高固含量透明涂料组合物的制作方法

专利名称：高固含量透明涂料组合物的制作方法
背景技术：
本发明一般涉及高固含量、低VOC(挥发性的有机组分)涂料组合物且更具体地涉及适合于在汽车OEM和整修应用中使用的多层涂层的低VOC透明涂料组合物。
底漆-透明涂料体系在汽车面漆市场中已广泛使用。持续努力的目的是为了改进总体外观、面漆的透明度、和在越来越高的施涂固含量下这些涂料体系在耐性能恶化上的能力。此外还努力开发具有低VOC的涂料组合物。仍然需求在施涂之后具有突出平衡性能特征(尤其在高固含量下光泽和影象清晰度(DOI))的透明涂料配制剂。蜜胺/丙烯酸多元醇交联的或蜜胺自缩合的涂料例如可提供具有可接受的耐划伤性的涂层，但该涂层具有差的耐酸蚀性和在高固含量下变劣的外观。另一方面，异氰酸酯/丙烯酸多元醇型2K聚氨酯涂层通常提供可接受的耐酸蚀性但该涂层具有差的耐划伤性。所以，仍然需要这样的涂料，它不仅提供可接受的耐划伤性和耐酸蚀性，而且在最低可能VOC下提供高光泽和DOI。
在题为“由异氰酸酯一甲氧基甲基蜜胺体系的共反应得到的交联涂层(Cross-Linked Coatings by Co-Reaction of Isocyanate-Methoxymethyl Melamine Systems)”(应用高分子科学杂志，55卷，153-161页，1995年)的文章中由Ntsihlele和Pizzi描述的一种方法是让芳族二异氰酸酯与甲氧基甲基蜜胺反应。然而，仍然需要高固含量的透明涂料组合物，它在长期暴露于太阳光下不变黄或变脆并且提供高光泽和DOI。
本发明的叙述本发明涉及包含异氰酸酯、环状碳酸酯和蜜胺组分的透明涂料组合物，其中所述异氰酸酯组分包含具有平均2-6个异氰酸酯官能团的脂肪族多异氰酸酯。
本发明还涉及在基材上制备透明涂层的方法，它包括施涂一层包括异氰酸酯、环状碳酸酯和蜜胺组分的透明涂料组合物，其中所述异氰酸酯组分包含具有平均2-6个异氰酸酯官能团的脂肪族多异氰酸酯；和将该层固化成透明涂层。
本发明的优点之一是它的低VOC，它明显低于美国环境保护署(EPA)目前的指导标准。
另一个优点是由本发明的涂料组合物得到的涂层的耐划伤性和耐腐蚀性及硬度。
再一个优点是由本发明的涂料组合物得到的涂层的透明度和高光泽度。
在本文中使用的“双包装涂料组合物”是指包括分别贮存在单独的两容器中的两组分的热固性涂料组合物。一般将这些容器密封以延长该涂料组合物的各组分的贮存时间。两组分在使用之前被混合成罐混物。该罐混物具有典型为几分钟(15分钟到45分钟)到几个小时(4小时到6小时)的有限贮放时间。该罐混物在基材表面如汽车车身上施涂成所需厚度的涂层。在施涂之后，该层在环境条件下固化或在升高的温度下固化-烘烤而在基材表面上形成了具有所需涂层性能的涂层，这些性能例如有高光泽，耐划伤性和耐环境腐蚀性。
“单包装涂料组合物”是指包括贮存在同一容器中的两组分的热固性涂料组合物。然而，一种组分被封闭以防止过早交联。在将单包装涂料组合物施涂于基材上之后，该层接触高温以使封闭的组分去除封闭。其后，该层在升高的温度下烘烤固化而在基材表面上形成了具有所需涂层性能的涂层，这些性能例如有高光泽，耐划伤性和耐环境腐蚀性。
“低VOC涂料组合物”是指这样一种涂料组合物，它包括0-0.472千克有机溶剂/升(4磅/加仑)，优选0.118(1磅/加仑)-0.178千克有机溶剂/升(1.5磅/加仑)的组合物，根据在ASTM D3960中提供的程序测定。
“高固含量组合物”是指固体组分含量在65-100％范围内和优选大于70％的涂料组合物，所有这些值是基于组合物总重量的重量百分数。
“透明涂料组合物”是指在固化后得到了DOI(影象清晰度)等级高于80和20°光泽等级高于80的透明涂层的一种透明涂料组合物。
“GPC重均分子量”和“GPC数均分子量”是指使用凝胶渗透色谱法分别测量的重均分子量和数均分子量。使用由Hewlett-Packard；Palo Alto，加利福尼亚提供的高效液相色谱仪(HPLC)。除非另有说明，所用的液相是四氢呋喃并且标准物是聚甲基丙烯酸甲酯。
“聚合物粒度”是指使用由Brookhaven InstrumentsCorporation，Holtsville，N.Y提供的Brookhaven Model BI-90粒度仪测量的聚合物颗粒的直径。该粒度仪使用准弹性光散射技术来测量聚合物颗粒的尺寸。散射强度是粒度的函数。使用基于强度加权平均的直径。这一技术被描述在1987版本的美国化学学会专题研讨会论文集第3章，48-61页Weiner等人标题为光子关联能谱法在粒度分级中的使用和误用(Uses and Abuses of Photon CorrelationSpectroscopy in Particle Sizing)的论文中。
