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CN116554477A - Poss改性聚合物及其制备方法、包含其的超亲水涂料 - Google Patents

Poss改性聚合物及其制备方法、包含其的超亲水涂料 Download PDF

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CN116554477A CN202310044231.1A CN202310044231A CN116554477A CN 116554477 A CN116554477 A CN 116554477A CN 202310044231 A CN202310044231 A CN 202310044231A CN 116554477 A CN116554477 A CN 116554477A
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Abstract

本申请涉及高分子材料技术领域，特别涉及一种POSS改性聚合物及其制备方法、包含其的超亲水涂料。本申请提供的POSS改性聚合物的制备方法包括以下步骤：将巯基丙酸与八环氧环己基乙基笼状聚倍半硅氧烷混合，加入第一催化剂进行加热反应，得到中间体；向中间体中加入乙氧化三羟甲基丙烷三丙烯酸酯和第二催化剂在室温下进行点击反应，即得到POSS改性聚合物。本申请提供的POSS改性聚合物制备过程简单，涂装方便，其结构中含有醚键、酯键、环氧基等多种官能团，增强了对ABS基材的附着力，附着力测试等级为0级。

Description

POSS改性聚合物及其制备方法、包含其的超亲水涂料
技术领域
本申请涉及高分子材料技术领域，特别涉及一种POSS改性聚合物及其制备方法、包含其的超亲水涂料。
背景技术
ABS材料是丙烯腈、1，3-丁二烯、苯乙烯三种单体的接枝共聚物，具有原料易得、综合性能良好、价格便宜、用途广泛的优点，在机械、电气、纺织、汽车、飞机、轮船等制造工业及化工中应用广泛。为了增强ABS基材表面装饰，通常会在其表面涂覆涂料，超亲水涂层表面光滑润泽，将超亲水涂层涂覆在ABS基材上，能够实现防雾，提高基材性能。
现有超亲水涂层的原料大部分为亲水材料，而ABS基材疏水组分多、极性低，二者相容性差，导致涂层附着力低，从而使涂层容易脱落，耐候性差。专利CN105176371B公开了一种紫外光固化涂料及制备方法和超亲水透明防雾涂层及制备方法，具体公开了利用表面接枝有烯键和磺酸基的改性硅溶胶、UV树脂低聚物、活性稀释剂、表面活性剂和光引发剂等成分制备得到紫外光固化涂料，该涂料制得的涂层具有长效超亲水性能和优良的防雾性能，但是该方法的原料为纳米二氧化硅，无机纳米粒子制备过程复杂，涂装工艺难度大，导致应用环境有限。
基于以上分析，提供一种制备简便、能够增强超亲水涂层在ABS基材上的附着力的有机化合物十分重要。
发明内容
本申请实施例提供一种POSS改性聚合物，以解决相关技术中ABS基材与超亲水涂层相容性差的问题。
第一方面，本申请提供了一种POSS改性聚合物的制备方法，包括以下步骤：
将巯基丙酸与八环氧环己基乙基笼状聚倍半硅氧烷混合，加入第一催化剂进行加热反应，得到中间体；
向中间体中加入乙氧化三羟甲基丙烷三丙烯酸酯和第二催化剂在室温下进行点击反应，即得到POSS改性聚合物。
一些实施例中，所述第一催化剂选用三乙胺。
