一种油脂/松香基聚酰胺水性环氧固化剂的制备方法

摘要

本发明公开了一种油脂/松香基聚酰胺水性环氧固化剂的制备方法，按下式反应得到：第一步，油脂/松香基聚酰胺的合成：油脂/松香基二元酸和多元胺反应得到油脂/松香基聚酰胺；第二步，油脂/松香基聚酰胺的加成物的合成：第一步产物和扩链剂反应得到油脂/松香基聚酰胺的加成物；第三步，经过封端后得到产物油脂/松香基聚酰胺水性环氧固化剂。本发明在二元酸中引入松香的环状结构，在保证原有体系柔韧性的基础上，提高了体系的机械强度和耐热性，同时提高了水性固化剂与水性环氧树脂的相容性。该水性环氧固化剂与水性环氧树脂混合使用时，因松香中环状结构的空间位阻大，使得体系的适用期延长。

说明书

技术领域

本发明属于环氧树脂固化剂领域，具体涉及一种油脂/松香基二元酸制备水性环氧固化剂的方法。

背景技术

环氧树脂涂料具有硬度高、耐磨性好、附着力高和耐化学药品性能优异等特点，广泛应用于涂装领域。近年来，随着人们环保意识的不断提高，许多国家相继颁布了限制挥发性有机溶剂(volatile organic compound：VOC)的环保法规，涂料的水性化成为涂料发展的重要趋势。水性环氧涂料既具有溶剂型环氧涂料良好的耐化学品性、附着性、物理机械性、电气绝缘性，又有低污染、施工简便、价格便宜等特点。至20世纪70年代国外开发出水性环氧涂料技术以来，水性环氧涂料得到了广泛的应用。而作为水性环氧体系配套使用的水性环氧固化剂，它的性质对涂膜的物理和化学性能有着至关重要的影响。

水性环氧固化剂是经过对传统的胺类固化剂改性而得，它克服了未改性胺类固化剂的缺点，且不影响涂膜的物理和化学性能，以水为溶剂，VOC含量符合环保要求。目前常用的水性环氧固化剂主要为改性胺类固化剂，包括酰胺化的多胺(主要为C18脂肪酸和多元胺缩聚产物)、聚酰胺(主要为C36二聚脂肪酸和多乙烯多胺缩聚产物)及胺加成物(主要是胺和环氧加成物)。单脂肪酸改性的酰胺化多胺固化剂与环氧树脂的相容性不是太好，容易发生相分离而在涂膜表面出现浮油和凹坑等表面缺陷，并且固化不充分造成涂膜的耐化学品性能和耐湿性较差。普通二聚脂肪酸合成的聚酰胺固化剂乳化环氧树脂体系的适用期较短，一般不超过1h就会凝胶化，这会对施工带来一定的麻烦，并且耐化学品性较差。而以环氧树脂改性的多元胺与环氧树脂的相容性较好，且自身具有水溶性，国内外对于环氧-胺类水性环氧固化剂均有报道。美国专利US 5567748、US 6277928、US 6653369等专利技术涉及环氧-胺类水性环氧固化剂，但其制备工艺非常复杂，成本高，难以产业化。而且目前，在环氧-胺类水性环氧固化剂的制备过程中，都不同程度的使用石化原料。随着石油资源的日益减少，将严重威胁着水性环氧树脂涂料工业的发展。

发明内容

为了解决现有技术存在的原料多为石化原料的缺点，本发明提供了一种油脂/松香基聚酰胺水性环氧固化剂的制备方法，利用可再生的生物质资源油脂和松香为原料制备低VOC、水易稀释且固化物性能良好的油脂/松香基聚酰胺水性环氧固化剂。

