塗料配方的製作方法

2023-05-13 12:40:31

專利名稱：：塗料配方的製作方法
技術領域：
：本發明涉及用於保護木材不受生物材料破壞的塗料和處理配方。本發明還涉及一種製備塗料和處理配方的方法。
背景技術：
：眾所周知，市場上存在多種用於木材支架(woodysu卯ort)外塗的塗料。特別是近年來，為了減少揮發性有機物質散發到環境中，已開發了一系列水基產品。這批用在木材上的水基塗料由外塗透明塗料組成。眾所周知，由於大氣因素例如太陽輻射，特別是太陽輻射中的紫外線；熱；環境溫度；液體溼氣(雨水)或氣體溼氣(大氣溼氣)，因此木材支架和塗料發生降解現象。此外，暴露於陽光的木材支架也發生降解過程。實際上，由於木質素降解導致暴露的表面呈現灰色，結果造成更高的木材多孔性、結構穩固性損失以及更多的環境溼氣吸收。這種降解包含尺寸變化現象的增加，其可作為表面裂紋而被觀察到。裂紋或裂縫使得更易吸水，最終產生茶褐色並逐漸降解木材內部結構。相對溼度增加利於形成黴菌或真菌菌落。木材支架和塗料(比如透明塗料)降解涉及塗覆製品外觀腐爛。一旦塗層的防護作用不復存在，木材支架的降解速度就變得更快。該降解的實際結果是塗覆製品的外觀讓人不悅。此外，由於隨後木材表面爆裂，因此木材出現結構上的分解。接著由於真菌和黴菌，木材腐朽，從而導致用於建造(例如外窗)的材料損失尺寸穩定性。對於出眾的木材拋光工人而言，輻射固化是一種具吸引力的選擇。該技術不但確保符合揮發性有機物(V0Cs)和有害空氣汙染物(HAPS)環境政策，其還是用於產生優質塗層的最具成本效益的方法之一，會留給消費者以持久印象。利用各種保護性和裝飾性塗層例如油漆、透明著色劑和形成透明清漆的滲透性塗層或塗膜，可保護木製材料不受有害因素例如可見光、紫外線、氧氣、熱、溼氣和水、生物侵蝕以及空氣汙染物影響。使木材的自然特性(顏色和紋理)依然可見的透明方法很具吸引力，並且對其需求與日倶增。木材作為天然原材料廣泛地用於建築、家具工業以及鑲木細工的最終應用。其物理性質及其暖人外觀，使之在許多領域中有別於具競爭力的材料如混凝土、金屬和塑料。塗料(油漆、清漆和生漆)是大多數基於木基材料的產品的基本部分。消費者和產業工人對更多對環境友好的塗料的渴望急速增長。對於木質表面，配方中常規使用的丙烯酸酯僅產生低抗劃傷性。此外，丙烯酸酯被認為是一種眼睛和皮膚的強剌激劑。因此，產業上仍舊在尋找提供具有更好性能但在工作場所對環境友好的塗料組分的方法。目前，僅包含丙烯酸酯低聚物和單體的輻射塗料配方得到研究(Kumar等，2006;Bajpai等，2002)。但是，丙烯酸酯危險且有毒。因此，由於綠色工藝生產的需要，從己二酸酯研究新的輻射塗料配方的需求是非常重要的。本發明的目的是提供一種塗料配方，其中塗料包括具有最低汙染性的作為用於木材表面的塗料成分的蠟酯。本發明還提供了一種用於該新技術的綜合處理方法，其被設計成能確保正確選擇應用組分和塗層體系、以達到更高生產量、更短循環時間以及最高UV效率。用於木材表面上塗料的配方優選無溶劑配方，且由蠟酯(己二酸酯和棕櫚蠟酯)、環氧丙烯酸酯、表面活性劑、固化劑和光引發劑組成。一般而言，對於木材塗料，蠟酯是具吸引力的原材料，因為它們更安全、更健康且容易使用。