一些实施例中，加热反应的温度为95～110℃，反应时间为3～6h。
一些实施例中，八环氧环己基乙基笼状聚倍半硅氧烷与巯基丙酸的摩尔比为1：2～1：8。
一些实施例中，所述第二催化剂选用碳酸钠。
一些实施例中，乙氧化三羟甲基丙烷三丙烯酸酯与中间体的摩尔比为1：1～1：3。
第二方面，本申请提供了一种利用上述制备方法制得的POSS改性聚合物，该POSS改性聚合物的骨架为Poss改性过的乙氧化丙烯酸酯单体，分子链段中包含3～20个聚乙二醇单元，其结构式如式(Ⅰ)所示：
式(Ⅰ)中，m+n+l＝3～20。POSS改性聚合物中，环氧基团提供附着作用，poss基团提供硬度，SH基团提供固化。
第三方面，本申请提供了一种超亲水涂料，按质量份计，包括以下原料：POSS改性聚合物30～48份，表面活性剂3～8份，光固化单体20～45份，光固化两性离子单体10～20份，活性稀释剂单体3～10份，流平剂1～3份，光引发剂3～6份。
一些实施例中，所述超亲水涂料包括以下质量份的原料：POSS改性聚合物33～48份，表面活性剂3～5份，光固化单体25～45份，光固化两性离子单体10～15份，活性稀释剂单体5～10份，流平剂1～2份，光引发剂3～5份。
一些实施例中，所述超亲水涂料的原料还包括溶剂，溶剂的使用量为其它组分总重量的1～3倍。
一些实施例中，所述溶剂选用乙酸乙酯、乙酸丁酯、乙醇、异丙醇中的一种或多种的混合。
一些实施例中，所述表面活性剂选用非离子氟表面活性剂。
一些实施例中，所述光固化单体选用乙氧化双酚A二丙烯酸酯、乙二醇二甲基丙烯酸酯中的一种或两种的混合。
一些实施例中，所述光固化两性离子单体选用2-丙烯酰胺-2-甲基丙磺酸(AMPS)、烯丙氧基壬基酚丙醇聚氧乙烯醚硫酸铵(DNS-86)中的一种或两种的混合。
一些实施例中，所述活性稀释剂单体选用丙烯酸、衣康酸、丙烯酸羟乙酯(HEA)中的一种或多种的混合。
一些实施例中，所述流平剂选用丙烯酸酯类流平剂，分子量在6000-20000之间。流平剂能有效降低涂料表面张力，提高其流平性和均匀性，能促使涂料在干燥成膜过程中形成一个平整、光滑、均匀的涂膜。
一些实施例中，所述光引发剂选用2-羟基-2-甲基-1-苯基丙酮(1173)、1-羟基环己基苯基甲酮(184)、2,4,6-三甲基苯甲酰基-二苯基氧化膦(TPO)中的一种或多种的混合。光引发剂能在紫外光区(250～420nm)吸收一定波长的能量，产生自由基、阳离子等，从而引发单体聚合交联固化。
第四方面，本申请还提供了一种用于ABS基材的超亲水涂层的制备方法，具体为：将上述超亲水涂料涂覆在ABS基材上，60-80℃预烘2-3min，紫外LED灯光固化30-60s，能量为500-1000mJ/cm2。
一些实施例中，超亲水涂料的涂覆方式为喷涂、淋涂、滴涂、刮涂或滚涂中的一种。
利用本申请的超亲水涂料获得的超亲水涂层的性能数据为：(1)通过水接触角测试仪测试超亲水涂层的水接触角为5-9°；(2)通过水浴锅熏蒸测试检测涂层防雾性能，涂覆本申请超亲水涂层的ABS基材放置在60℃水浴锅水面上方10cm持续熏蒸15min无起雾现象；(3)根据GB/T9780-2005测试超亲水涂层自然暴晒6个月的沾污率测试结果，与未涂覆超亲水涂层的ABS基材相比，耐沾污性改善比率达到50-70％；(4)将涂覆有超亲水涂层的ABS基材放置在水中浸泡48～78h后进行防雾测试，防雾性能未衰减；(5)对超亲水涂层进行耐酸腐蚀测试，次氯酸溶液浸泡100-600小时，老化前后涂层无明显脱落、剥离、起皱现象，接触角也未有明显变化；(6)对超亲水涂层进行环境测试，将样品放置于露天环境1～2月，老化前后涂层无明显脱落、剥离、起皱现象，水接触角也未有明显变化；(7)对超亲水涂层进行硬度测试，铅笔硬度为1H-3H。
