醇酸树脂的合成工艺.docx

1、醇酸树脂的合成工艺第三章醇酸树脂第一节概述多元醇和多元酸可以进行缩聚反应，所生成的缩聚物大分子主链上含有许多酯基（- Coo -），这种聚合物称为聚酯。涂料工业中，将脂肪酸或油脂改性的聚酯树脂称为醇酸树 脂（alkyd resin ）,而将大分子主链上含有不饱和双键的聚酯称为不饱和聚酯, 其它的聚酯则称为饱和聚酯。这三类聚酯型大分子在涂料工业中都有重要的应用。醇酸树脂涂料具有漆膜附着力好、光亮、 丰满等特点，且具有很好的施工性。但其涂膜较软，耐水、耐碱性欠佳。醇酸树脂可与其他树脂（如硝化棉、氯化橡胶、环氧树脂、丙烯 酸树脂、聚氨脂树脂、氨基树脂）配成多种不同性能的自干或烘干漆， 广泛用于桥梁等

2、建筑物以及机械、车辆、船舶、飞机、仪表等涂装。此外，醇酸树脂原料易得、工艺简单，符合 可持续发展的社会要求。目前，醇酸漆仍然是重要的涂料品种之一， 其产量约占涂料工业总量的2025。第二节醇酸树脂的分类一、 按改性用脂肪酸或油的干性分(1） 干性油醇酸树脂：由高不饱和脂肪酸或油脂制备的醇酸树脂,可以自干或低温烘干，溶剂用200号溶剂油.该类醇酸树脂通过氧化交联干燥成膜 ，从某种意义上来说 ，氧化干燥的醇酸树脂也可以说是一种改性的干性油。干性油漆膜的干燥需要很长时间 ，原因是它们的相对分子质量较低,需要多步反应才能形成交联的大分子。 醇酸树脂相当于“大 分子的油,只需少许交联点，即可使漆膜干燥，

3、漆膜性能当然也远超过干性油漆膜。（2） 不干性油醇酸树脂：不能单独在空气中成膜，属于非氧化干燥成膜 ，主要是作增 塑剂和多羟基聚合物（油)。用作羟基组分时可与氨基树脂配制烘漆或与多异氰酸酯固化剂 配制双组分自干漆。（3) 半干性油醇酸树脂:性能在干性油、不干性油醇酸树脂性能之间。二、 按醇酸树脂油度分包括长油度醇酸树脂、短油度醇酸树脂、中油度醇酸树脂。油度表示醇酸树脂中含油量的高低.油度（OL）的含义是醇酸树脂配方中油脂的用量（ W0 ）与树脂理论产量(Wt )之比。其计算公式如下：OL=W） W(（ %以脂肪酸直接合成醇酸树脂时,脂肪酸含量（ OLf)为配方中脂肪酸用量（ Wf ）与树脂理论

4、产量之比。W=单体用量一生成水量=甘油(或季戊四醇） 用量+油脂(或脂肪酸） 用量-生成水量OLf =WfWJ（%）为便于配方的解析比较，可以把OLf换算为OL。油脂中，脂肪酸基含量约为 95 ,所以：OLf =OL 0.95（%）引入油度（OL ）对醇酸树脂配方有如下的意义:(1)表示醇酸树脂中弱极性结构的含量 。因为长链脂肪酸相对于聚酯结构极性较弱,弱极性结构的含量，直接影响醇酸树脂的可溶性 ，如长油醇酸树脂溶解性好，易溶于溶剂汽油,中油度醇酸树脂溶于溶剂汽油二甲苯混合溶剂,短油醇酸树脂溶解性最差,需用二 甲苯或二甲苯/酯类混合溶剂溶解 ;同时,油度对光泽、刷涂性、流平性等施工性能亦有 影

5、响，弱极性结构含量高,光泽高、刷涂性、流平性好;(2)表示醇酸树脂中柔性成分的含量 ，因为长链脂肪酸残基是柔性链段 ,而苯酐聚酯 是刚性链段，所以，OL也就反映了树脂的玻璃化温度 （Tg)，或常说的 “软硬程度” 油度长时硬度较低，保光、保色性较差。醇酸树脂的油度范围见下表：油度长油度中油度短油度油量/% 6040 60V 40苯酐量/V 3030 35 35例题：某醇酸树脂的配方如下：亚麻仁油：100.00g ；氢氧化锂(酯交换催化剂）：0。400g ;甘油（98)： 43。00g;苯酐 (99.5%） : 74。50g （其升华损耗约2%）.计算所合成树脂的油度。解：甘油的相对分子质量为

6、92,固其投料的物质的量为： 43 98 92=0。458(mol)含羟基的物质的量为: 3 0。458= 1.374(mol)苯酐的相对分子质量为 148,因为损耗2%,故其参加反应的物质的量为：74.50 99。5 %（ 1 2) 148=0.491（mol)其官能度为2，故其可反应官能团数为: 2 0.491= 0。982（mol）因此，体系中羟基过量,苯酐（即其醇解后生成的羧基）全部反应生成水量为： 0.491 18 = 8。835g生成树脂质量为：100。0+ 43。00 98%+ 74.5（ 1 2） 8.835= 205.945 (g) 所以 油度=100/205。945=49%

