專利名稱：單組分環(huán)境可固化水性涂料組合物、相關(guān)方法以及所涂布基材的制作方法
技術(shù)領(lǐng)域：
本發(fā)明涉及涂料組合物。更具體而言，本發(fā)明涉及單組分、環(huán)境可固化、水性涂料組合物。該本發(fā)明還涉及上述組合物的使用方法以及至少部分涂布上述組合物所沉積涂層的基材。
背景技術(shù)：
全部組分在單一容器中存儲一起的涂料組合物，經(jīng)常被稱為I-K組合物，從諸如方便最終用戶來看，許多情況下對其是有需求的。在上述涂料組合物性能中應呈現(xiàn)的是儲存穩(wěn)定性。換言之，組合物的粘度隨著時間的延長不應顯著增大至該組合物不再適于便利地沉積涂層。
多數(shù)情況下，合乎需要的是使用液體涂料組合物，其在與有機溶劑相反的水中被承載。此要求主要源于在涂裝過程期間對于揮發(fā)性有機化合物("V0C")排放的環(huán)境關(guān)注。還經(jīng)常需要提供在大氣溫度以及壓力環(huán)境條件下固化的涂料組合物。上述組合物多數(shù)情況下優(yōu)于例如熱固化或者輻射固化的涂料組合物，因為(i)幾乎不需要能量固化該組合物，(ii) 一些基材的構(gòu)成材料禁不住高溫硫化條件，和/或Qii)大的或者復雜的待涂布制品不便于通過高溫或者輻射固化設備加工。獲得1-K、水性的、環(huán)境可固化涂料組合物的方法是使用含羰基聚合物乳液，其包含多酰肼化合物交聯(lián)劑。隨著在該乳液被涂布于基材之后乳液蒸發(fā)，該酰肼基團以及該羰基由脫水縮合而產(chǎn)生交聯(lián)以形成固化膜。盡管多年以來一直對利用羰基-酰肼化學作用的
1-K、水性涂料組合物進行各種改進，仍然需要提供進一步改善的組合物。比如，在某些應用中，該涂料需要適于涂布至各種基材，包括各種塑料和金屬，并且必須對它們中每一個顯示出極好的粘附性。此外，在某些應用中，比如當該涂料組合物被用于醫(yī)療設備(和其他的物體)時，該涂料必須特別既耐水又耐醇。因此，需要提供基于羰基-酰肼化學作用的1-K、水性的、環(huán)境可固化的涂料組合物，其顯示出對塑料和金屬基材極好的粘附性以及其顯示出極好的耐水性和耐醇性。
發(fā)明內(nèi)容
在某些方面，本發(fā)明涉及水性涂料組合物，比如1-K，環(huán)境可固化涂料組合物。這些涂料組合物包含(a)包含側(cè)鏈羰基官能團的丙烯酸系共聚物樹脂顆粒；以及(b)交聯(lián)齊U，其包含至少兩個與該丙烯酸系共聚物的羰基官能團有反應性的官能團。在這些組合物中，該丙烯酸系共聚物樹脂顆粒具有的計算玻璃化轉(zhuǎn)變溫度("Tg")為至少40°C以及包含反應物的反應產(chǎn)物，該反應物包含(i)至少50重量％的疏水性丙烯酸系單體、基于該反應物總重量，以及(ii)包含醛和/或酮官能團的丙烯酸系單體。此外，該疏水性丙烯酸系單體包含(A)至少60重量％苯乙烯系單體，基于疏水性丙烯酸系單體的重量，以及(B)烷基醇的(甲基)丙烯酸酯，其中醇的烷基部分是直鏈的或者支鏈的以及包含至少4個碳原子。在其它方面，本發(fā)明還涉及使用上述涂料組合物的方法以及至少部分地涂布上述涂料組合物所沉積涂層的基材。發(fā)明詳述為了以下詳細說明，應理解本發(fā)明可以假定各種的可替換變量以及步驟序列，除其中特別相反指定的外。