“聚合物固体”或“组合物固体”是指其干燥状态的聚合物或组合物。
这里使用的“脂族”包括脂肪族和环脂族物质。
“可交联的”是指含有官能团的加合物的独立组分，所述官能团在本发明的组合物内反应得到具有良好外观、耐久性、硬度和耐划伤性的涂层。
“耐酸蚀性”是指涂层表面所提供的抵抗环境(例如酸雨)的化学腐蚀作用的性能。
“耐划伤性”是指涂层提供的耐机械磨损的性能，例如涂层表面如汽车车身的磨损，这一般发生在涂层表面的洗涤和清洗过程中。
申请人已经出乎意料地发现，与在典型的热固性涂料组合物(即使用聚合物和交联组分的那些)中使用的常规方法相反，非常可行的路线在于将一种在传统上被认为是交联剂的混合物可用于产生独特的低VOC、高固含量的透明涂料组合物，该组合物产生具有优异涂层性能如透明度和耐划伤性及耐腐蚀性的涂层。申请人进一步出乎意料地发现，通过在透明涂料组合物中包含环状碳酸酯组分，固含量能够进一步提高，而不会牺牲耐腐蚀和耐划伤性、光泽、DOI和其它所需涂层性能。可以相信，该碳酸酯组分起着替代涂料组合物中一般使用的溶剂的作用并在固化时反应产生稳定和耐久的交联结构。因此，所获得的涂料组合物的粘度能够在不牺牲涂层性能的前提下显著降低。
该透明涂料组合物包括异氰酸酯，环状碳酸酯和蜜胺组分。异氰酸酯组分包括具有平均2到6个，优选2.5到6个且更优选3到4个并氰酸酯官能团的脂族多异氰酸酯。该涂料组合物包括30％-70％，优选35％-55％，且最优选40％-50％的脂肪族多异氰酸酯，该百分比是以组合物固体的总重量为基础计的重量百分数。
合适的脂肪族多异氰酸酯的例子包括脂肪族或环脂族二、三或四-异氰酸酯，它可以是或不是烯属不饱和的，如1，2-亚丙基二异氰酸酯，三亚甲基二异氰酸酯，四亚甲基二异氰酸酯，2，3-亚丁基二异氰酸酯，六亚甲基二异氰酸酯，八亚甲基二异氰酸酯，2，2，4-三甲基六亚甲基二异氰酸酯，2，4，4-三甲基六亚甲基二异氰酸酯，十二亚甲基二异氰酸酯，ω-二丙基醚二异氰酸酯，1，3-环戊烷二异氰酸酯，1，2-环己烷二异氰酸酯，1，4-环己烷二异氰酸酯，异佛尔酮二异氰酸酯，4-甲基-1，3-二异氰酸根环己烷，反式-亚乙烯基二异氰酸酯，二环己基甲烷-4，4’-二异氰酸酯，3，3’-二甲基二环己基甲烷-4，4-二异氰酸酯，间-四甲基亚二甲苯基二异氰酸酯，含有异氰脲酸酯结构单元的多异氰酸酯如六亚甲基二异氰酸酯的异氰脲酸酯和异佛尔酮二异氰酸酯的异氰脲酸酯，2分子的二异氰酸酯如六亚甲基二异氰酸酯、六亚甲基二异氰酸酯的脲啶二酮(uretidiones)、异佛尔酮二异氰酸酯的脲啶二酮或异佛尔酮二异氰酸酯与1分子的二醇如乙二醇的加合物，3分子的六亚甲基二异氰酸酯和1分子的水的加合物(以商标Desmodur N购自宾夕法尼亚州匹兹堡市的拜耳公司)。
芳族多异氰酸酯不适合用于本发明中，因为由其形成的透明涂层对光太敏感并且随着时间的推移会泛黄并在长期暴露于太阳光下会开裂。结果此类透明涂层是不耐久的。
如果需要，聚合物异氰酸酯的异氰酸酯官能团可以用单体醇封闭，以防止在单包装组合物中过早交联。一些合适的单体醇类包括甲醇，乙醇，丙醇，丁醇，异丙醇，异丁醇，己醇，2-乙基已醇和环己醇。
涂料组合物的蜜胺组分包括合适的单体或聚合物型蜜胺或它们的混合物。烷氧基单体蜜胺是优选的。涂料组合物包括10％-45％，优选20％-40％，且最优选25％-35％的蜜胺，该百分比是以组合物固体的总重量为基础计的重量百分数。
在本发明的上下文中，术语“烷氧基单体蜜胺”是指低分子量蜜胺，它含有平均三个或更多个用C1-C5一元醇如甲醇、正丁醇、异丁醇或类似物加以醚化的羟甲基/每个三嗪核，并具有至多约2且优选约1.1-约1.8的平均缩合度，具有比例不低于约50wt％的单核物质。聚合物蜜胺具有高于1.9的平均缩合度。
一些合适的此类单体蜜胺包括高度烷基化的蜜胺，如甲基化、丁基化、异丁基化的蜜胺和它们的混合物。更特别地，六羟甲基蜜胺、三羟甲基蜜胺、部分甲基化的六羟甲基蜜胺和五甲氧基甲基蜜胺是优选的。六羟甲基蜜胺和部分甲基化的六羟甲基蜜胺是更优选的并且六羟甲基蜜胺是最优选的。
