基本信息
- 项目名称：
- 自乳化型硝化纤维树脂乳液的改性与制备
- 来源：
- 第十二届“挑战杯”省赛作品
- 小类：
- 能源化工
- 大类：
- 科技发明制作A类
- 简介：
- 为降低消化纤维涂料的VOC含量以达到环保要求，本作品以水性树脂为基料，以水为分散介质制作成的水性涂料基本不含有机挥发物，VOC含量很容易降到零。无毒环保且具有一定价格优势。
- 详细介绍：
- 在我国，硝化纤维涂料以其干燥速度快、装饰性能好、施工方便等优点在市场上广泛使用。随着环保要求以及人民生活水平的日益提高，各国相继出台了相应的法规和标准严格限制涂料中挥发性有机化合物（VOC）的含量，传统的硝化纤维涂料由于含有大量有机溶剂而很难达标，面临被市场淘汰的危险，如何降低VOC含量也就成为制约硝化纤维涂料应用和发展的瓶颈问题。将以有机物为溶剂的传统油溶性涂料做成水性涂料，它以水性树脂为基料，以水为分散介质，基本上不含有机挥发物，VOC含量很容易降到零。所以，研究开发出性能良好的水分散型硝化纤维树脂具有重要的应用价值和广阔的市场前景。
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作品专业信息
设计、发明的目的和基本思路、创新点、技术关键和主要技术指标
- 1.设计发明目的和基本思路： 为降低消化纤维涂料的VOC含量以达到环保要求，本作品以水性树脂为基料，以水为分散介质制作成的水性涂料基本不含有机挥发物，VOC含量很容易降到零。无毒环保且具有一定价格优势。 2.创新点： 基于对各种制备传统水分散型硝化纤维方法的难点和缺陷的分析研究，其缺点如下：(1)挥发性有机化合物（voc）高; (2)易燃，易爆，不易储存; (3)消耗大量有机溶剂，浪费资源。提出了一种制备水分散型硝化纤维树脂的新方法——自乳化法。该方法即针对水性硝化纤维树脂的功能性，通过分子设计及合成原料的筛选，在硝化纤维大分子上引入亲水基团，使硝化纤维能够自行乳化分散在水中，不需要任何表面活性剂的加入。本作品对环境没污染，易于储存，同时具有较好的稳定性。 3.技术关键和主要技术指标： a.设计了硝化纤维自乳化法的总体工艺流程 b.对亲水单体，成盐剂，溶剂，催化剂进行了选择，并且设计了本品的合成路线。 c. 确定了每一步的反应时间和反应温度，并确立了操作条件。采用主客观综合权重法、正交试验、均匀试验和逐步回归分析对存在交互作用的多因素多水平的合成实验进行了优化。 d.为进一步探究本产品的内部结构与本文所预计的是否相符，本文对样品进行了红外光谱表征，激光粒度测试和投射电镜观察等仪器表征。 e.所做的乳液性能表征主要包括以下项目(参考标准 GB/T 11175-2002)：冻融稳定性、稀释稳定性、贮存稳定性。
科学性、先进性
- 1. 硝化纤维分子上具有未被完全硝化的羟基，此羟基在理论上具有反应性，可以通过此羟基在硝化纤维分子结构上引入亲水基团，使硝化纤维具有亲水性，能够自行乳化在水中。 2. 多异氰酸酯的NCO基团和羟基具有适当的反应活性，可在温和的条件下反应，易于控制。不同的NCO基团分别和硝化纤维分子上的羟基和亲水单体上的羟基反应，所以多异氰酸酯可以作为中间媒介把亲水基团引入到硝化纤维分子上。 3. 异氰酸酯和多元醇反应可以生成氨基甲酸酯基，而氨基甲酸酯基是聚氨酯的特征基团，相当于在水性硝化纤维分子上引入了聚氨酯的特征基团，使制得的水性硝化纤维树脂保持原有性能的同时具有聚氨酯的优良性能。 4. 具有亲水基团的硝化纤维分子本身可以分散在水中形成较小粒径的乳液颗粒，而且可以作为一种内乳化剂把其他硝化纤维分子乳化在水中形成相对较大的乳液颗粒。所以可以调节硝化纤维的用量来制备出单分散小颗粒硝化纤维乳液，二元分散乳液和大颗粒乳液。