此外，除在任何操作實施例中之外，或者其中另外指明，用于本說明書以及權(quán)利要求書的所有的數(shù)字表示比如組分數(shù)量被理解為在所有情況下都由該術(shù)語"約"修飾。因此，除非相反指示，在以下說明書和所附權(quán)利要求書中列舉的數(shù)字參數(shù)是近似值，這些近似值可以由本發(fā)明要獲得的需要的性能而改變。至少，絲毫不是要限制對本權(quán)利要求范圍應用等同原則，各個數(shù)字參數(shù)應該至少按照所報告有效數(shù)字的數(shù)目以及通過應用一般的近似技術(shù)加以解讀。
盡管表明本發(fā)明寬泛范圍的數(shù)值范圍以及參數(shù)是近似化的，但是在具體實施例中所述數(shù)值報告的盡可能地準確。然而，任何數(shù)值，固有地包含某些由它們的各自的試驗測定中的標準偏差而必然產(chǎn)生的誤差。此外，很清楚本申請列舉的任意數(shù)值范圍意指包括其中包含的所有子區(qū)間。例如，范圍"1-10〃意指包括之間的所有子區(qū)間以及包括列舉的最小值I以及列舉的最大值10，也就是說，具有等于或者大于I的最小值以及等于或者小于10的最大值。在本申請中，使用的單數(shù)包括復數(shù)以及復數(shù)包含單數(shù)，除非另外具體說明。此外，在本申請中，〃或者〃意指"和/或〃除非另外特殊說明，即使"和/或〃可以明確地用于某些情況。正如前面提到的那樣，本發(fā)明某些實施方案涉及涂料組合物，比如1-K、水性的、環(huán)境可固化涂料組合物。如本文所用，該術(shù)語"1-K"指存儲穩(wěn)定的涂料組合物，其中該組合物全部組分在單一容器中存儲在一起，以及時間達到該組合物不再適于便利地用于沉積涂層時，組合物的粘度不應該顯著地增加。實際上，在某些實施方案中，本發(fā)明涂料組合物當于140° F保存在密封容器時顯示出貯放時間達到至少I年，通過測定無任何顯著的粘度增加。如本文所用，"水性的〃指涂料組合物中用于該涂料組合物的溶劑或者載體流體，也就是該連續(xù)相，基本上是或者主要包含水。比如，在某些實施方案中，該載體流體至少80重量％是水，以該載體流體總重量為基準。此外，本發(fā)明某些該涂料組合物是〃低VOC涂料組合物"。如本文所用，該術(shù)語"低VOC組合物"意指每加侖該涂料組合物不包含多于三(3)磅VOC的組合物。如本文所用的，該術(shù)語〃VOC〃指在具有至少一個碳原子且其在干燥和/或固化期間從該組合物脫除的化合物。"V0C〃實例包括，但是不局限于醇、苯、甲苯、氯仿、以及環(huán)己烷。如本文所用，該術(shù)語"環(huán)境可固化"指涂料組合物，其在涂布至基材后，能夠在環(huán)境空氣中固化，該空氣相對濕度為10-100%，比如25-80%，以及溫度范圍為-10至120°C，比如5至80°C，有時10-60°C以及在其它情況下15-40°C。如本文所用，該術(shù)語〃固化〃指涂料其中該組合物任何可交聯(lián)的組分至少是部分交聯(lián)的。在某些實施方案中，可交聯(lián)組分的交聯(lián)密度，即交聯(lián)度，范圍為5%-100%，比如完全交聯(lián)的35%-85%，或者有時，50%-85%。本領(lǐng)域技術(shù)人員會理解交聯(lián)的存在以及程度，即交聯(lián)密度，可以通過各種方法測定，比如動態(tài)機械熱分析(DMTA)使用Polymer Laboratories MK III DMTA分析儀在氮氣下實施。