许多这类合适的单体蜜胺是通过商业途径提供的。例如CytecIndustries Inc.，West Patterson，New Jersey提供Cymel301(聚合度为1.5，95％甲基和5％羟甲基)，Cymel350(聚合度为1.6，84％甲基和16％羟甲基)，303，325，327和370，它们全部是单体蜜胺。合适的聚合物蜜胺包括高氨基(部分烷基化，-N，-H)蜜胺，已知为ResimeneTMBMP5503(分子量690，多分散性为1.98，56％丁基，44％氨基)，由密苏里州圣路易斯市的Solutia Inc.提供，或由新泽西州West Patterson市的Cytec Industries Inc.提供的Cymel1158。
Cytec Industries Inc.还提供Cymel1130@80％固体含量(聚合度为2.5)，Cymel1133(48％甲基，4％羟甲基和48％丁基)，两者都是聚合物蜜胺。
涂料组合物优选包括增强组分在固化时的交联的一种或多种催化剂。通常，涂料组合物包括0.1％-5％、优选0.1-2％、更优选0.5％-2％且最优选0.5-1.2％的催化剂，该百分比是以组合物固体的总重量为基础计的重量百分数。
一些合适催化剂包括常规酸催化剂，如芳族磺酸，例如十二烷基苯磺酸，对甲苯磺酸和二壬基萘磺酸，它们或是未封闭的或用胺如二甲基噁唑烷和2-氨基-2-甲基-1-丙醇，N，N-二甲基乙醇胺或它们的混合物来封闭。能够使用的其它酸催化剂是强酸，如磷酸，更特别地苯基酸式磷酸酯，它可以是未封闭的或用胺封闭的。
除了前面这些外，涂料组合物优选包括少量的一种或多种有机锡催化剂，如二月桂酸二丁锡，二乙酸二丁基锡，辛酸亚锡，和氧化二丁锡。二月桂酸二丁锡是优选的。有机锡催化剂的添加量通常是0.001％-0.5％，优选0.05％-0.2％且更优选0.1％-0.15％，该百分比是以组合物固体的总重量为基础计的重量百分数。
优选将这些催化剂加到蜜胺组分中。
涂料组合物的碳酸酯组分包括五元或六元环状碳酸酯或它们的混合物。六元环状碳酸酯是优选的。涂料组合物包括5％-40％，优选10％-35％，且最优选15％-30％的蜜胺，该百分数是以组合物固体的总重量为基础计的重量百分数。
一些合适的环状碳酸酯包括每分子具有一个或多个环结构的环状碳酸酯。该环状碳酸酯优选含有1-4个环，优选一个环。各环可含有3或4个碳原子，有或没有侧挂的侧基。碳酸酯组分可包含五元或六元环状碳酸酯，或它们的混合物。六元环状碳酸酯是优选的。
一些合适的五元环状碳酸酯包括具有下式的那些 其中R＝H，C1-C15烷基，烷氧基如甲氧基、乙氧基、苯氧基，或连接的聚合物结构，如从聚氨酯、聚酯或丙烯酸类聚合物形成的结构，所有低数均分子量在200至10,000范围内，优选在300至5000范围内且更优选在400到1000范围内。
具有2或多个环结构的五元环状碳酸酯能够作为碳酸甘油酯(R＝CH2-OH)与脂肪族二异氰酸酯或多异氰酸酯如六亚甲基二异氰酸酯(HMDI)、异佛尔酮二异氰酸酯、壬烷二异氰酸酯、或它们的缩二脲或异氰脲酸酯三聚体的反应产物而获得。或者，具有2个或多个环状碳酸酯环状结构的五元环状碳酸酯可通过工业中已知的常规合成路线制备，得到具有此类官能团位置的聚酯、聚醚或聚丙烯酸类化合物。一些合适的五元环状碳酸酯包括平均含有一个环结构的那些，如碳酸亚乙基酯、碳酸亚丙基酯、碳酸亚丁基酯、碳酸甘油酯、丁基大豆油碳酸酯(butyl soyate carbonate)、丁基亚麻子油碳酸酯(butylinseed carbonate)、或它们的混合物。碳酸亚乙酯、碳酸亚丙酯和碳酸亚丁酸酯是优选的。
一些合适的六元环状碳酸酯包括具有下式的那些 其中R＝H，C1-C15烷基，或烷氧基如甲氧基、乙氧基、苯氧基，或连接的聚合物结构，如从聚氨酯、聚酯或丙烯酸类聚合物形成的结构，所有低数均分子量在200至10,000范围内，优选在300至5000范围内和更优选在400到1000范围内。
平均含有一个或多个环结构的六元环状碳酸酯包括碳酸二烷基酯或光气与任何1，3-二醇如新戊二醇、1，3-丙二醇，2-甲基-2-丙基-1，3-丙二醇或三羟甲基丙烷的反应产物。六元环的环状碳酸酯的实例和它们的合成方法描述在US专利4,440,937的实施例1、3和9中，它被引入本文供参考。
本发明包括平均含有一个或多个环状碳酸酯环结构的六元环状碳酸酯，它们一般可通过提供具有碳酸酯官能团的聚酯、聚醚或聚丙烯酸类化合物来制备。由脂肪族二异氰酸酯或多异氰酸酯与羟基官能化碳酸酯反应，或由多官能化胺与含多环的环状碳酸酯反应所制备的六元环状碳酸酯官能化的聚氨酯也适合用于本发明中。
