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基于邁克爾加成原理的涂層制備研究
2022年04月26日    閱讀量:     新聞來源:2022《涂料工業(yè)》第四期  |  投稿

現(xiàn)有研究表明,以真實邁克爾反應(RealMichaelAdditionreaction,RMA)作為固化技術,有望解決傳統(tǒng)涂料固化溫度高、能耗大的固有缺陷。Michael反應的通式如式(1)所示,其原理是親電的共軛體系和親核碳負離子在強堿的作用下,發(fā)生共軛加成。由于該反應無小分子釋放,反應條件相對溫和,因而受到涂料行業(yè)的重視涂料在線coatingol.com


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目前,許多研究院所和企業(yè)相繼報道了基于邁克爾加成原理固化的涂層。Noordover等以丙二酸二乙酯制備了丙二酸酯液體樹脂,與交聯(lián)劑雙三羥甲基丙烷丙烯酸酯固化后,制得的涂層附著力優(yōu)異,但其合成的丙二酸酯樹脂的Tg大多在0℃以下,導致涂層的耐熱性下降。Ozturk等以改性聚己內(nèi)酯為起始材料制備了Michael加成型涂層,其拉伸性能優(yōu)異,但涂層的Tg低于-25℃。Daymon等使用含硫原子的丙烯酸酯衍生物制備的Michael加成型涂層具有優(yōu)異的自修復性能,但涂層耐熱性有所下降,Tg低至?27℃。綜上所述,目前大多數(shù)報道的Michael加成型涂料雖然具備良好的低溫固化性能,但局限于液體樹脂方向,涂層的耐熱性較差,Tg普遍低于0℃。


本研究采用熔融縮聚法,合成了乙酰乙酸酯樹脂和丙二酸酯樹脂2類不同結(jié)構(gòu)的固體二羰基樹脂,將其與多官能度丙烯酸酯進行Michael加成反應得到系列涂層。采用熱重分析儀(TGA)、差示掃描量熱儀(DSC)對比分析了二羰基樹脂的結(jié)構(gòu)對涂層的熱性能、機械性能的影響,以期制備得到具有高Tg、優(yōu)異耐熱性的Michael加成涂層。


1 實驗部分


1.1主要原料及儀器

對苯二甲酸:工業(yè)級,珠海BP化工有限公司;新戊二醇:工業(yè)級,煙臺萬華;單丁基氧化錫:工業(yè)級,深圳思施;丙二酸二乙酯、乙酰乙酸叔丁酯、新戊二醇二丙烯酸酯(NPGDA)、三羥甲基丙烷三丙烯酸酯(TMPTA)、1,8-二氮雜雙環(huán)[5.4.0]十一碳-7-烯(DBU)、醋酸丁酯:分析純,阿拉丁;二氯甲烷:分析純,廣州化學試劑廠。


傅立葉紅外變換光譜儀(FT-IR):iS50R,美國賽默飛;核磁共振波譜儀(NMR):AVANCEIIIHD400,德國布魯克;差示掃描量熱儀(DSC):DSC3,梅特勒-托利多;熱重分析儀(TGA):STA409PC,德國耐馳;動態(tài)力學分析儀(DMA):DMA+300,法國麥特韋伯;電子萬能試驗機:CMT-5105GD,三思泰捷。


1.2丙二酸酯樹脂/乙酰乙酸酯樹脂的制備

丙二酸酯樹脂/乙酰乙酸酯樹脂的基礎配方如表1所示。在裝有攪拌器、冷凝管、溫度計的反應釜內(nèi)加入一定量的新戊二醇、對苯二甲酸和單丁基氧化錫,逐步升溫至240℃,保溫至體系清晰后取樣;降溫至100℃,依次加入醋酸丁酯、丙二酸二乙酯/乙酰乙酸叔丁酯,升至130℃保溫反應至不再有揮發(fā)物蒸出,然后在-0.094MPa下抽真空,待酸值、黏度達到一定范圍后出料。假定反應程度為98%,且只發(fā)生醇解和酯交換反應,計算得出含1molC—H鍵的丙二酸酯樹脂和乙酰乙酸酯樹脂的質(zhì)量分別為840g和438g。