本发明的技术方案为：一种油脂/松香基聚酰胺水性环氧固化剂的制备方法，按下式反应得到：

第一步，油脂/松香基聚酰胺的合成：

第二步，油脂/松香基聚酰胺的加成物的合成：

第三步，油脂/松香基聚酰胺水性环氧固化剂的合成

所述的多元胺是二乙烯三胺、三乙烯四胺、四乙烯五胺、间二甲苯二胺、异佛尔酮二胺中的任意一种或几种。

所述的扩链剂是E-51、E-44、丁基缩水甘油醚、卞基缩水甘油醚、聚丙二醇二缩水甘油醚中的任意一种或几种。

所述的封端剂是丙稀腈、甲醛、丙稀酸乙酯、冰乙酸中的任意一种或几种。

第一步中优选方案为：多元胺和油脂/松香基二元酸按摩尔比2.2∶1的比例混合，先在150～160℃下搅拌回流1h，然后升温至210～220℃继续进行酰胺化反应。

第二步中优选方案为：扩链剂与油脂/松香基聚酰胺的摩尔比为0.4～0.8∶1，当反应至胺值＜250mg/g，即得油脂/松香基聚酰胺的加成物。

第三步的优选方案为：封端剂与油脂/松香基聚酰胺的加成物的摩尔比为1.2～1.4∶1，在溶剂存在下反应至胺值＜180mg/g，然后加入去离子水，既得油脂/松香基聚酰胺水性环氧固化剂。

第三步中溶剂优选是乙醇、苯甲醇、乙二醇甲醚、丙二醇甲醚中的任意一种或任意几种。

有益效果：

①应用本发明制备的油脂/松香基聚酰胺水性环氧固化剂，在原材料二聚酸中引入松香的环状结构，提高了体系的机械强度、耐热性和耐化学性能。

②应用本发明制备的油脂/松香基聚酰胺水性环氧固化剂提高了与水性环氧树脂的相容性，避免因相容性不好，导致容易发生相分离而在涂膜表面出现浮油和凹坑等表面缺陷。

③应用本发明制备的油脂/松香基聚酰胺水性环氧固化剂与水性环氧树脂混合使用时，因松香中环状结构的空间位阻大，使得体系的适用期延长，给施工带来方便。

④本发明的制备方法工艺简单，反应周期短，能够做到节能减排。在油脂/松香基聚酰胺水性环氧固化剂的合成过程中，大量利用可再生的生物质资源油脂和松香为原料，在当今石油资源的日益枯竭的严峻形势下，减少对石油资源的过分依赖。

附图说明

图1为油脂/松香基聚酰胺的红外光谱图。

图2为油脂/松香基聚酰胺水性环氧固化剂的红外光谱图。

具体实施方式

一种油脂/松香基聚酰胺水性环氧固化剂的制备方法，按下式反应得到：

第一步，油脂/松香基聚酰胺的合成：

第二步，油脂/松香基聚酰胺的加成物的合成：

第三步，油脂/松香基聚酰胺水性环氧固化剂的合成

该固化剂属于II型水性环氧固化剂。

所述的多元胺是二乙烯三胺、三乙烯四胺、四乙烯五胺、间二甲苯二胺、异佛尔酮二胺中的任意一种或几种。

所述的扩链剂是E-51、E-44、丁基缩水甘油醚、卞基缩水甘油醚、聚丙二醇二缩水甘油醚中的任意一种或几种。

所述的封端剂是丙稀腈、甲醛、丙稀酸乙酯、冰乙酸中的任意一种或几种。

该方法的更优选的方案为：

第一步：将2.2摩尔多元胺和1摩尔油脂/松香基二元酸混合，在150～160℃下搅拌回流1h，然后升温至210～220℃继续进行酰胺化反应3～4h，真空蒸馏除去水分和游离胺，得油脂/松香基聚酰胺。

第二步：将0.4～0.8摩尔的扩链剂缓慢滴加到1摩尔油脂/松香基聚酰胺中，在60～70℃条件下进行开环加成反应，搅拌反应至胺值＜250mg/g，即得油脂/松香基聚酰胺的加成物。

第三步：在60～90℃条件下，将1.2～1.4摩尔的封端剂缓慢滴加到1摩尔油脂/松香基聚酰胺的加成物中，在少量溶剂存在的条件下，搅拌反应至胺值＜180mg/g，然后加入适量的去离子水，既得油脂/松香基聚酰胺水性环氧固化剂。所述的溶剂是选自乙醇、苯甲醇、乙二醇甲醚、丙二醇甲醚的任意一种或几种。