本发明的涂料组合物被配制成高固含量涂料体系时，进一步含有至少一种有机溶剂，该溶剂一般选自芳族烃如石脑油或二甲苯；酮类，如2-庚酮，甲基异丁基酮，丁酮或丙酮；酯类如乙酸丁酯或乙酸已酯；和二醇醚酯类，如丙二醇单甲醚乙酸酯。有机溶剂的添加量取决于所需固体含量以及组合物的所需VOC量。如果需要，该有机溶剂可被加入到该粘结剂的两组分中。
本发明的涂料组合物还可含有常规添加剂，如稳定剂、和流变调节剂、流动剂、和增韧剂。此类添加剂当然取决于该涂料组合物的预定用途。对固化涂层透明度有不利影响的任何添加剂在组合物用作透明涂料时将不包含在内。前述添加剂可加入到其中一种组分或两者之中，这取决于涂料组合物的预定用途。
本发明的透明涂料组合物能够以双包装涂料组合物形式提供，其中第一包装组分包括多异氰酸酯组分而第二包装组分包括蜜胺组分。通常第一和第二包装组分被贮存在独立的容器中并在使用之前混合。该容器优选进行气密性密封以防止在贮存过程中降解。混合例如可在混合喷嘴中或在容器中进行。
或者，当多异氰酸酯的异氰酸酯官能团被封闭时，涂料组合物的两组分能够以单包装涂料组合物形式贮存在同一容器中。
为了改进涂料组合物的透明漆层的耐候性，可添加大约0.1-5wt％(基于组合物固体的重量)紫外光稳定剂或紫外光稳定剂和吸收剂的混合物。这些稳定剂包括紫外线吸收剂、屏蔽剂、猝灭剂和特定的受阻胺光稳定剂。同样，还能够添加大约0.1-5wt％(基于组合物固体的重量)的抗氧化剂。有用的典型紫外光稳定剂包括二苯甲酮，如羟基十二烷基二苯甲酮，2，4-二羟基二苯甲酮；三唑，如2-苯基-4-(2’，4’-二羟基苯甲酰基)三唑；和三嗪，如三嗪的3，5-二烷基-4-羟苯基衍生物，和三唑类如2-(苯并三唑-2-基)-4，6-双(甲基乙基-1-苯基乙基)苯酚，2-(3-羟基-3，5一二叔戊基苯基)苯并三唑，2-(3’，5’-双(1，1-二甲基丙基)-2’-羟苯基)-2H-苯并三唑，苯丙酸，3-(2H-苯并三唑-2-基)-5-(1，1-二甲基乙基)-4-羟基-C7-9-支链烷基酯类，和2-(3’，5’-双(1-甲基-1-苯基乙基)-2’-羟苯基)苯并三唑。
典型的受阻胺光稳定剂是双(2，2，6，6-四甲基哌啶基)癸二酸酯，双(N-甲基-2，2，6，6-四甲基哌啶基)癸二酸酯和双(N-辛氧基-2，2，6，6-四甲基哌啶基)癸二酸酯。紫外光吸收剂和受阻胺光稳定剂的有用共混物的一种是双(N-辛氧基-2，2，6，6-四甲基哌啶基)癸二酸酯和苯丙酸，3-(2H-苯并三唑-2-基)-5-(1，1-二甲基乙基)-4-羟基-C7-9-支链烷基酯类。紫外线吸收剂和受阻胺光稳定剂的另一有用共混物是2-(3’，5’-双(1-甲基-1-苯乙基)-2’-羟苯基)苯并三唑和癸烷二酸，双(2，2，6，6-四甲基-4-哌啶基)酯，两者都由Ciba SpecialtyChemicals，Tarrytown，New York分别以商标Tinuvin900和Tinuvin123提供。
本发明的涂料组合物任选含有0.1％-40％，优选5％-35％，更优选10％-30％的流动改性树脂，如非水性分散体(NAD)，所有百分比是基于组合物固体的总重量。流动改性树脂的重均分子量一般在20,000到100,000范围内，优选在25,000到80,000范围内且更优选在约30,000到50,000范围内变化。
非水性分散体型树脂是通过在聚合物分散稳定剂和有机溶剂存在下分散聚合至少一种乙烯基单体来制备的。聚合物分散稳定剂可以是在无水分散体领域中常用的任何已知的稳定剂，并可包括下面的物质(1)至(9)作为实例(1)在分子内具有约1.0个可聚合双键的聚酯大分子单体，它可通过丙烯酸缩水甘油酯或甲基丙烯酸缩水甘油酯加成到含羟基的脂肪酸如12-羟基硬脂酸的自缩合聚酯上来获得。
(2)由在(1)中提及的聚酯大分子单体与甲基丙烯酸甲酯和/或其它(甲基)丙烯酸酯或乙烯基单体进行共聚合所制备的梳型聚合物。
(3)可由在(2)中描述的聚合物与少量(甲基)丙烯酸缩水甘油酯共聚合并然后将(甲基)丙烯酸加成到它的缩水甘油基上以引入双键的两步骤获得的聚合物。
(4)通过共聚合至少20wt％的含有4个或4个以上碳原子的一元醇的(甲基)丙烯酸酯所制备的含羟基丙烯酸共聚物。