在工業木材塗料中測試了蠟酯，其可產生並改善表面抗水性、減少油脂汙染、使木材的自然特性得以醒目、耐用且耐磨。由於己二酸酯的相對低成本以及優良的均衡性能，因此得到廣泛使用。簡單己二酸二烷基酯是通過讓己二酸或其二甲酯與一元醇反應製得的(Gryglewicz，2001)。用於製備脂肪酸酯的合適的脂肪酸是棕櫚油、棕櫚仁油、棕櫚油精和棕櫚硬脂。使用蠟酯具吸引力，因為它們是具有良好生物可降解性的無危險化合物。大多數今日之工業化酶促方法具有諸多正面特點，例如高生產率且不會產生不合需要的副產物。由於具有最少汙染且使用可再生資源，人們對於開發蠟狀物以用作木材表面塗料成分興趣濃厚。從植物材料中常規萃取蠟酯以及通過發酵直接生物合成蠟酯是有機酯合成的兩種方法。然而，這些方法處理成本高，所需酯產率低，因此，需要開發更好的方法並滿足環境友好工藝的需要。化學合成必然伴隨著諸如差的反應選擇性以及極端反應條件導致不合需要的副反應、低產率、汙染和高製造成本的問題。作為替代方案，使用脂肪酶催化這些合成反應最近已變成更有希望的方法(Rejassa，等，2003)。脂肪酶催化的反應由於溫和的反應條件、高催化效率以及用於產生更純產物的天然催化劑固有的選擇性，因此優於常規化學方法。近年來，酶促催化反應已被廣泛了解並能在適度的溫度和大氣壓力下產生高純產物(AbdulRahman等，2003)。
發明內容因此，本發明的目的涉及一種用於保護木材不受生物材料破壞的塗料配方。該配方包含a)蠟酯和/或，b)環氧丙烯酸酯和/或，c)表面活性劑和/或，d)固化劑和/或，e)光引發劑。該配方包含(i)60%-85%的環氧丙烯酸酯，(ii)7%-12%的蠟酯，(iii)8%-9%的固化劑，(iv)4%-5%的表面活性劑和(v)2%-3%的光引發劑。進一步地，在本發明中蠟酯包括己二酸酯或棕櫚蠟酯。此外，用於保護木材的塗料配方進一步包含a)塗料配方抗紫外線劑，(b)塗料配方抗老化劑，(c)著色劑，(d)裝飾劑，(e)促塗料或塗料配方支持物粘附劑，(f)疏水相互作用試劑；和(v)水。此外，本發明進一步涉及一種製備塗料配方的方法，其中該方法描述如下(a)將蠟酯與環氧丙烯酸酯混合以形成混合物，(b)添加表面活性劑[優選Brij、Span和Tween]到步驟(a)的混合物中，(c)添加固化劑到步驟(a)的混合物中，(d)攪拌步驟(c)的混合物至少30分鐘以獲得均勻混合物，(f)將步驟(d)的均勻混合物與光引發劑混合，(g)由步驟(a)-(f)獲得塗料或處理配方。用於本發明的己二酸酯包括己二酸二油基酯或己二酸二月桂基酯，以及棕櫚蠟酯包括棕櫚油酯、棕櫚仁酯、棕櫚油精酯。此外，蠟酯是通過酶促合成方法製備。因此，本發明還提供了所述配方在製造塗料中的應用，其中塗料包括下列特性(a)高凝膠含量，(b)高抗劃傷性和(c)高擺測硬度。本發明是一種涉及包含己二酸酯的無溶劑木材塗料配方的新產品，其能在紫外線(UV)輻射固化下於短時間內固化。更具體而言，本發明涉及低揮發性和高抗劃傷性木材表面塗料。之前的發明通常使用揮發且導致空氣汙染的木材溶劑塗料組分。此外，常規木材塗料配方表現低抗劃傷性並對木材表面起良好保護作用。本發明適合於生產具有硬外塗層或硬封層的木材塗覆基底。該木材塗料配方提供了可展示木材美觀性及其暖人外觀的透明塗層，使之在許多地方有別於其他具競爭力的材料如混凝土、金屬和塑料。