获奖情况及鉴定结果
- 无
作品所处阶段
- 实验室阶段
技术转让方式
- 无
作品可展示的形式
- 实物，照片
使用说明,技术特点和优势,适应范围,推广前景的技术性说明,市场分析,经济效益预测
- 一、技术特点和优势 1.水性涂料合成出一种以水为介质，不含任何有机溶剂的水分散型涂料； 2.在硝化纤维大分子上引入亲水基团解决以水为溶剂的难题； 3.硝化纤维本身不溶于水，我们利用高分子设计，设计出新颖的含亲水基团的水性硝化纤维乳液； 4.VOC值几乎为零； 5.不燃、不爆，易于储存； 6.无气味，节约能源，成本低； 7.原料来源广泛，价格低廉，无污染。 二.适用范围： 用于包括皮革涂层、织物涂层、地板涂层，胶黏剂，纺织印刷助剂等领域。 三.市场分析和经济效益预测： 硝化纤维乳液的主要市场竞争对手为水性聚氨酯，水性醇酸树脂以及溶剂型硝化纤维涂料，其中芳香族水性聚氨酯树脂的价格是本产品2倍左右，脂肪族水性聚氨酯树脂的价格是本产品的3倍左右，水性醇酸树脂的价格是本产品的2倍左右，硝基清漆（溶剂型）的价格是本作品的1.5到2倍，说明本产品在不污染环境对人体无伤害的情况下还具有一定的价格优势，所以本产品相对于传统溶剂型硝基漆将会有较大竞争力。
同类课题研究水平概述
- 1）外乳化法 此方法较普遍，安徽大学的孙艳松等都对此法进行了研究。该类产品涂膜亮度较好，耐干湿擦，常用于鞋面革、修面革顶的涂饰，手感丰满滑爽，但生产过程中需用高速分散设备，安全性能较差，且制出的乳液颗粒大小不均匀。 这种方法无法做到VOC很低，对设备仪器要求极高、同时安全性也要求极高，由于在体系中加入了大量的水和表面活性剂，乳液双电层体系复杂，乳液稳定性难以解决。 2）转相乳化法 微乳液是一个由油、水、表面活性剂、助表面活性剂组成的具有热力学稳定和各向同性的多组分体系。微乳液的粒径在0.1µm以下，是介于普通乳液和胶体溶液之间的体系，长时间放置不分层，不破乳。 用该技术制备硝化纤维微小乳状液，需要设备少，能耗小，且成品的乳液粒径小，储存稳定性好，成膜物质更光亮、滑爽、柔软，但该方法也有明显的缺点：一是微乳液的配方确定较为困难，选择和调整合适亲水-亲油平衡（HLB）值的表面活性剂方面需做大量工作；二是微乳液中含有大量的表面活性剂，只能用低分子量增塑剂，不宜用大分子树脂，故涂层耐湿擦性、耐磨性、耐久性、硬度、附着力都比较差。 3）种子乳液聚合法 这是近年来制备乳液型光亮剂的新方法。通过种子乳液聚合可制得硬核-软壳结构乳液，硝化棉溶液乳化后作为核芯，壳层为丙烯酸酯软性共聚物。制备方法为：将丙烯酸酯软性单体、含两个双键的丙烯酸酯单体、丙烯酸、含水硝化棉混合搅拌溶解均匀后，滴加阴、非离子表面活性剂水溶液制得水乳液。在乳液中加入引发剂水溶液，升温至70℃，保温反应一定时间，再加入丙烯酸酯软性单体，反应一定时间后，生成具有核壳结构的成品，降温、过滤、包装。这种乳液要获得广泛应用必须解决两个问题，一是乳液稳定性，二是硝化棉被聚丙烯酸酯包裹，如何充分发挥硝化纤维的优良性能。 通过上面的讨论可以看出，硝化纤维的水性化由于处理难度大且许多制备机理不成熟导致现阶段仍处在研究阶段，少量的产品应用也基本限于皮革涂饰剂等，木器涂饰、装修涂饰等方面尚未见到相关报道。在诸多的水性化方法中，外乳化法最简单，但是产品稳定性最差。转相乳化法的研究重点是乳化剂和配套增塑剂的选择。而种子乳液聚合法是最不成熟的一种方法。因此，在保持硝化纤维优良成膜性能的同时解决乳液稳定性差的问题成为水分散型硝化纤维树脂研究与开发的关键技术。