(5)可通过向在(4)项提及的共聚物中引入至少0.3个双键/每分子(基于其数均分子量)获得的丙烯酸系共聚物。引入双键的方法例如可包括将丙烯酸类聚合物与少量(甲基)丙烯酸缩水甘油酯共聚合，然后将(甲基)丙烯酸加成到缩水甘油基上。
(6)对矿油精有高度耐受性的烷基蜜胺树脂。
(7)油度不低于15％的醇酸树脂和/或通过将可聚合的双键引入到该醇酸树脂中可获得的树脂。引入双键的方法例如可包括(甲基)丙烯酸缩水甘油酯加成到醇酸树脂中的羧基上的反应。
(8)对矿油精有高耐受性的无油型聚酯树脂，油度低于15％的醇酸树脂，和/或可通过引入双键到醇酸树脂中获得的树脂。
(9)引入了可聚合的双键的醋酸丁酸纤维素。引入双键的示例性方法包括甲基丙烯酸异氰酸根乙基酯加成到醋酸丁酸纤维素上的反应。
这些分散稳定剂能够单独使用或以混合物形式使用。
在以上提及的分散稳定剂中，基于本发明目的优选的是能够溶于极性较低溶剂如脂肪族烃中以在一定程度上确保膜性能要求的那些稳定剂。作为满足此类条件的分散稳定剂，在(4)和(5)下提及的丙烯酸系共聚物是理想的它们自己不仅能很好地调节分子量、玻璃化转变温度、极性(聚合物SP值)、羟值、酸值和其它参数，而且在耐气候性上表现优异。更理想的是每分子平均含有约0.2-约1.2个可聚合双键的丙烯酸系共聚物，它们已与分散的粒子进行接枝共聚合。
根据本发明使用的非水性分散体型树脂能够容易地在前面所述的聚合物分散稳定剂和有机溶剂(主要含有脂族烃)存在下通过分散体聚合至少一种乙烯基单体来制备。分散稳定剂和乙烯基单体可溶于有机溶剂中。但由乙烯基单体形成的聚合物颗粒不溶于溶剂中。
形成适合作为聚合物分散稳定剂的丙烯酸系共聚物的单体组分和形成分散的粒子的乙烯基单体实际上可以是任何可自由基聚合的不饱和单体。许多种单体能够用于此目的。此类单体的典型实例包括下面这些(a)丙烯酸或甲基丙烯酸的酯类，例如丙烯酸或甲基丙烯酸的C1-18烷基酯，如丙烯酸甲酯、丙烯酸乙酯、丙烯酸丙酯、丙烯酸异丙酯、丙烯酸丁酯、丙烯酸己酯、丙烯酸辛酯、丙烯酸月桂酯、丙烯酸硬脂酯、甲基丙烯酸甲酯、甲基丙烯酸乙酯、甲基丙烯酸丙酯、甲基丙烯酸异丙酯、甲基丙烯酸丁酯、甲基丙烯酸己酯、甲基丙烯酸辛酯、甲基丙烯酸月桂酯和甲基丙烯酸硬脂酯；丙烯酸缩水甘油酯和甲基丙烯酸缩水甘油酯；丙烯酸的或甲基丙烯酸的C2-8链烯基酯，如丙烯酸烯丙酯和甲基丙烯酸烯丙酯；丙烯酸或甲基丙烯酸的C2-8羟烷基酯，如丙烯酸羟乙酯、甲基丙烯酸羟乙酯、丙烯酸羟丙酯和甲基丙烯酸羟丙酯；和丙烯酸或甲基丙烯酸的C3-18链烯基氧基烷基酯，如丙烯酸烯丙基氧基乙酯和甲基丙烯酸烯丙基氧基乙酯。
(b)乙烯基芳族化合物，例如苯乙烯、α-甲基苯乙烯、乙烯基甲苯、对-氯苯乙烯和乙烯基吡啶。
(c)α，β-烯属不饱和酸，例如丙烯酸、甲基丙烯酸、衣康酸和巴豆酸。
(d)丙烯酸或甲基丙烯酸的酰胺，例如丙烯酰胺、甲基丙烯酰胺、N-丁氧基甲基丙烯酰胺、N-羟甲基丙烯酰胺、N-丁氧基甲基甲基丙烯酰胺和N-羟甲基甲基丙烯酰胺。
(e)其它例如丙烯腈、甲基丙烯腈、甲基异丙烯基酮、乙酸乙烯酯、VeoVa单体(Shell Chemicals，Co.，Ltd.的产品；具有含10个碳原子的高度支化结构的合成饱和一元羧酸的混合乙烯基酯)、丙酸乙烯酯、新戊酸乙烯酯、甲基丙烯酸异氰酸根乙基酯，(甲基)丙烯酸全氟环己基酯，对-苯乙烯磺酰胺、N-甲基-对-苯乙烯磺酰胺和γ-甲基丙烯酰氧基丙基三甲氧基硅烷。
在以上提及的单体中，下面物质能够以特别的优势用于制备用作分散稳定剂的丙烯酸系共聚物基于较长链、低极性单体的混合单体，如甲基丙烯酸正丁酯、甲基丙烯酸2-乙基己酯、甲基丙烯酸十二烷基酯，甲基丙烯酸月桂基酯和甲基丙烯酸硬脂酯，根据需要补充苯乙烯，(甲基)丙烯酸甲酯、(甲基)丙烯酸乙酯、(甲基)丙烯酸2-羟乙基酯、(甲基)丙烯酸丙酯和(甲基)丙烯酸。该分散稳定剂可通过将(甲基)丙烯酸缩水甘油酯或甲基丙烯酸异氰酸根乙基酯加成到单体的共聚物中引入可聚合双键来制备。
用作分散稳定剂的丙烯酸系共聚物能够容易地根据已知的溶液聚合方法通过使用自由基聚合引发剂来制备。
分散稳定剂的数均分子量优选是在约1,000到大约50,000范围内并且为获得更好的结果，在大约3,000到大约20,000范围内。
在以上提及的单体中，用于形成分散的聚合物颗粒的特别优选的乙烯基单体主要含有较高极性的单体，如(甲基)丙烯酸甲酯、(甲基)丙烯酸乙酯、(甲基)丙烯酸正丁酯和丙烯腈，根据需要可补充(甲基)丙烯酸和(甲基)丙烯酸2-羟乙基酯。通过共聚合少量的多官能单体，如二乙烯基苯和二甲基丙烯酸乙二醇酯，通过共聚合具有可相互反应的官能团的多种单体，如甲基丙烯酸缩水甘油酯和甲基丙烯酸，或通过共聚合自反应活性单体，如N-烷氧基甲基化丙烯酰胺和γ-甲基丙烯酰氧基丙基三甲氧基硅烷，也有可能提供在分子中已交联的凝胶颗粒。