以下实施例是对本发明的进一步说明，不是对本发明的限制。

实施例中胺值的测定方法：称取样品0.1g(称准至0.001g)，置于150mL烧杯中，加40mL无水乙醇。待样品完全溶解后，加2～3滴0.1％溴酚蓝-乙醇指示剂，用0.1mol/L盐酸乙醇标准溶液滴定至刚出现黄色为终点，记下盐酸消耗的毫升数。胺值X(mg/g)按如下公式计算：

$X=\frac{\mathrm{cV}\times 0.0561\times 1000}{m}$

式中c——盐酸乙醇标准溶液的浓度，mol/L；

    V——盐酸乙醇标准溶液消耗的体积，ml；

    m——样品的质量，g。

所用的油脂/松香基二元酸是自制品，以木本油脂如光皮树油，经高压水解得工业脂肪酸后，与松香中的树脂酸经Diels-Alder加成反应合成油脂/松香基二元酸，Diels-Alder加成反应工艺条件：采用自制的催化剂体系，催化剂的用量(以体系质量计)为1％，称取一定量的工业脂肪酸和松香(松香的质量分数5％)，反应时间5h，反应温度240℃，反应压力0.5MPa。具体制备可以参考文献：《一种高级脂肪酸与松香树脂酸的制备方法》专利申请，申请号：200910032140.6。

实施例1

(一)油脂/松香基聚酰胺的制备

在装有加热套、搅拌装置、温度计、回流冷凝管和蒸馏装置的1000ml三口烧瓶中，加入1摩尔油脂/松香基二元酸和2.2摩尔二乙烯三胺，加热升温至150℃，回流反应1小时后，再加热升温至210℃反应4小时，真空蒸馏除去水分和游离胺，即得油脂/松香基聚酰胺环氧树脂固化剂。

(二)油脂/松香基聚酰胺加成物的制备

向第(一)步制备的油脂/松香基聚酰胺环氧树脂固化剂中，加入0.6摩尔的卞基缩水甘油醚，缓慢加热升温至60℃搅拌反应至胺值＜250mg/g，即得油脂/松香基聚酰胺的加成物。

(三)油脂/松香基聚酰胺水性环氧固化剂的合成

再向第(二)步制备的油脂/松香基聚酰胺的加成物中，缓慢滴加1.4摩尔的甲醛后，缓慢加热升温至90℃搅拌反应至胺值＜180mg/g，然后加入适量的去离子水，既得油脂/松香基聚酰胺水性环氧固化剂。

本实施例制备的油脂/松香基聚酰胺，其红外图谱如附图所示：附图1中在1647.8cm^-1出现了酰胺键的特征吸收锋，表明油脂/松香基二元酸与二乙烯三胺发生了酰胺化反应，生成油脂/松香基聚酰胺环氧树脂固化剂。附图2中环氧基的基团特征吸收峰(915cm^-1处)消失，3300～3400cm^-1附近有羟基吸收峰出现，表明油脂/松香基聚酰胺与扩链剂中的环氧三元环醚发生了开环加成反应。伯胺的N-H键的不对称和对称伸缩振动峰(分别在3400cm^-1和3500cm^-1处)消失，表明油脂/松香基聚酰胺加成物中的伯胺与封端剂甲醛发生了羟甲基化反应，降低了固化剂对空气中CO₂的敏感性，达到了封端的目的。

实施例2

(一)油脂/松香基聚酰胺的制备

在装有加热套、搅拌装置、温度计、回流冷凝管和蒸馏装置的1000ml三口烧瓶中，加入1摩尔油脂/松香基二元酸和2.2摩尔三乙烯四胺，加热升温至150℃，回流反应1小时后，再加热升温至210℃反应4小时，真空蒸馏除去水分和游离胺，即得油脂/松香基聚酰胺。

(二)油脂/松香基聚酰胺加成物的制备

向第(一)步制备的油脂/松香基聚酰胺中，加入0.4摩尔的扩链剂E-51丙二醇甲醚溶液，缓慢加热升温至60℃搅拌反应至胺值＜250mg/g，即得油脂/松香基聚酰胺的加成物。