圖1顯示了通過酯化反應生產的蠟酯的百分產率。圖2顯示了輻射劑量對通過紫外線固化的塗層硬度的影響。圖3顯示了輻射前後塗料組分的傅立葉變換紅外(FT-IR)光譜。圖4顯示了輻射劑量對通過紫外線固化的塗料凝膠含量的影響。圖5顯示了通過劃痕儀使用5倍放大率所產生的玻璃瓦板表面上清晰可見的環線。圖6顯示了通過劃痕儀使用10倍放大率所產生的玻璃瓦板表面上"魚骨形"。具體實施例方式本發明現將通過引用下列附圖和實施例得以更詳細地描述。以下實施例僅提供作為解釋用途，而不意在限制本發明。在本發明中，發明人確定了用於製造木材或木材表面塗料的處理配方或塗料配方。該配方提高了抗劃傷性和擺測硬度。本發明的配方可用於習慣上定義為清漆、生漆和油漆的產品被通常使用的應用中。在本發明中，處理配方或塗料優選在光引發劑存在下固化木材表面，以啟動交聯聚合反應。本發明的配方快速固化並形成具有包括優良的抗劃傷性和高光澤度的改良的物理性質的膜層。如所提及的，本發明的配方主要由諸如蠟酯(己二酸酯和棕櫚蠟酯)、環氧丙烯酸酯、表面活性劑、固化劑和光引發劑等的原料組成。所使用的原料在混合原料時協同反應形成塗料。配方中的第一組分包括來源於己二酸或棕櫚的蠟酯，其通過己二酸或脂肪酸與脂肪醇的酶促酯化反應而製得。在最佳條件下進行己二酸與脂肪醇的反應，所述最佳條件為5(TC和150rpm搖床轉速、溫育30分鐘並通過脂肪酶Novozyme435進行催化。其間，在根據美國專利192452的批式反應器規模中進行脂肪酸和脂肪醇的酯化。此外，通過紫外線輻射技術固化所獲得的配方。該技術基於通過入射的紫外線輻射誘發多官能團體系聚合作用以獲得三維網絡。該反應使得液相體系得以在室溫下轉變成具有橡膠狀或玻璃狀特性的非粘性固體基質。除紫外線輻射技術之外，還通過不同的技術——EB固化技術固化配方。該技術主要用於丙烯酸酯配方。在光引發下，丙烯酸酯的電子引發的聚合反應通過自由基進行。在電子輻射液體丙烯酸酯後，產生自由基，其引發聚合併形成交聯反應活性部位。需要10-50kGy的典型輻射劑量來將液體丙烯酸酯轉變為稠密的聚合物網絡。圖l所示為己二酸酯(己二酸二油基酯和己二酸二月桂基酯)的選擇酯化反應的百分產率。使用Novozyme435作為生物催化劑，油醇和己二酸的酯化產生了95.0091%的己二酸二油基酯，而月桂醇和己二酸的酯化反應則產生91.5824%的己二酸二月桂基酯。己二酸和不同醇使用最佳條件的酯化產生更高的百分產率(大於90%)。根據結果，我們知道在蠟酯合成中固定化酶Novozyme435是最好的酶，勝於使用LipozymeRMIM。本發明在用於木材塗覆的配方中使用了蠟酯。使用另外添加表面活性劑的io:90比例的蠟酯環氧丙烯酸酯混合物進行實驗。所使用的表面活性劑是Brij(30和93)、Span(20和40)以及Tween(20、40、60、80和85)系列表面活性劑。優選的表面活性劑是Brij30，其可產生均勻混合物。使用攪拌器IkaWerkeRW16將添加有Brij30的環氧丙烯酸酯和己二酸酯混合30分鐘。表1所示為審慎挑選的配方原料。因此，本發明的性能會進一步得以提高。使用刮條塗布機將塗料組分配方施加於具有特定厚度(150iim)的玻璃瓦板上。稍後，通過ISTl-UV乾燥機輻射帶塗層的玻璃瓦板。