表1 樹脂基礎配方

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1.3涂層的制備

按照二羰基樹脂與丙烯酸酯理論基團比1∶1添加二羰基樹脂和丙烯酸酯衍生物(固化劑),混合于二氯甲烷中,控制固含量為15%~20%,加入總質(zhì)量2%的催化劑DBU,分散均勻后使用60μm的線棒刮涂在酒精擦拭干燥過的馬口鐵上。將鐵板置于70℃烘箱中烘1~3h成膜,冷卻后自然剝離涂層進行相關測試。涂層樣品編號如表2所示。


表2 涂層樣品編號

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1.4測試與表征

采用核磁共振波譜儀進行核磁表征,CDCl3為溶劑,頻率為400MHz;采用傅立葉紅外變換光譜儀進行紅外表征,樹脂和丙烯酸酯用KBr壓片,涂層直接測試;采用熱重分析儀(TGA)進行熱性能分析,溫度范圍:30~600℃,升溫速率10℃/min,氮氣為保護氣體;DSC曲線采用差示掃描量熱儀進行測試,升溫速度10℃/min,氮氣氛圍,樹脂和涂層的玻璃化轉(zhuǎn)變溫度為二次升溫曲線中熱轉(zhuǎn)變的中點;采用動態(tài)熱機械分析儀(DMA)以1Hz的頻率在薄膜拉伸模式下測試涂層的動態(tài)熱機械性能,升溫速率5℃/min,氮氣氛圍,涂層尺寸為30mm×6.5mm×0.1mm。拉伸試驗按GB/T1040.3—2006進行測試。涂層的交聯(lián)密度Ve通過式(2)計算。

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式中:E和T分別為Tg以上50℃處的儲能模量和溫度;R—氣體常數(shù),8.314J/(K·mol)。


2 結(jié)果與討論


2.1二羰基樹脂的核磁共振氫譜

丙二酸酯樹脂和乙酰乙酸酯樹脂均為二羰基樹脂,圖1分別為兩者的核磁共振氫譜。

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圖1 丙二酸酯樹脂和乙酰乙酸酯樹脂的核磁共振氫譜


由圖1(a)可知,δ=8.0是苯環(huán)上質(zhì)子峰,δ=4.0~4.2是新戊二醇中亞甲基的質(zhì)子峰,活潑C—H的質(zhì)子峰在δ=3.4,δ=0.78~1.23是新戊二醇中甲基的質(zhì)子峰。在圖1(b)中,δ=3.4處同樣存在活潑C—H的質(zhì)子峰,以及在δ=2.2還出現(xiàn)了乙酰基的質(zhì)子峰。以上結(jié)果說明成功制備了丙二酸酯樹脂和乙酰乙酸酯樹脂。


2.2二羰基樹脂的Tg

二羰基樹脂的DSC曲線如圖2所示,取第2次升溫曲線中熱轉(zhuǎn)變的中點為樹脂的玻璃化轉(zhuǎn)變溫度。


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圖2 樹脂的DSC曲線


從圖2可以看出,丙二酸酯樹脂和乙酰乙酸酯樹脂的Tg分別為51.0℃和31.3℃。這種差異是因為乙酰乙酸叔丁酯對樹脂起封端作用,降低了樹脂相對分子質(zhì)量,使得Tg下降,而丙二酸二乙酯具有2個可反應的酯基,使樹脂相對分子質(zhì)量增加,Tg相對較高。


2.3涂層的紅外表征

采用丙烯酸酯衍生物作為交聯(lián)劑,在路易斯堿的作用下與二羰基樹脂反應制備涂層,由于Michael加成反應活性高,反應可以在相對較低的溫度下進行,固化后的涂層不溶于常規(guī)有機溶劑。以丙二酸酯樹脂、TMPTA及其涂層P2的紅外光譜為例對反應物和產(chǎn)物進行結(jié)構(gòu)分析,結(jié)果如圖3所示。


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圖3 丙二酸酯樹脂、TMPTA及其涂層P2的紅外光譜


從圖3中可以看出,涂層P2在1640cm-1左右(CH=CH2的伸縮振動峰)、808cm-1左右(C=C的面外振動峰)的吸收峰強度基本消失,表明二羰基樹脂和丙烯酸酯衍生物發(fā)生了Michael加成反應。


2.4涂層的熱性能

涂層的熱性能檢測結(jié)果如表3及圖4所示。


表3 涂層的熱性能數(shù)據(jù)