现有通过向树脂中添加交联剂或疏水组分的方式虽然会提高涂层的耐水性，但是交联剂或疏水组分的加入会影响涂层的亲水性，亲水性与耐水性相矛盾，本申请利用POSS改性聚合物实现提高涂层附着力、耐水泡时间、耐腐蚀性能和硬度。本申请提供的POSS改性聚合物具有优异的附着力，具体表现为：(1)POSS改性聚合物表面张力低，润湿性好，对ABS基材有较强的渗透溶胀能力，固化交联后可在基材与涂层之间形成一层很薄的互穿网络结构，从而增强附着力；(2)POSS改性聚合物官能度为2～8，官能度低，交联密度低，体积收缩小，附着力较好；(3)POSS改性聚合物同时含有醚基和酯基，促进涂料在基材表面的附着。
本申请提供的POSS改性聚合物能够延长涂层的防雾耐久时间和耐水浸泡时间：水蒸气冷凝形成的水滴在涂层表面的突起间扩散，在涂层表面形成一层水膜，具有疏水性的POSS调节水在涂层中的扩散，突起表面的POSS能促使水向涂层内部及周围扩散，突起内部的POSS阻止水向涂层内部扩散，水仅能向周围扩散至突起间隙，促进水膜的形成，水膜形成后，后续冷凝的水滴在涂层表面迅速铺展，从而延长防雾耐久时间和耐水浸泡的时间。
按照GB/T 9286-1998进行POSS改性聚合物的附着力测试，0级代表最好，5级代表最差，具体方法为将POSS改性聚合物与光引发剂TPO以质量比25：1混合，UV灯下固化30s，测试附着力，结果均为0级。
本申请提供的技术方案带来的有益效果包括：
1、本申请提供的POSS改性聚合物制备过程简单，涂装方便，其结构中含有醚键、酯键、环氧基等多种官能团，增强了对ABS基材的附着力，附着力测试等级为0级；
2、本申请提供的超亲水涂料为全亲水体系，原料中光固化单体、POSS改性聚合物与光固化两性离子单体形成交联的互穿网络，有效提高了涂层的硬度、机械强度，可锁住表面活性剂；
3、利用本申请提供的超亲水涂料制备的超亲水涂层光固化速度快，效率高，能耗小；利用POSS与环氧乙烷(EO)的亲水性，使水在亲水粗糙表面会发生hemi-wicking现象从而水在该亲水粗糙表面扩散，表观接触角进一步降低，直至形成水膜，超亲水涂层水接触角为5～9°，防雾持久性好，可长时间耐水浸泡不脱落，稳定性强。
附图说明
为了更清楚地说明本申请实施例中的技术方案，下面将对实施例描述中所需要使用的附图作简单地介绍，显而易见地，下面描述中的附图仅仅是本申请的一些实施例，对于本领域普通技术人员来讲，在不付出创造性劳动的前提下，还可以根据这些附图获得其他的附图。
图1为本申请实施例1制得的POSS改性聚合物的透射电子显微镜图。
具体实施方式
为使本申请实施例的目的、技术方案和优点更加清楚，下面将结合本申请实施例中的附图，对本申请实施例中的技术方案进行清楚、完整地描述，显然，所描述的实施例是本申请的一部分实施例，而不是全部的实施例。基于本申请中的实施例，本领域普通技术人员在没有做出创造性劳动的前提下所获得的所有其他实施例，都属于本申请保护的范围。
本申请实施例提供了一种POSS改性聚合物，其能解决相关技术中ABS基材与超亲水涂层相容性差的问题。
本申请实施例提供了一种POSS改性聚合物的制备方法，包括以下步骤：
步骤S101，将巯基丙酸与八环氧环己基乙基笼状聚倍半硅氧烷混合，加入三乙胺在95～110℃的条件下反应3～6h，得到中间体；八环氧环己基乙基笼状聚倍半硅氧烷与巯基丙酸的摩尔比为1：2～1：8；