在进行分散聚合时，分散稳定剂与形成分散粒子的乙烯基单体的比率可选择在大约5/95到大约80/20(按重量计)，优选大约10/90到大约60/40(按重量计)范围内，该分散聚合反应能够通过已知方法在自由基聚合引发剂存在下进行。
尽管所获得的非水性分散体型丙烯酸类树脂的粒度通常是在大约0.05微米至大约2微米之间，但从贮存时间内的稳定性和膜的光泽度、光滑性和耐气候性考虑，在大约0.1微米到大约0.7微米范围内是优选的。
在使用中，双包装涂料组合物的含有多异氰酸酯的第一包装组分和含有蜜胺和环状碳酸酯的第二包装组分刚好在使用之前或在用于形成罐混物(它具有大约10分钟到大约6小时的有限贮存寿命)之前约5-30分钟进行混合。其后，它变得太粘稠而无法通过常规施涂系统如喷涂来施涂。一般由传统方法如喷涂、静电喷涂、辊涂、浸涂或刷涂在基材上施涂一层罐混物。通常，在金属基材如汽车车身上施涂厚度在25微米至75微米范围内的透明涂层，所述基材常常预涂了其它涂层，如电泳涂层、底漆层和第一道涂层。该双包装涂料组合物可在施涂之后在约80℃-160℃下烘烤大约60到10分钟。
当使用含有封闭多异氰酸酯的单包装涂料组合物时，使用前述施涂技术在基材上施涂的它的涂层是在80℃至200℃范围内，优选在80℃至160℃范围内的烘烤温度下固化大约60到10分钟。可以理解的是，实际的烘烤温度将根据催化剂及其用量、被固化层的厚度和封闭异氰酸酯官能团和在涂料组合物中使用的蜜胺来变化。在OEM(原始设备制造，Original Equipment Manufacture)条件下前述烘烤步骤的使用是特别有用的。
本发明的透明涂料组合物适合于在各种基材如金属、木材和混凝土基材上提供透明涂层。本发明的组合物尤其适合于在汽车OEM或汽车整修应用中提供透明涂层。这些组合物也合适在工业和维护涂敷应用中用作透明涂层。
试验程序下面试验方法用于获得在下面的实施例中报告的数据
耐摩擦牢度测定器(Crockmeter)-干耐划伤性。
在平板(它已具有在黑色第一道涂层上的固化透明涂层)上涂敷一薄层Bon Ami磨料，该磨料由密苏里州肯萨斯市的FaultlessStarch/Bon Ami Corporation提供。该透明涂层具有50微米的干涂层厚度。然后用A.A.T.C.C.Crockmeter(耐摩擦牢度测定器)(CM-1型，伊利诺斯州芝加哥市的Atlas Electric Devices Corporation)的生料毡(green felt)包裹的指尖作10次往返摩擦来测试面板的划伤程度。通过测量有涂层平板的已划伤区域对未划伤区域的20°光泽度以光泽保留率的百分数来记录干燥耐划伤性。
摩擦测定器-湿耐划伤性使用与在以上摩擦测定器-干燥耐划伤性中所用类似的方法测试湿耐划伤性，只是所使用的研磨介质是湿矾土淤浆代替Bon Ami磨料。湿矾土淤浆的组成如下
1.缔合增稠剂，由宾夕法尼亚州费城的Rohm and Haas Company提供2.由威斯康辛州密尔沃基市的Aldrich Chemicals提供。3.由宾夕法尼亚州费城的MDC Industries提供的磨料淤浆的PH值保持在7.6-8.0范围内，并且粘度保持在125±10泊(布洛克菲尔德#4芯轴，10rpm)。为了试验湿耐划伤性，在其上含有固化透明涂层的黑色第一道涂层平板上施加0.7ml淤浆。该透明涂层具有40微米的干涂层厚度。然后对涂有淤浆的面板部分用A.A.T.C.C.Crockmeter(摩擦测定器)(CM-1型，Atlas ElectricDevices Corporation)的生料毡(green felt)包裹的指尖作10次往返摩擦来测试划伤程度。通过测量有涂层平板的已划伤区域对未划伤区域的20°光泽度以光泽保留率的百分数来记录湿耐划伤性。
合成酸雨腐蚀性试验制备了具有以下配方的合成雨配制剂阳离子溶液
向前面的溶液中添加去离子水，得到1000g的阳离子溶液。
阴离子溶液
向前面的溶液中添加去离子水，得到1000g的阴离子溶液。
通过将阴离子溶液加入到阳离子溶液中直到达到PH值1为止，制得合成雨。在24小时混合时间之后，PH重新调节至1。