(三)油脂/松香基聚酰胺水性环氧固化剂的合成

再向第(二)步制备的油脂/松香基聚酰胺的加成物中，缓慢滴加1.4摩尔的封端剂甲醛后，缓慢加热升温至90℃搅拌反应至胺值＜180mg/g，然后加入适量的去离子水，即得油脂/松香基聚酰胺水性环氧固化剂。

实施例3

(一)油脂/松香基聚酰胺的制备

在装有加热套、搅拌装置、温度计、回流冷凝管和蒸馏装置的1000ml三口烧瓶中，加入1摩尔油脂/松香基二元酸和2.2摩尔四乙烯五胺，加热升温至150℃，回流反应1小时后，再加热升温至210℃反应4小时，真空蒸馏除去水分和游离胺，即得油脂/松香基聚酰胺。

(二)油脂/松香基聚酰胺加成物的制备

向第(一)步制备的油脂/松香基聚酰胺中，加入0.5摩尔的扩链剂E-51丙二醇甲醚溶液，缓慢加热升温至60℃搅拌反应至胺值＜250mg/g，即得油脂/松香基聚酰胺的加成物。

(三)油脂/松香基聚酰胺水性环氧固化剂的合成

再向第(二)步制备的油脂/松香基聚酰胺的加成物中，缓慢滴加1.3摩尔的封端剂丙稀腈后，缓慢加热升温至70℃搅拌反应至胺值＜180mg/g，然后加入适量的去离子水，即得油脂/松香基聚酰胺水性环氧固化剂。

实施例4

(一)油脂/松香基聚酰胺的制备

在装有加热套、搅拌装置、温度计、回流冷凝管和蒸馏装置的1000ml三口烧瓶中，加入1摩尔油脂/松香基二元酸和2.2摩尔三乙烯四胺，加热升温至150℃，回流反应1小时后，再加热升温至210℃反应4小时，真空蒸馏除去水分和游离胺，即得油脂/松香基聚酰胺。

(二)油脂/松香基聚酰胺加成物的制备

向第(一)步制备的油脂/松香基聚酰胺中，加入0.8摩尔的扩链剂卞基缩水甘油醚，缓慢加热升温至70℃搅拌反应至胺值＜250mg/g，即得油脂/松香基聚酰胺的加成物。

(三)油脂/松香基聚酰胺水性环氧固化剂的合成

再向第(二)步制备的油脂/松香基聚酰胺的加成物中，缓慢滴加1.4摩尔的封端剂甲醛后，再缓慢加热升温至90℃搅拌反应至胺值＜180mg/g，然后加入适量的去离子水，即得油脂/松香基聚酰胺水性环氧固化剂。

实施例5

将实施例2所得油脂/松香基聚酰胺水性环氧固化剂与水性环氧树脂按环氧/胺氢比为1/1配成双组分水性环氧涂料。

实施例6

将实施例3所得油脂/松香基聚酰胺水性环氧固化剂与水性环氧树脂按环氧/胺氢比为1/1配成双组分水性环氧涂料。

实施例7

将实施例4所得油脂/松香基聚酰胺水性环氧固化剂与水性环氧树脂按环氧/胺氢比为1/1配成双组分水性环氧涂料。

比较例1

将市售某水性环氧固化剂与水性环氧树脂按环氧/胺氢比为1/1配成双组分水性环氧涂料。

上述实施例油脂/松香基聚酰胺水性环氧固化剂按Q/3201LHS08-2010测定其胺值。

上述实施例油脂/松香基聚酰胺水性环氧固化剂固化产物按国标GB/T 1743-1989测定漆膜表面光泽60°/％，按国标GB/T 1731-1993测定漆膜柔韧性，按照国标GB/T 1720-1989测定漆膜附着力，按照国标GB/T 1732-1993测定漆膜耐冲击强度，按照国标GB/T 6739-1996测定涂膜铅笔硬度，按照国标GB/T 1734-1993测定涂膜耐汽油性。

表1：实施例和比较例性能比较

由表1可以看出和市售某水性环氧固化剂相比，本发明所制备的油脂/松香基聚酰胺水性环氧固化剂与水性环氧树脂的固化时，使适用期适当延长，漆膜表面具有较高的光泽和更好的耐汽油性。