步骤S102，向中间体中加入乙氧化三羟甲基丙烷三丙烯酸酯和碳酸钠在室温下进行点击反应，即得到POSS改性聚合物；乙氧化三羟甲基丙烷三丙烯酸酯与中间体的摩尔比为1：1～1：3。
上述制得的POSS改性聚合物的结构式如式(Ⅰ)所示：
式(Ⅰ)中，m+n+l＝3～20。
下面结合实施例对本申请提供的POSS改性聚合物及其制备方法、包含其的超亲水涂料进行详细说明。
以下实施例中，制备超亲水涂料过程使用的溶剂为乙酸乙酯、异丙醇、乙醇按照体积比4：3：3混合构成的溶液，溶剂的加入量为其他组分总重量的0.3-3倍。
实施例1：
(1)制备POSS改性聚合物：在150ml反应瓶中投入1mol八环氧环己基乙基笼状聚倍半硅氧烷与2mol巯基丙酸，加入0.05mol三乙胺，100℃下反应3h后，得到中间体，向1mol中间体中滴加0.4mol乙氧化三羟甲基丙烷三丙烯酸酯，加入碳酸钠，室温下反应1h，得到POSS改性聚合物；
(2)制备超亲水涂料：按质量份计，称取FS3100 3份，乙二醇二甲基丙烯酸酯45份，制得的POSS改性聚合物33份，AMPS 10份，丙烯酸5份，加入溶剂混合搅拌0.5～1h，再加入光引发剂184 3份和丙烯酸酯类流平剂1份，混合0.5h，得到超亲水涂料；
(3)制备超亲水涂层：将超亲水涂料喷涂在ABS板材上，60-80℃预烘2-3min，紫外LED灯光固化30-60s，能量为500-1000mJ/cm2，获得超亲水涂层。
实施例1制得的POSS改性聚合物的透射电子显微镜图见图1。从图中可以看出POSS改性聚合物形貌为规则球形，粒径在700-800nm之间。
实施例2：
(1)制备POSS改性聚合物：在150ml反应瓶中投入1mol八环氧环己基乙基笼状聚倍半硅氧烷与4mol巯基丙酸，加入0.05mol三乙胺，100℃下反应4h后，得到中间体，向0.48mol中间体中滴加0.4mol乙氧化三羟甲基丙烷三丙烯酸酯，并加入碳酸钠，室温下反应1h，得到POSS改性聚合物；
(2)制备超亲水涂料：按质量份计，称取FS30 3份，乙二醇二甲基丙烯酸酯30份，制得的POSS改性聚合物48份，AMPS 10份，丙烯酸5份，加入溶剂混合搅拌0.5～1h，再加入光引发剂184 3份和丙烯酸酯类流平剂1份，混合0.5h，得到超亲水涂料；
(3)制备超亲水涂层：将超亲水涂料刮涂在ABS板材上，60-80℃预烘2-3min，紫外LED灯光固化30-60s，能量为500-1000mJ/cm2，获得超亲水涂层。
实施例3：
(1)制备POSS改性聚合物：在150ml反应瓶中投入1mol八环氧环己基乙基笼状聚倍半硅氧烷与6mol巯基丙酸，加入0.05mol三乙胺，100℃下反应5h后，得到中间体，向0.6mol中间体中滴加0.4mol乙氧化三羟甲基丙烷三丙烯酸酯，并加入碳酸钠，室温下反应1h，即得到POSS改性聚合物；
(2)制备超亲水涂料：按质量份计，称取FS31 4份，乙氧化双酚A二丙烯酸酯25份，制得的POSS改性聚合物45份，AMPS 13份，衣康酸8份，加入溶剂混合搅拌0.5～1h，再加入光引发剂1173 4份和丙烯酸酯类流平剂1份，混合0.5h，得到超亲水涂料；
(3)制备超亲水涂层：将超亲水涂料滴涂在ABS板材上，60-80℃预烘2-3min，紫外LED灯光固化30-60s，能量为500-1000mJ/cm2，获得超亲水涂层。
实施例4：