该试验包括将大约0.2m1的合成雨滴撒在预先涂有黑色头道涂层的有试验涂层的表面上[5.08厘米×5.08厘米(2英寸×2英寸)钢板]。然后将板在80℃的梯度烘箱中放置30分钟。利用便携式外形仪(由伊利诺斯州Ralling Meadows的Taylor Hobson Inc.提供的Surtronic 3P外形仪)测量试验涂层上的腐蚀深度(在12个数据点上的平均值)。
本发明在下面实施例中来进一步说明实施例实施例1将下表1中列出的组分加入到装有阱、混合器和冷凝器的5升烧瓶中。该烧瓶用氮气吹扫并在反应过程中保持在氮气层下。将投料加热至140℃后开始蒸馏出馏出液，它主要是在反应过程中产生的乙醇。投料在140℃下保持4小时，回收馏出液。投料的温度逐渐提高至160℃，到结束为止，回收到748.8g馏出液。在冷却阶段，将81g的2-庚酮(MAK)溶剂加入得到含有95％环状碳酸酯的清液。
表1
实施例2将下表2的步骤1中列出的组分加入到装有阱、混合器和冷凝器的12升烧瓶中。该烧瓶用氮气吹扫并在反应过程中保持在氮气层下。投料加热至80℃。在下表2的步骤2中列出的组分进行预混并在30分钟内逐渐加入到投料中。在放热条件下使投料的温度升高至100℃，然后投料在100℃下保持1小时。获取投料的红外线吸收光谱，以确保在步骤2中添加的全部异氰酸酯被消耗。其后，让投料冷却而得到含有90.17(体积)的GPC重均分子量为1884的环状碳酸酯的清液。
表2
1.由Hunstman公司，Austin，Texas提供2.由Air Products公司，Allentown，Pennsylvania提供3.由Bayer公司，Pittsburgh，Pennsylvania提供实施例1和2的环状组分用于生产本发明的涂料组合物。将下面列于表3中的原料加入以生产实施例3、4、5和6的涂料组合物
表3
Cymel1158，327，350蜜胺系列，由Cytec Industries，WestPatterson，New Jersey提供。Tinuvin292 & 384光稳定剂，由Ciba Specialty Chemicals，Tarrytown，New York提供。BYK301流动添加剂，由BYK Chemie，Wallingford，Connecticut提供。聚酯多元醇是1mol二羟甲基丙酸、2mol己内酯、0.41mol季戊四醇的反应产物，具有10,000 GPC重均分子量@，80％n.v.二月桂酸二丁基锡，由Air Products Corp.Allentown，Pennsylvania提供。DesmodurN3300多异氰酸酯，由Bayer Corporation Pittsburgh，Pennsylvania提供。酸式磷酸苯基酯，由King Industries，Norwalk，Connecticut提供。
在涂有电泳涂层和底漆层的磷酸盐处理钢板(该钢板预先涂有强制干燥的水性第一道涂层)上施加实施例3、4、5和6的涂料组合物的涂层，并在140℃下烘烤固化30分钟而在其上形成了40微米干漆膜厚度的涂层。为了对比，也按照相同方式制备了由DuPont公司，Wilmington，Delaware提供的常规市售双包装涂料组合物(ImronES聚氨酯)的涂层。
对实施例3、4、5、6和对比实施例1(Comp.Ex.1)的涂层测试漆膜性能。所获得的结果描述在下表4中表4
从前面表4中能够看出，本发明的透明涂料组合物不仅在高固含量下获得透明涂料组合物，而且还提供优异的物理性能，如耐划伤性。
本申请人意外发现当环状碳酸酯加入到蜜胺/异氰酸酯组分组合物中时涂层性能得到惊人地大幅度改进，这可从通过添加下表5中列出的原料所制备的实施例7和对比实施例2的涂层性能看出表5
碳酸亚丁基酯，由Huntsman公司Austin，Texas提供。Cymel1158 & Cymel327，由Cytec公司，West Patterson，NewJersey提供。Tinuvin292/384溶液，由Ciba Chemicals，Tarrytown，New York提供(13.3％Tinuvin292 & 26.67％Tinuvin384在溶剂中的溶液)。聚酯树脂，是1mo1二羟甲基丙酸、2molε-己内酯和0.27mol季戊四醇的缩合产物。TolonateHDTLV，购自Rhodia Co.Freeport Texas酸溶液#1是25％酸式磷酸苯基酯。酸溶液#2是33％2-氨基-2-甲基-正丙醇胺封闭的十二烷基苯磺酸，由King Industry，Norwalk，Connecticut提供。