实施例8

(一)油脂/松香基聚酰胺环氧树脂固化剂的制备

在装有加热套、搅拌装置、温度计、回流冷凝管和蒸馏装置的1000ml三口烧瓶中，加入1摩尔油脂/松香基二元酸和2.2摩尔四乙烯五胺，加热升温至150℃，回流反应1小时后，再加热升温至210℃反应4小时，真空蒸馏除去水分和游离胺，即得油脂/松香基聚酰胺环氧树脂固化剂。

(二)油脂/松香基聚酰胺加成物的制备

向第(一)步制备的油脂/松香基聚酰胺环氧树脂固化剂中，加入0.5摩尔的扩链剂E-44苯甲醇溶液，缓慢加热升温至60℃搅拌反应至胺值＜250mg/g，即得油脂/松香基聚酰胺的加成物。

(三)油脂/松香基聚酰胺水性环氧固化剂的合成

再向第(二)步制备的油脂/松香基聚酰胺的加成物中，缓慢滴加1.4摩尔的封端剂甲醛后，再缓慢加热升温至90℃搅拌反应至胺值＜180mg/g，然后加入适量的去离子水，即得油脂/松香基聚酰胺水性环氧固化剂。

实施例9

(一)油脂/松香基聚酰胺环氧树脂固化剂的制备

在装有加热套、搅拌装置、温度计、回流冷凝管和蒸馏装置的1000ml三口烧瓶中，加入1摩尔油脂/松香基二元酸和2.2摩尔间二甲苯二胺，加热升温至160℃，回流反应1小时后，再加热升温至220℃反应4小时，真空蒸馏除去水分和游离胺，即得油脂/松香基聚酰胺环氧树脂固化剂。

(二)油脂/松香基聚酰胺加成物的制备

向第(一)步制备的油脂/松香基聚酰胺环氧树脂固化剂中，加入0.8摩尔的扩链剂丁基缩水甘油醚，缓慢加热升温至70℃搅拌反应至胺值＜250mg/g，即得油脂/松香基聚酰胺的加成物。

(三)油脂/松香基聚酰胺水性环氧固化剂的合成

再向第(二)步制备的油脂/松香基聚酰胺的加成物中，缓慢滴加1.2摩尔的封端剂冰乙酸后，再缓慢加热升温至60℃搅拌反应至胺值＜180mg/g，然后加入适量的去离子水，即得油脂/松香基聚酰胺水性环氧固化剂。

实施例10

(一)油脂/松香基聚酰胺的制备

在装有加热套、搅拌装置、温度计、回流冷凝管和蒸馏装置的1000ml三口烧瓶中，加入1摩尔油脂/松香基二元酸和2.2摩尔间二甲苯二胺，加热升温至160℃，回流反应1小时后，再加热升温至220℃反应4小时，真空蒸馏除去水分和游离胺，即得油脂/松香基聚酰胺。

(二)油脂/松香基聚酰胺加成物的制备

向第(一)步制备的油脂/松香基聚酰胺中，加入0.4摩尔的扩链剂聚丙二醇二缩水甘油醚，缓慢加热升温至70℃搅拌反应至胺值＜250mg/g，即得油脂/松香基聚酰胺的加成物。

(三)油脂/松香基聚酰胺水性环氧固化剂的合成

再向第(二)步制备的油脂/松香基聚酰胺的加成物中，缓慢滴加1.2摩尔的封端剂丙稀酸乙酯后，再缓慢加热升温至80℃搅拌反应至胺值＜180mg/g，然后加入适量的去离子水，即得油脂/松香基聚酰胺水性环氧固化剂。

实施例11

(一)油脂/松香基聚酰胺的制备

在装有加热套、搅拌装置、温度计、回流冷凝管和蒸馏装置的1000ml三口烧瓶中，加入1摩尔油脂/松香基二元酸和2.2摩尔异佛尔酮二胺，加热升温至160℃，回流反应1小时后，再加热升温至220℃反应4小时，真空蒸馏除去水分和游离胺，即得油脂/松香基聚酰胺。