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圖4 涂層的熱性能曲線


由圖4(a)DMA曲線可知,隨著溫度升高,涂層的儲能模量不斷下降,當溫度達到Tg時,涂層的儲能模量急劇下降,此時損耗因子達到最大值,DMA測得涂層的Tg在18.8~24.4℃,其中損耗因子在35℃左右的小峰是升溫程序切換導致。由圖4(b)DSC曲線可知,涂層的Tg范圍在8.3~18.2℃,與DMA測試結(jié)果有一定差異,主要是因為測試方法的不同導致,DMA測試聚合物的黏彈行為,而DSC測試聚合物熱焓變化。文獻采用相同丙烯酸酯固化劑制備的Michael加成涂層,由DMA測得其Tg最高僅為-14℃,遠低于本研究制備的涂層,這可能是因為高Tg的固體樹脂顯著提高了涂層的耐熱性。


結(jié)合圖2和表3可知,固化后涂層的Tg較二羰基樹脂有一定程度降低,這可能是因為丙烯酸酯組分是較柔性的結(jié)構(gòu),使得交聯(lián)網(wǎng)絡剛性下降。由表3可以看出,P1較P3、P2較P4有更低的交聯(lián)密度。這種差異主要是因為制備的乙酰乙酸酯樹脂的可反應基團濃度更高,需要消耗更多的丙烯酸酯固化劑,導致涂層交聯(lián)密度提高;其次,丙二酸酯樹脂中的活潑氫原子主要位于分子鏈中,反應存在較大的位阻,而乙酰乙酸酯樹脂中的活潑氫原子僅位于鏈端,容易發(fā)生基團的碰撞,交聯(lián)反應更加充分。


由圖4(c)TG曲線可以看出,涂層在200℃前分解較少,主要為吸附的水蒸氣和催化劑揮發(fā),在400℃以后,聚合物開始發(fā)生骨架斷裂分解,具體的熱性能數(shù)據(jù)見表3。P1、P2的5%失質(zhì)量溫度和殘?zhí)柯史謩e較P3、P4低,這可能是因為丙二酸酯結(jié)構(gòu)主要存在于分子鏈中間,由于位阻等因素,固化后殘留了部分活潑氫原子,容易受熱發(fā)生分解,導致熱穩(wěn)定性降低,另外相對較低的交聯(lián)密度也會導致涂層熱穩(wěn)定性下降。


2.5涂層的機械性能

圖5為涂層的應力-應變曲線。

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圖5涂層的應力-應變曲線


由圖5可看出,固化后的涂層機械性能較好,不易在拉伸試驗時脆斷。涂層的拉伸強度在6.0~10.7MPa,楊氏模量在30.1~129.8MPa,斷裂伸長率在135.2%~172.3%。雖然P3、P4有更高的交聯(lián)密度,但與P1、P2相比,兩者擁有更低的拉伸強度和模量,這可能是因為乙酰乙酸酯樹脂需要消耗大量的丙烯酸酯固化劑,使得涂層分子鏈柔性增加。良好的機械性能主要是因為酯基、苯環(huán)等剛性的分子鏈結(jié)構(gòu),其次適中的交聯(lián)密度也賦予涂層一定韌性。


3 結(jié)語


通過配方設計,制備了丙二酸酯樹脂和乙酰乙酸酯固體樹脂,Tg分別為51.0℃和31.3℃,通過核磁共振氫譜驗證了其結(jié)構(gòu)。對固化涂層進行性能表征,得出以下結(jié)論:高Tg的固體樹脂明顯提升了涂層耐熱性,DMA測得涂層的Tg在18.8~24.4℃;乙酰乙酸酯樹脂涂層較丙二酸酯樹脂涂層有更高的Tg和熱穩(wěn)定性,可能源于更高的交聯(lián)密度;機械性能方面,乙酰乙酸酯樹脂涂層拉伸強度、模量相對更低,可能是因為消耗大量固化劑導致鏈剛性下降。但實驗制備的涂料仍有VOC釋放,且涂層耐熱性、機械性能等仍不及傳統(tǒng)的液體涂料和粉末涂料,下一步將重點研究Michael加成涂料的性能優(yōu)化及在環(huán)保領域的應用。


標簽:工業(yè)涂料輔料與設備涂裝應用技術中心涂裝涂料設備
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