(1)制备POSS改性聚合物：在150ml反应瓶中投入1mol八环氧环己基乙基笼状聚倍半硅氧烷与8mol巯基丙酸，加入0.05mol三乙胺，110℃下反应5h后，得到中间体，向0.72mol中间体中滴加0.4mol乙氧化三羟甲基丙烷三丙烯酸酯，并加入碳酸钠，室温下反应1h，即得到POSS改性聚合物；
(2)制备超亲水涂料：按质量份计，称取FS34 4份，乙氧化双酚A二丙烯酸酯25份，制得的POSS改性聚合物44份，DNS 86 13份，衣康酸8份，加入溶剂混合搅拌0.5～1h，再加入光引发剂1173 4份和丙烯酸酯类流平剂2份，混合0.5h，得到超亲水涂料；
(3)制备超亲水涂层：将超亲水涂料喷涂在ABS板材上，60-80℃预烘2-3min，紫外LED灯光固化30-60s，能量为500-1000mJ/cm2，获得超亲水涂层。
实施例5：
(1)制备POSS改性聚合物：在150ml反应瓶中投入1mol八环氧环己基乙基笼状聚倍半硅氧烷与6mol巯基丙酸，加入0.05mol三乙胺，100℃下反应5h后，得到中间体，向0.8mol中间体中滴加0.4mol乙氧化三羟甲基丙烷三丙烯酸酯，并加入碳酸钠，室温下反应1h，即得到POSS改性聚合物；
(2)制备超亲水涂料：按质量份计，称取FS1700 5份，乙氧化双酚A二丙烯酸酯30份，制得的POSS改性聚合物33份，DNS 86 15份，HEA 10份，加入溶剂混合搅拌0.5～1h，再加入光引发剂TPO 5份和丙烯酸酯类流平剂2份，混合0.5h，得到超亲水涂料；
(3)制备超亲水涂层：将超亲水涂料滚涂在ABS板材上，60-80℃预烘2-3min，紫外LED灯光固化30-60s，能量为500-1000mJ/cm2，获得超亲水涂层。
实施例6：
(1)制备POSS改性聚合物：在150ml反应瓶中投入1mol八环氧环己基乙基笼状聚倍半硅氧烷与2mol巯基丙酸，加入0.05mol三乙胺，105℃下反应3h后，得到中间体，向0.88mol中间体中滴加0.4mol乙氧化三羟甲基丙烷三丙烯酸酯，加入碳酸钠，室温下反应1h，得到POSS改性聚合物；
(2)制备超亲水涂料：按质量份计，称取FS3100 5份，乙氧化双酚A二丙烯酸酯25份，制得的POSS改性聚合物38份，DNS 86 15份，HEA 10份，加入溶剂混合搅拌0.5～1h，再加入光引发剂TPO 5份和丙烯酸酯类流平剂2份，混合0.5h，得到超亲水涂料；
(3)制备超亲水涂层：将超亲水涂料喷涂在ABS板材上，60-80℃预烘2-3min，紫外LED灯光固化30-60s，能量为500-1000mJ/cm2，获得超亲水涂层。
实施例6的超亲水涂层的水接触角图如图1所示。
上述实施例1-实施例6中各原料的质量份见表1。
表1：实施例1-实施例6中各原料的质量份
对实施例1-实施例6获得的超亲水涂层进行性能测试，结果见表2。
表2：超亲水涂层的性能测试结果
从表1的数据可以看出，利用本申请的超亲水涂料获得的超亲水涂层的水接触角为5～9°，表现出优异的防雾性能和耐腐蚀性能，耐水浸泡时间长。
在本说明书的描述中，参考术语“一个实施例/方式”、“一些实施例/方式”、“示例”、“具体示例”或“一些示例”等的描述意指结合该实施例/方式或示例描述的具体特征、结构、材料或者特点包含于本申请的至少一个实施例/方式或示例中。在本说明书中，对上述术语的示意性表述不必须针对的是相同的实施例/方式或示例。而且，描述的具体特征、结构、材料或者特点可以在任一个或多个实施例/方式或示例中以合适的方式结合。此外，在不相互矛盾的情况下，本领域的技术人员可以将本说明书中描述的不同实施例/方式或示例以及不同实施例/方式或示例的特征进行结合和组合。