(二)油脂/松香基聚酰胺加成物的制备

向第(一)步制备的油脂/松香基聚酰胺中，加入0.4摩尔的扩链剂聚丙二醇二缩水甘油醚，缓慢加热升温至70℃搅拌反应至胺值＜250mg/g，即得油脂/松香基聚酰胺的加成物。

(三)油脂/松香基聚酰胺水性环氧固化剂的合成

再向第(二)步制备的油脂/松香基聚酰胺的加成物中，，缓慢滴加1.2摩尔的封端剂冰乙酸后，再缓慢加热升温至60℃搅拌反应至胺值＜180mg/g，然后加入适量的去离子水，即得油脂/松香基聚酰胺水性环氧固化剂。

实施例12

(一)油脂/松香基聚酰胺的制备

在装有加热套、搅拌装置、温度计、回流冷凝管和蒸馏装置的1000ml三口烧瓶中，加入1摩尔油脂/松香基二元酸和2.2摩尔异佛尔酮二胺，加热升温至160℃，回流反应1小时后，再加热升温至220℃反应4小时，真空蒸馏除去水分和游离胺，即得油脂/松香基聚酰胺。

(二)油脂/松香基聚酰胺加成物的制备

向第(一)步制备的油脂/松香基聚酰胺中，加入0.4摩尔的扩链剂丁基缩水甘油醚，缓慢加热升温至70℃搅拌反应至胺值＜250mg/g，即得油脂/松香基聚酰胺的加成物。

(三)油脂/松香基聚酰胺水性环氧固化剂的合成

再向第(二)步制备的油脂/松香基聚酰胺的加成物中，缓慢滴加1.2摩尔的封端剂冰乙酸后，再缓慢加热升温至60℃搅拌反应至胺值＜180mg/g，然后加入适量的去离子水，即得油脂/松香基聚酰胺水性环氧固化剂。

实施例13

(一)油脂/松香基聚酰胺的制备

在装有加热套、搅拌装置、温度计、回流冷凝管和蒸馏装置的1000ml三口烧瓶中，加入1摩尔油脂/松香基二元酸和2.2摩尔二乙烯三胺，加热升温至150℃，回流反应1小时后，再加热升温至210℃反应4小时，真空蒸馏除去水分和游离胺，即得油脂/松香基聚酰胺。

(二)油脂/松香基聚酰胺加成物的制备

向第(一)步制备的油脂/松香基聚酰胺中，加入0.4摩尔的扩链剂E-51的乙二醇甲醚溶液后，缓慢加热升温至60℃搅拌反应至胺值＜250mg/g，即得油脂/松香基聚酰胺的加成物。

(三)油脂/松香基聚酰胺水性环氧固化剂的合成

再向第(二)步制备的油脂/松香基聚酰胺的加成物中，缓慢滴加1.2摩尔的封端剂冰乙酸后，再缓慢加热升温至60℃搅拌反应至胺值＜180mg/g，然后加入适量的去离子水，即得油脂/松香基聚酰胺水性环氧固化剂。

实施例14

(一)油脂/松香基聚酰胺的制备

在装有加热套、搅拌装置、温度计、回流冷凝管和蒸馏装置的1000ml三口烧瓶中，加入1摩尔油脂/松香基二元酸和2.2摩尔三乙烯四胺，加热升温至150℃，回流反应1小时后，再加热升温至210℃反应4小时，真空蒸馏除去水分和游离胺，即得油脂/松香基聚酰胺。

(二)油脂/松香基聚酰胺加成物的制备

向第(一)步制备的油脂/松香基聚酰胺环氧树脂固化剂中，加入0.6摩尔的扩链剂E-44的乙二醇甲醚溶液后，缓慢加热升温至60℃搅拌反应至胺值＜250mg/g，即得油脂/松香基聚酰胺的加成物。

(三)油脂/松香基聚酰胺水性环氧固化剂的合成

再向第(二)步制备的油脂/松香基聚酰胺的加成物中，缓慢滴加1.2摩尔的封端剂冰乙酸后，再缓慢加热升温至60℃搅拌反应至胺值＜180mg/g，然后加入适量的去离子水，即得油脂/松香基聚酰胺水性环氧固化剂。