每道次(passes)產生0.95J/cn^能量。由於要進行凝膠含量、擺測硬度和抗劃傷性的進一步測試，因此使用玻璃瓦板代替木材。擺測硬度測試用於測量塗層硬度。相對於標準玻璃板的硬度，比較帶塗層樣品的硬度。圖2是一幅顯示聚合的硬度百分數的曲線圖。在紫外線下的每一道次都給塗層帶來化學和物理變化。根據輻射類型，每道次都增加它們的擺測硬度值以及隨後的凝膠含量。這些值會達到最大值直至降解發生。進行該實驗是為了發現固化配方的最佳劑量。根據結果，與配方2相比，配方1具有更高的硬度。圖3是一幅典型的輻射前後塗料組分傅立葉變換紅外(FT-IR)光譜圖。對塗層進行該分析以證實影響硬度的聚合或降解的發生。光譜在1634cm—工處缺失證實了完成聚合。索氏抽提器用於除去塗層內未反應的原料，留下固化的聚合膜。剩餘物為塗層的凝膠物質。凝膠含量越高就意味著發生更多的交聯。使用索氏抽提器在丙酮中對已知重量的固化塗層萃取IO小時。真空乾燥萃取後的塗層並稱重以評估凝膠組成。凝膠含量評估是任何塗層的一個重要的特性，因為需要直接測量交聯度，其將會決定最終的塗層特性。交聯的物質不會為溶劑萃取所除去。多道次紫外線會產生更多的交聯，從而得到更高的凝膠含量。圖4是一幅顯示塗料配方凝膠含量百分數的曲線圖。根據結果，對於所有道次數的凝膠含量百分數均大於90%。因此，FT-IR分析用於支持該固化評估。儘管如此，仍然選擇6道次作為最佳的道次，因為其產生了最高的凝膠含量百分數。道次數影響紫外線強度，因而高強度會增加過度固化並因此降解所固化的塗層的危險(Mahmood等，2001)。通過埃氏劃痕儀(ErichsenScratchTester)測量塗層的抗劃傷性以確定塗層將被穿透的最大負載。塗層在玻璃瓦板上進行固化。90°頂錐角的金剛石用作針尖。負載將在0.5N-10N之間變化。針尖將被用於接觸玻璃瓦板上固化塗層的表面。圖5和6是劃痕儀所產生的環線的圖像。必須增加負載，劃痕才會產生清晰的環線(圖5)。產生不連續線條(圖6)的最後的負載是最大負載的極限。劃痕也被稱為"魚骨形"。因此，在"魚骨形"圖案出現之前的負載被記錄為抗劃傷性最大值。OlympusBH2-UMA顯微鏡用於分析劃痕儀在塗層上所產生的劃痕。使用顯微鏡，我們將能檢測到塗層上"魚骨形"的形成。在所需用以實現其保護作用的機械性質之中，塗層的抗劃傷性是最重要的之一。刮擦對固化表面所造成的損傷可以是導致塗層光滑外觀改變的普通損傷，也可以是導致塗層變形並最終誘發裂紋的嚴重損傷(Kumar等，2006)。表2表示了塗料組分的抗劃傷性。與配方2相比，配方1產生了更高的抗劃傷性。在8道次下，配方1的最大負載為4.5N。之前，Salleh及其同事(2002)通過輻射塗層，在硬質材料的開發中研究了聚合的複合材料的抗劃傷性。可是，所能對抗的最大負荷僅達3.0N，與本發明相比較低。表1:用於塗料配方的優選的原料tableseeoriginaldocumentpage7表2:具有150iim膜厚度的表面塗層的抗劃傷性tableseeoriginaldocumentpage7實施例1在實驗室規模上進行塗料配方。使用IkaWerkeRW16混合攪拌環氧丙烯酸酯(45.0g)、己二酸二油基酯(5.0g)、表面活性劑(5.0g)和固化劑(6.lllg)30分鐘以得到均勻混合物。