7、第三节醇酸树脂的合成原料一、多元醇制造醇酸树脂的多元醇主要有丙三醇(甘油) 、三羟甲基丙烷、三羟甲基乙烷、季戊四醇、乙二醇、1 ， 2丙二醇、1， 3-丙二醇等.其羟基的个数称为该醇的官能度，丙三醇为 3官能度醇，季戊四醇为四官能度醇。根据醇羟基的位置，有伯羟基、仲羟基和叔羟基之分。 它们分别连在伯碳、仲碳和叔碳原子上。羟基的活性顺序为：伯羟基仲羟基叔羟基常见多元醇的物性见下表 ：单体名称结构式相对分子质量溶点(沸点)/ C密度/（gcm3）丙三醇（甘油)HoCH 2CH(OH)CH 2OH92.0918（290）1。26三羟甲基丙烷CH 3CH 2C（CH 2OH） 3134。1256 59

8、 （ 295）1.1758季戊四醇C（CH 2OH) 4136.15189（260）1.38乙二醇HO(CH 2)2OH62.0713。3（197.2）1。12二乙二醇HO（CH 2)2O(CH 2)2OH106.12-8。3(244.5）1.118用三 口热稳定性，与氨基树脂有良好的相容性。此外还具有色泽鲜艳、保色力强、耐热及快干的优点。乙 二醇和二乙二醇主要同季戊四醇复合使用，以调节官能度，使聚合平稳，避免胶化.二、有机酸有机酸可以分为两类:一元酸和多元酸。一元酸主要有：苯甲酸、松香酸以及脂肪酸(亚麻油酸、妥尔油酸、豆油酸、菜籽油酸、 椰子油酸、蓖麻油酸、脱水蓖麻油酸等） ；多元酸包括：邻

9、苯二甲酸酐（ PA)、间苯二甲酸（IPA）、对苯二甲酸（TPA）、顺丁烯二酸酐(MA）、己二酸（AA）、癸二酸(SE）、偏苯三酸酐（TMA )等。多元酸单体中以邻苯二甲酸 酐最为常用，引入间苯二甲酸可以提高耐候性和耐化学品性, 但其溶点高、活性低，用量不能太大；己二酸（AA）和癸二酸（SE）含有多亚甲基单元,可以用来平衡硬度、韧性及抗冲击性； 偏苯三酸酐（TMA )的酐基打开后可以在大分子链上引入羧基，经中和可以实现树脂的水 性化，用作合成水性醇酸树脂的水性单体。一元酸主要用于脂肪酸法合成醇酸树脂，亚麻油酸、桐油酸等干性油脂肪酸感性较好, 但易黄变、耐候性较差；豆油酸、脱水蓖麻油酸、菜籽油酸、

10、妥尔油酸黄变较弱，应用较广 泛；椰子油酸、蓖麻油酸不黄变，可用于室外用漆和浅色漆的生产. 苯甲酸可以提高耐水性，由于增加了苯环单元,可以改善涂膜的干性和硬度，但用量不能太多，否则涂膜变脆。一些有机酸物性见下表：单体名称状态（25C)相对分子质量溶点/ C酸值/（mgKOH/g )碘值苯酐（PA）固148.11131785间苯二甲固166.13330676酸（IPA）顺丁烯二固98。0652。6（199.7)1145酸酐(MA)己二酸固146.14152768(AA）癸二酸（SE)固202. 24133偏苯三酸固192165876.5酐（TMA）苯甲酸固122122460松香酸固340 7016

11、5桐油酸Ca型 48。5、固280型71180220豆油酸液285195202135亚麻油酸液280180220脱水篦麻液293187195138油酸143菜油酸液120285195202130妥尔油酸105液310180130椰子油酸液208263275911篦麻油酸液3101751858593二聚酸液566190198三、油脂油类有桐油、亚麻仁油、豆油、棉籽油、妥尔油、红花油、脱水蓖麻油、蓖麻油、椰子 油等。植物油是一种三脂肪酸甘油酯. 三个脂肪酸一般不同，可以是饱和酸、 单烯酸、双烯酸或三烯酸，但是大部分天然油脂中的脂肪酸主要为十八碳酸, 也可能含有少量月桂酸(十二碳酸）、豆蔻酸（十四碳

12、酸）和软脂酸（十六碳酸）等饱和脂肪酸，脂肪酸受产地、气候甚 至加工条件的重要影响。重要的不饱和脂肪酸有:油酸(十八碳烯-9-酸)：Ch3(Ch2)7CH=CH(CH2)7COOH亚油酸（十八碳二烯 9，12酸） ： CH3（CH2)4CH =CHCH 2CH =CH（CH 2)7COOH 亚麻酸（十八碳三烯9，12，15-酸）：CH3CH2CH =CHCH2CH =CHCH2CH =CH（CH2)7COOH桐油酸（十八碳三烯9，11，13-酸)：CH3（CH2)3CH = CHCH = CHCH =CH(CH 2)7COOH 蓖麻油酸(12-羟基十八碳烯9-酸）:CH3（CH2)5CH（OH)