需要说明的是，在本申请中，诸如“第一”和“第二”等之类的关系术语仅仅用来将一个实体或者操作与另一个实体或操作区分开来，而不一定要求或者暗示这些实体或操作之间存在任何这种实际的关系或者顺序。而且，术语“包括”、“包含”或者其任何其他变体意在涵盖非排他性的包含，从而使得包括一系列要素的过程、方法、物品或者设备不仅包括那些要素，而且还包括没有明确列出的其他要素，或者是还包括为这种过程、方法、物品或者设备所固有的要素。在没有更多限制的情况下，由语句“包括一个……”限定的要素，并不排除在包括所述要素的过程、方法、物品或者设备中还存在另外的相同要素。在本申请中，“多个”的含义是至少两个，例如两个、三个等，除非另有明确具体的规定。
以上所述仅是本申请的具体实施方式，使本领域技术人员能够理解或实现本申请。对这些实施例的多种修改对本领域的技术人员来说将是显而易见的，本文中所定义的一般原理可以在不脱离本申请的精神或范围的情况下，在其它实施例中实现。因此，本申请将不会被限制于本文所示的这些实施例，而是要符合与本文所申请的原理和新颖特点相一致的最宽的范围。

Claims (10)

1.一种POSS改性聚合物的制备方法，其特征在于，包括以下步骤：
将巯基丙酸与八环氧环己基乙基笼状聚倍半硅氧烷混合，加入第一催化剂进行加热反应，得到中间体；
向中间体中加入乙氧化三羟甲基丙烷三丙烯酸酯和第二催化剂在室温下进行点击反应，即得到POSS改性聚合物。
2.根据权利要求1所述的POSS改性聚合物的制备方法，其特征在于，八环氧环己基乙基笼状聚倍半硅氧烷与巯基丙酸的摩尔比为1：2～1：8。
3.根据权利要求1所述的POSS改性聚合物的制备方法，其特征在于，乙氧化三羟甲基丙烷三丙烯酸酯与中间体的摩尔比为1：1～1：3。
4.根据权利要求1所述的POSS改性聚合物的制备方法，其特征在于，所述第一催化剂选用三乙胺，所述第二催化剂选用碳酸钠。
5.根据权利要求1-4任一项所述制备方法制得的POSS改性聚合物，其特征在于，所述POSS改性聚合物的结构式如式(Ⅰ)所示：
式(Ⅰ)：
式(Ⅰ)中，m+n+l＝3～20。
6.一种超亲水涂料，其特征在于，包括以下质量份的原料：POSS改性聚合物33～48份，表面活性剂3～5份，光固化单体25～45份，光固化两性离子单体10～15份，活性稀释剂单体5～10份，流平剂1～2份，光引发剂3～5份；所述POSS改性聚合物由权利要求1-4任一项制备方法制得。
7.根据权利要求6所述的超亲水涂料，其特征在于，所述表面活性剂选用非离子氟表面活性剂；所述流平剂选用丙烯酸酯类流平剂。
8.根据权利要求6所述的超亲水涂料，其特征在于，所述光固化单体选用乙氧化双酚A二丙烯酸酯、乙二醇二甲基丙烯酸酯中的一种或两种的混合。
9.根据权利要求6所述的超亲水涂料，其特征在于，所述光固化两性离子单体选用2-丙烯酰胺-2-甲基丙磺酸、烯丙氧基壬基酚丙醇聚氧乙烯醚硫酸铵中的一种或两种的混合。
10.根据权利要求6所述的超亲水涂料，其特征在于，所述活性稀释剂单体选用丙烯酸、衣康酸、丙烯酸羟乙酯中的一种或多种的混合；所述光引发剂选用2-羟基-2-甲基-1-苯基丙酮、1-羟基环己基苯基甲酮、2,4,6-三甲基苯甲酰基-二苯基氧化膦中的一种或多种的混合。
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