如先前所述，本發(fā)明涂料組合物包含丙烯酸系共聚物樹脂顆粒，丙烯酸系共聚物樹脂顆粒包含側(cè)鏈羰基官能度。如本文所用，該術(shù)語"共聚物"指聚合物，其是兩種或更多種不同反應物的反應產(chǎn)物，比如兩種或更多種不同的單體。如本文所用，"聚合物"包含低聚物以及預聚物，該前綴"聚"在本申請稱為"兩種或更多種"。如本文所用，該術(shù)語"丙烯酸系共聚物"指兩種或更多種丙烯酸系反應物的共聚物，比如兩種或更多種不同丙烯酸系單體，即兩種或更多種不同的可聚合烯屬不飽和反應物。如本文所用，"羰基"指官能團，其包含雙鍵鍵連至氧原子的碳原子(C=O)。在本發(fā)明的涂料組合物中，該丙烯酸系共聚物樹脂以顆粒形式存在，其在乳液分散相中，乳液中水是該連續(xù)相的基本組分，有時是唯一的組分。在某些實施方案中，這些樹脂粒粒徑均一地小，即，聚合后不足20%的該樹脂顆粒粒度大于5微米、有時大于I微米。在某些實施方案中，該樹脂顆粒平均直徑不多于500納米，比如不多于400納米，不多于300納米，或者有時，不多于200納米。此外，在某些實施方案中這些樹脂顆粒平均 粒度為至少I納米，比如至少5納米，至少10納米，至少50納米，或者有時，至少100納米。該粒度可以通過光子關(guān)聯(lián)能譜法按國際標準ISO 13321所規(guī)定的那樣測量。使用Malvern Zetasizer 3000HSa通過光子關(guān)聯(lián)能譜根據(jù)以下方法測量出本申請所報告的平均粒度數(shù)值。大約IOmL超濾去離子水以及I滴同質(zhì)試樣加入干凈20ml小瓶然后混合。將小杯清洗以及大約一半裝滿超濾去離子水，向其加入約3-6滴該稀釋樣品。一旦除去氣泡，該小杯放置在 Zetasizer 3000HSa 中在 Zetasizer Software (100-200KCts/sec)中使用Correlator Control窗口以確定該樣品具有是否恰當?shù)臐舛?。然后用Zetasizer 3000HSa完成粒度測量。在某些實施方案中，該丙烯酸系共聚物樹脂顆粒是主要的，或者有時在本發(fā)明涂料組合物中基本上是樹脂固體的基本來源。因此，在某些實施方案中，上述的樹脂顆粒在本發(fā)明涂料組合物中含量為至少50重量％，比如至少70重量％，至少80重量％，至少90重量％，或者有時，至少92重量％，基于該涂料組合物中樹脂固體的總重量。在某些實施方案中，本發(fā)明涂料組合物基本上不含、或者有時完全不含任何其它的樹脂顆粒，比如平均直徑在I至50納米之間的聚合物顆粒。在本說明書中，〃實質(zhì)上不含〃意指另一樹脂顆粒占組合物總濃度的含量為少于I重量％，比如不多于0. 5重量％或者不多于0.1重量％，基于該涂料組合物中樹脂固體的總重量。"完全不含"意指該組合物中根本不存在其它的聚合物顆粒。本發(fā)明涂料組合物中包括的該丙烯酸系共聚物樹脂顆粒是反應物的反應產(chǎn)物，該反應物包含(i)基于該反應物總重量的至少50重量％的，疏水性丙烯酸系單體，以及
(ii)包含醛和/或酮官能團的丙烯酸系單體。包含醛和/或酮官能團的丙烯酸系單體，如本文所用，指丙烯酸單體，其包含至少一個以下結(jié)構(gòu)表示的基團
權(quán)利要求
