,分段保温反应:70℃,1h;80℃,1h;100℃,2h;110℃,2h。降温,加入二甲苯⑶,降温至低于40℃,出料,包装。
3.3预聚物产品的技术指标
793预聚物为浅棕黄色透明低黏度树脂液,具有代表性的3批产品的技术指标见表3。
表3 793松香酯改性预聚物技术指标
把蓖麻油、醚醇、145树脂(小豆粒状或由大块状破碎成小块)、甲苯加入配有回流冷凝器与分水器的四口烧瓶中,加热、搅拌,在118~120℃回流脱水约30min;降温,加入二甲苯⑴;降温到65~60℃,加入P10、TDI、二甲苯⑵,分段保温反应:70℃,1h;80℃,1h;100℃,2h;110℃,2h。降温,加入二甲苯⑶,降温至低于40℃,出料,包装。
3.3预聚物产品的技术指标
793预聚物为浅棕黄色透明低黏度树脂液,具有代表性的3批产品的技术指标见表3。
表3 793松香酯改性预聚物技术指标

表3所列的技术指标中,“热贮存黏度增长率”为样品在80℃下密闭贮存7h后黏度增长的百分数[6],它可以作为考察预聚物产品贮存稳定性的参考指标。如增长率小于5%,一般可相当于在室温下稳定存放1a,793预聚物的实际贮存考察结果也与此相符。“溶剂容忍度”为预聚物产品容许几倍的某种溶剂稀释而不析出的限度,它反映了预聚物的极性,也即反映了预聚物的可溶性、树脂相容性与可刷涂性、流平性,793预聚物的二甲苯容忍度∞,即可以以二甲苯无限稀释,其刷涂性与流平性极好,与一般羟基树脂也有良好的相容性。事实上,793预聚物不仅可以以二甲苯无限稀释,甚至可以以1500#重芳烃(C9、C10芳烃)溶剂无限稀释。f-TDI含量为常州涂料化工研究院GC法检测所得的数据。
4 793预聚物的应用
4.1作为2KPU漆的固化剂
793的研制目的,首先是用于经济型的低f-TDI的PU漆,也就是用作一种低f-TDI的S685固化剂的替代品。与一般的S685固化剂一样,由于—NCO含量较低,因此在配漆时,固化剂比例较高,固化剂与羟基树脂的固体比为(1.5~2.0)/1,漆膜性能较好,所配制的2KPU与S685一样有良好的刷涂性、流平性,漆膜光亮、丰满。793预聚物与松香改性短油度脂肪酸醇酸树脂(F14、F14A)、松香改性短油度蓖麻油醇酸树脂(639)等配制2KPU漆(加DBTDL催化剂0.3%),制漆性能检测结果见表4。可以看出,配用639树脂效果最好。
4.2作为MCPU清漆
793单独作为MCPU清漆,亦具有良好的刷涂性、流平性,漆膜光亮、平滑、丰满、性能良好,用作竹木器具工艺品装饰漆,以及房屋内装修漆是很适宜的。793MCPU涂料性能检测结果亦见表4。
表4 793预聚物制漆应用性能
4 793预聚物的应用
4.1作为2KPU漆的固化剂
793的研制目的,首先是用于经济型的低f-TDI的PU漆,也就是用作一种低f-TDI的S685固化剂的替代品。与一般的S685固化剂一样,由于—NCO含量较低,因此在配漆时,固化剂比例较高,固化剂与羟基树脂的固体比为(1.5~2.0)/1,漆膜性能较好,所配制的2KPU与S685一样有良好的刷涂性、流平性,漆膜光亮、丰满。793预聚物与松香改性短油度脂肪酸醇酸树脂(F14、F14A)、松香改性短油度蓖麻油醇酸树脂(639)等配制2KPU漆(加DBTDL催化剂0.3%),制漆性能检测结果见表4。可以看出,配用639树脂效果最好。
4.2作为MCPU清漆
793单独作为MCPU清漆,亦具有良好的刷涂性、流平性,漆膜光亮、平滑、丰满、性能良好,用作竹木器具工艺品装饰漆,以及房屋内装修漆是很适宜的。793MCPU涂料性能检测结果亦见表4。
表4 793预聚物制漆应用性能

注:耐溶剂性是用吸饱醋酸丁酯的棉球来回擦拭50次,0级:漆膜不变;1级:轻度软化,迅速恢复。耐磨性是750g/500r失重。
5 讨论
5.1关于松香酯树脂技术指标的测算
由145树脂的实测羟基值可推算其平均羟基摩尔质量数,再由此推算其羟基官能度,但这只是粗略、近似的计算。涂料工业用的季戊四醇并非单体纯品,还有二季戊四醇及少量的其它成分,其实际官能度大于4.0,而且145树脂的成分也不单纯只是松香酯,还含有未反应的松香等,所以,仅靠其羟基值的测定,实际上不可能很确切地了解其结构组成。但是,对于以实用为目的的预聚物的研制工作,不必要也不可能等把145树脂结构组成彻底搞清楚才着手进行,只要原理上是成立的就可以通过大致的测算,作为配方设计的起点,目的产物预聚物的最终实用配方,可以,也必须通过实地试验工作中的不断调整才能获得。由于松香酯树脂结构组成的复杂性,对于不同厂家提供的不同批次的树脂进行检测,如羟基值、酸值的检测,了解它们的差别,再根据研发试验中的数据积累进行相应的配方调整是完全必要的。