测试实施例7涂层的漆膜性能。对比实施例2(Comp.Ex.2)没有进行测试，因为太粘稠而无法喷涂。所获得的结果描述在下表6中
表6
从以上结果能够容易地看出，对于同样的固含量(87.8％)，添加碳酸酯组分对成膜性、涂层外观和涂层性能有显著效果。
权利要求
1.包含异氰酸酯、环状碳酸酯和蜜胺组分的透明涂料组合物，其中所述异氰酸酯组分包含具有平均2-6个异氰酸酯官能团的脂肪族多异氰酸酯。
2.权利要求1的组合物，其中所述异氰酸酯官能团通过使该官能团与单体醇反应而被封闭。
3.权利要求2的组合物，其中所述单体醇是脂族醇。
4.权利要求1的组合物，其中所述环状碳酸酯组分包含至少一种含有一个或多个五元或六元环的环状碳酸酯。
5.权利要求1或2的组合物，其中所述组合物进一步包含一种或多种有机锡或酸催化剂。
6.权利要求5的组合物，其中所述有机锡催化剂选自二乙酸二丁基锡、二月桂酸二丁基锡、辛酸亚锡和它们的混合物。
7.权利要求5的组合物，其中所述酸催化剂选自十二烷基苯磺酸、用胺封闭的十二烷基苯磺酸、对甲苯磺酸、用胺封闭的对甲苯磺酸、酸式磷酸苯基酯、用胺封闭的酸式磷酸苯基酯、二壬基萘磺酸、用胺封闭的二壬基萘磺酸以及它们的混合物。
8.权利要求7的组合物，其中所述胺是二甲基噁唑烷、2-氨基-2-甲基-1-丙醇、N，N-二甲基乙醇胺或它们的混合物。
9.权利要求5、6或7的组合物，其中所述组合物包含0.001％至5.0％的催化剂，所有百分数是以组合物固体的总重量为基础计的重量百分数。
10.权利要求1的组合物，其中所述多异氰酸酯包含六亚甲基二异氰酸酯、异佛尔酮二异氰酸酯、间-四甲基亚二甲苯基二异氰酸酯或它们的混合物的一种或多种三聚体。
11.权利要求1、2或6的组合物，包含30％-70％的所述多异氰酸酯，其中所有百分数是以组合物固体的总重量为基础计的重量百分数。
12.权利要求1、2或10的组合物，其中所述多异氰酸酯含有平均2.5至6个异氰酸酯官能团。
13.权利要求1的组合物，其中蜜胺组分包含单体蜜胺、聚合物蜜胺或它们的混合物。
14.权利要求1或13的组合物，包含10％-45％的所述蜜胺组分，其中所有百分数是以组合物固体的总重量为基础计的重量百分数。
15.权利要求1的组合物，进一步包含流动改性树脂。
16.权利要求1的组合物，包含5％-40％所述碳酸酯组分，所有百分数是基于组合物固体的总重量的重量百分数。
17.权利要求1的组合物，其为双包装组合物形式，其中该双包装组合物的第一包装组分包含多异氰酸酯组分而双包装组合物的第二包装组分包含蜜胺和环状碳酸酯组分。
18.权利要求1的组合物，其中所述组合物的VOC是在每升组合物0.0-0.472千克有机溶剂的范围内变化。
19.权利要求1的透明涂料组合物，其中从所述组合物形成的在基材上的透明涂层的DOI等级至少为80。
20.权利要求1的组合物，进一步包含紫外线光稳定剂、吸光剂或它们的混合物。
21.制备在基材上的透明涂层的方法，它包括施涂一层包含异氰酸酯、环状碳酸酯和蜜胺组分的透明涂料组合物，其中所述异氰酸酯组分包含具有平均2-6个异氰酸酯官能团的脂肪族多异氰酸酯；和将该层固化成透明涂层。
22.权利要求21的方法，其中所述涂层的DOI等级至少为80。
23.权利要求21的方法，其中所述涂层具有的20°光泽至少为80。
24.权利要求21的方法，其中所述多异氰酸酯的异氰酸酯官能团通过使该多异氰酸酯与单体醇反应而被封闭。
25.权利要求24的方法，其中所述涂层的固化是在80℃到160℃范围内的升高的烘烤温度下进行的。
26.权利要求21的方法，其中所述环状碳酸酯组分包含至少一种含有一个或多个五元或六元环的环状碳酸酯。
27.权利要求21的方法，其中所述组合物包含5％-40％所述碳酸酯组分，所有百分数是基于组合物固体的总重量的重量百分数。
全文摘要
本发明提供了耐腐蚀和耐划伤性的低VOC透明涂料组合物,最适合在多层OEM或汽车整修涂层中用作表层透明涂层。该涂料组合物包括异氰酸酯,碳酸酯和蜜胺组分。该异氰酸酯组分包括脂肪族多异氰酸酯。该组合物可配制成双包装或单包装涂料组合物,其中异氰酸酯官能团用封闭剂如一元醇封闭。
文档编号C08G18/38GK1344301SQ00805130
公开日2002年4月10日 申请日期2000年3月16日 优先权日1999年3月17日
发明者I·纳加塔, P·W·乌利尔努克 申请人:纳幕尔杜邦公司