1.水性涂料組合物，其包含 (a)丙烯酸系共聚物樹脂顆粒，其包含側(cè)鏈羰基官能團；以及 (b)交聯(lián)劑，其包含至少兩個與該丙烯酸系共聚物的羰基官能團有反應性的官能團， 其中該丙烯酸系共聚物樹脂顆粒的計算Tg為至少40°C以及包含反應物的反應產(chǎn)物，該反應物包含 (i)至少50重量％的疏水性丙烯酸系單體，基于反應物總重量，該疏水性丙烯酸系單體包含(A)至少60重量％苯乙烯系單體，基于該疏水性丙烯酸系單體總重量；以及(B)烷基醇的(甲基)丙烯酸酯，其中該醇的烷基部分是直鏈或者支鏈的以及包含至少4個碳原子，以及 (ii)包含醛和/或酮官能團的丙烯酸系單體。
2.權(quán)利要求I的涂料組合物，其中包含醛和/或酮官能團的丙烯酸系單體含量為0.1-20重量％，基于用于制備該丙烯酸系共聚物樹脂顆粒的反應物總重量。
3.權(quán)利要求I的涂料組合物，其中該疏水性丙烯酸系單體含量為至少90重量％，基于用于制備該丙烯酸系共聚物樹脂顆粒的反應物總重量。
4.權(quán)利要求I的涂料組合物，其中該苯乙烯系單體含量為60-80重量％，基于用于制備該丙烯酸系共聚物樹脂顆粒的疏水性丙烯酸系單體總重量。
5.權(quán)利要求I的涂料組合物，其中醇的烷基部分是直鏈或者支鏈的以及包含至少4個碳原子的該烷基醇的(甲基)丙烯酸酯，包含其中該醇的烷基部分是直鏈或者支鏈的以及包含6-8個碳原子的烷基醇的(甲基)丙烯酸酯。
6.權(quán)利要求I的涂料組合物，其中該烷基醇的(甲基)丙烯酸酯含量為10-30重量％，基于用于制備該丙烯酸系共聚物樹脂顆粒的疏水性丙烯酸系單體總重量。
7.權(quán)利要求I的涂料組合物，其中該反應物還包含磷酸酯官能單體。
8.權(quán)利要求7的涂料組合物，其中該磷酸酯官能單體含量為0.5-2重量％，基于用于制備該丙烯酸系共聚物樹脂顆粒的丙烯酸系單體總重量。
9.權(quán)利要求I的涂料組合物，其中該丙烯酸系共聚物顆粒的重均分子量范圍為50，000-200，000 克 / 摩爾。
10.權(quán)利要求I的涂料組合物，其中該丙烯酸系共聚物顆粒的計算玻璃化轉(zhuǎn)變溫度是40 0C -60。。。
11.權(quán)利要求I的涂料組合物，其中該交聯(lián)劑包括化合物，該化合物包含至少兩個酰肼基團。
12.使用權(quán)利要求I的涂料組合物的方法，包括 (a)將該涂料組合物涂布至基材； (b)使該涂料組合物聚結(jié)以在基材上形成基本上連續(xù)膜；以及 (C)在環(huán)境空氣存在下使該涂料組合物固化，空氣的相對濕度為10至100%以及溫度為-10 至 120。。。
13.至少部分按權(quán)利要求12所述的方法涂布的基材。
14.權(quán)利要求13的基材，其中該基材包含金屬和/或塑料。
15.包含權(quán)利要求14的基材的制品，其中該制品是醫(yī)療器材。
全文摘要
本發(fā)明公開了涂料組合物，其是單組分、環(huán)境可固化，且水性的。該涂料組合物包含丙烯酸系共聚物樹脂顆粒以及交聯(lián)劑，該丙烯酸系共聚物樹脂顆粒包含羰基官能團，該交聯(lián)劑包含諸如酰肼基團之類與羰基有反應性的官能團。
文檔編號C08F220/18GK102781984SQ201180011375
公開日2012年11月14日 申請日期2011年1月11日 優(yōu)先權(quán)日2010年1月15日
發(fā)明者B·K·里埃里克, I·G·施溫德曼, M·J·齊格勒, M·S·加斯滕, R·R·安布羅斯, V·卡爾薩尼, 周宏英 申請人:Ppg工業(yè)俄亥俄公司