5.2松香酯树脂中金属离子对预聚物合成反应的影响
松香的酯化反应不易进行,所以在松香酯树脂的制造工艺中往往要加入0.1%~0.3%的氧化锌之类的金属氧化物作为酯化催化剂。这类金属离子也是—NCO/—OH反应与—NCO自聚的催化剂,因此尚存于松香酯树脂中的这些金属离子,已足于对预聚物合成工艺中—NCO的反应造成重大影响,使产品黏度上升,贮存稳定性变劣,甚至在反应釜中凝胶化。本试验当中,来自不同公司不同批次的数批145树脂,不加处理而能正常反应的仅有1批。因此,应该要求树脂厂提供不加催化剂的树脂,不过这个要求不切实际,不太可能被树脂厂接受。经过试验,发现“磷酸沉淀法”可以有效地除去这些金属离子。树脂中的金属离子应当是以其松香皂的形式存在,在均相体系中遇到更强的磷酸时,金属离子可转而与磷酸结合形成在溶剂体系中不溶的磷酸盐而析出,脱离系统。预聚物的合成工艺中,本就加入少量的磷酸,如本研究中纯磷酸的加入量为总投料量的0.0055%,为的是抑制—NCO的副反应,以使工艺安全。这样微量的磷酸不足于脱除松香酯树脂中的金属离子。因此,在多元醇与145树脂投入甲苯时,可先加入总配方量的0.1%~0.3%的P10磷酸液,即其纯磷酸量与配方中145树脂中的氧化锌等数量相近,一起回流约0.5h后,可以发现沿瓶壁液面处析出一圈细胶粒状物,这就是磷酸与金属离子结合成不溶性的磷酸盐。接着加入原配方量的P10磷酸液、TDI、二甲苯等,就可继续进行正常的反应,所得到的预聚物的黏度、热贮存黏度增长率等都正常了。在实际生产中应当与树脂供应商沟通好,尽可能了解树脂中的金属离子的种类与数量,以便更准确地预测磷酸的加入量。当然,最佳加入量终究要通过试验确定。
5 讨论
5.1关于松香酯树脂技术指标的测算
由145树脂的实测羟基值可推算其平均羟基摩尔质量数,再由此推算其羟基官能度,但这只是粗略、近似的计算。涂料工业用的季戊四醇并非单体纯品,还有二季戊四醇及少量的其它成分,其实际官能度大于4.0,而且145树脂的成分也不单纯只是松香酯,还含有未反应的松香等,所以,仅靠其羟基值的测定,实际上不可能很确切地了解其结构组成。但是,对于以实用为目的的预聚物的研制工作,不必要也不可能等把145树脂结构组成彻底搞清楚才着手进行,只要原理上是成立的就可以通过大致的测算,作为配方设计的起点,目的产物预聚物的最终实用配方,可以,也必须通过实地试验工作中的不断调整才能获得。由于松香酯树脂结构组成的复杂性,对于不同厂家提供的不同批次的树脂进行检测,如羟基值、酸值的检测,了解它们的差别,再根据研发试验中的数据积累进行相应的配方调整是完全必要的。
5.2松香酯树脂中金属离子对预聚物合成反应的影响
松香的酯化反应不易进行,所以在松香酯树脂的制造工艺中往往要加入0.1%~0.3%的氧化锌之类的金属氧化物作为酯化催化剂。这类金属离子也是—NCO/—OH反应与—NCO自聚的催化剂,因此尚存于松香酯树脂中的这些金属离子,已足于对预聚物合成工艺中—NCO的反应造成重大影响,使产品黏度上升,贮存稳定性变劣,甚至在反应釜中凝胶化。本试验当中,来自不同公司不同批次的数批145树脂,不加处理而能正常反应的仅有1批。因此,应该要求树脂厂提供不加催化剂的树脂,不过这个要求不切实际,不太可能被树脂厂接受。经过试验,发现“磷酸沉淀法”可以有效地除去这些金属离子。树脂中的金属离子应当是以其松香皂的形式存在,在均相体系中遇到更强的磷酸时,金属离子可转而与磷酸结合形成在溶剂体系中不溶的磷酸盐而析出,脱离系统。预聚物的合成工艺中,本就加入少量的磷酸,如本研究中纯磷酸的加入量为总投料量的0.0055%,为的是抑制—NCO的副反应,以使工艺安全。这样微量的磷酸不足于脱除松香酯树脂中的金属离子。因此,在多元醇与145树脂投入甲苯时,可先加入总配方量的0.1%~0.3%的P10磷酸液,即其纯磷酸量与配方中145树脂中的氧化锌等数量相近,一起回流约0.5h后,可以发现沿瓶壁液面处析出一圈细胶粒状物,这就是磷酸与金属离子结合成不溶性的磷酸盐。接着加入原配方量的P10磷酸液、TDI、二甲苯等,就可继续进行正常的反应,所得到的预聚物的黏度、热贮存黏度增长率等都正常了。在实际生产中应当与树脂供应商沟通好,尽可能了解树脂中的金属离子的种类与数量,以便更准确地预测磷酸的加入量。当然,最佳加入量终究要通过试验确定。
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