之後，將該配方與光引發劑(1.5g)混合。使用刮條塗布機將完整的配方施加到玻璃瓦板上，厚度150iim。稍後，使用ISTl-UV乾燥機輻射帶塗層的玻璃瓦板。每道次產生O.95J/cm2能量。使用FT-IR分析輻射前後產物。輻射後光譜在1634cm—1處缺失證實了完成聚合。使用Byk擺測硬度測試儀和埃氏劃痕儀分析帶塗層玻璃的物理性質——硬度和抗劃傷性。稍後，除去塗層並進行索克利特萃取以測定凝膠含量。凝膠含量顯示大於90%聚合，而擺測對於確定輻射道次的影響，這些分析都很重要。在劃痕試驗中蠟酯配方可抵抗的最高重量負載為4.5N。配方是設計產品方案的過程，其決定了應當依次添加的基質的量，以及應當採納以製備最終產品的處理步驟。用於本發明的下一組分是作為乳化劑以得到均勻混合物的表面活性劑。表面活性劑是降低液體表面張力、使之更容易鋪展並且降低兩種液體之間界面張力的溼潤劑。其通常是兩親的有機化合物，即它們同時包含疏水基和親水基。權利要求一種用於保護木材不受生物材料破壞的塗料配方，其中該配方包含a)蠟酯，b)環氧丙烯酸酯，c)表面活性劑，d)固化劑，e)光引發劑。2.根據權利要求1所述的用於保護木材的塗料配方，其中蠟酯包括己二酸酯或棕櫚蠟酯。3.根據權利要求1所述的用於保護木材的塗料配方，其中該配方進一步包含(a)塗料配方抗紫外線劑，(b)塗料配方抗老化劑，(c)著色劑，(d)裝飾劑，(e)促塗料或塗料配方支持物粘附劑，(f)疏水相互作用試劑，禾口(v)水。4.根據權利要求l所述的用於保護木材的塗料配方，其中該配方包含(1)60%_80%的環氧丙烯酸酯，(ii)8%-12%的蠟酯，(iii)8%_9%的固化劑，(iv)4%_5%的表面活性劑和(v)2%_3%的光引發劑。5.—種製備權利要求1所述的塗料配方的方法，其中該方法包括步驟(a)將蠟酯與環氧丙烯酸酯混合以形成混合物，(b)添加表面活性劑[優選Brij、Span和Tween]到步驟(a)的混合物中，(c)添加固化劑到步驟(a)的混合物中，(d)攪拌步驟(c)的混合物至少30分鐘以獲得均勻混合物，(f)將步驟(d)的均勻混合物與光引發劑混合，(g)由步驟(a)-(f)獲得塗料或處理配方。6.根據權利要求5所述的方法，其中己二酸酯包括己二酸二油基酯或己二酸二月桂基酯。7.根據權利要求5所述的方法，其中棕櫚蠟酯包括棕櫚油酯、棕櫚仁酯、棕櫚油精酯。8.根據權利要求5所述的方法，其中蠟酯通過酶促合成方法製備。9.根據權利要求l-4任一項所述的配方在製造塗料中的應用，塗料包括下列特性(a)高凝膠含量，(b)高抗劃傷性和(c)高擺測硬度。全文摘要本發明涉及一種作為防護劑的用作木材塗料的無溶劑塗料和處理劑。該木材塗料用於提供短時間紫外線(UV)輻射固化，此外，該塗料涉及一種防蝕配方以及一種用於形成帶塗層面板的方法。本發明還提供了低揮發性和高抗劃傷性的木材表面塗料。文檔編號C09D163/10GK101796151SQ200880001260公開日2010年8月4日申請日期2008年9月3日優先權日2007年11月23日發明者拉雅·諾·匝利哈·拉雅·阿布杜歐·拉曼,瑪海蘭·馬斯瑞,莫海德·巴斯亞魯丁·阿布杜歐·拉曼,諾瑞尼·阿布杜歐·格漢尼,阿布·巴卡·索爾萊申請人:馬來西亞博特拉大學