13、CH 2CH = CH(CH 2）7COOH因此，构成油脂的脂肪酸非常复杂，植物油酸是各种饱和脂肪酸和不饱和脂肪酸的混合 物.油类一般根据其碘值将其分为：干性油、不干性油和半干性油。干性油：碘值 140，每个分子中双键数 6个；不干性油：碘值 100,每个分子中双键数V 4个；半干性油：碘值 100 140,每个分子中双键数 46个。(1)油脂的质量指标1外观、气味：植物油一般为清澈透明的浅黄色或棕红色液体，无异味，其颜色色号 小于5号.若产生酸败，则有酸臭味，表示油品变质,不能使用.2密度:油比水轻，大多数都在 0。900.94 g/cm 3之间。3粘度：植物油的黏度相差不大。但是桐油由于含

14、有共轭三烯酸结构，黏度较高；篦 麻油含羟基,氢键的作用使其黏度更高。4酸价：酸价用来测量油脂中游离酸的含量。通常以消耗一克油中所含的酸，所需的氢氧化钾之量来计量.合成醇酸树脂的精制油的酸价应小于 5。0 mg KOHg(油）.5皂化值和酯值：皂化 1g油中全部脂肪酸所需 KoH的毫克数为皂化值；将皂化 1g油 中化合脂肪酸所需 KoH的毫克数称为酯值.皂化值=酸值+酯值6不皂化物:皂化时，不能与 KOH反应且不溶于水的物质。主要是一些高级醇类、烃类等.这些物质影响涂膜的硬度、耐水性。7热析物：含有磷脂的油料(如豆油、亚麻油)中加入少量盐酸或甘油,可使其在高 温下（240 280C）凝聚析出.8

15、碘值：100g油能吸收碘的克数.它表示油类的不饱和程度，也是表示油料氧化干燥 速率的重要参数.为使油品的质量合格， 适合醇酸树脂的生产, 合成醇酸树脂的植物油必须经过精制才能 使用.否则会影响树脂质量甚至合成工艺。精制方法包括碱漂和土漂处理，俗称“双漂”。 碱漂主要是去除油中的游离酸、磷脂、蛋白质及机械杂质，也称为“单漂。“单漂”后的 油再用酸性漂土吸附掉色素(即脱色）及其它不良杂质，才能使用.目前最常用的精制油品为豆油、 亚麻油和蓖麻油。 亚麻油属干性油,故干性好,但保色性差、涂膜易黄变.蓖麻油为不干性油，同椰子油类似，保色保光性好。大豆油取自大豆种 子,大豆油是世界上产量最多的油脂。 大豆

16、毛油的颜色因大豆的品种及产地的不同而异。般为淡黄、略绿、深褐色等。精炼过的大豆油为淡黄色.大豆油半干性油，综合性能较好。常见的植物油的主要物性见下表：油品酸值碘值皂化值密度 /（gcm 3,20 C)色泽/号（铁钻比色法）桐油6 91601731901950.936 9120。940亚麻油141751971841950。97 0.938912豆油141201431851950。921 9120。928松浆油(妥141301901950。936 16尔油)0.940脱水蓖麻151251451881950.926 6油0。937棉籽油151001161891980。917 120。924篦麻油24

17、81 911731880.955 9120。964椰子油147.5 10。52532680。917 40。919四、催化剂若使用醇解法合成醇酸树脂， 醇解时需使用催化剂。 常用的催化剂为氧化铅和氢氧化锂（LioH)，由于环保问题，氧化铅被禁用。醇解催化剂可以加快醇解进程，且使合成的树脂 清澈透明。其用量一般占油量的 0。02 .聚酯化反应也可以加入催化剂，主要是有机锡类。如二月硅酸二丁基锡、二正丁基氧化锡等。五、催干剂干性油(或干性油脂肪酸）的“干燥过程是氧化交联的过程.该反应由过氧化氢键开 始，属连锁反应机理。ROOH_ RO +HORO CH= CH- CH CH= CHAJ (R） E

18、CH= CH- H CH CH H（R ）+ROHR + Q FOOROO + _= R+rooh ROOH- FO = + HO体系中形成的自由基通过共价结合而交联形成体形结构。R + R R2- RRO = +r - RORRO - +RO ROOR上述反应可以自发进行， 但速率很慢，需要数天才能形成涂膜， 其中过氧化氢物的均裂为速率控制步骤。加入催干剂（或干料）可以促进这一反应，催干剂是醇酸涂料的主要助剂 其作用是加速漆膜的氧化、聚合、干燥 ,达到快干的目的。通常催干剂又可再细分为两类。(1)主催干剂：也称为表干剂或面干剂,主要是钴、锰、钒 (V）和铈（Ce)的环烷酸（或异辛酸)盐，以钴

19、、锰盐最常用，用量以金属计为油量的 0。020。2%。其催干机理是与过氧化氢构成了一个氧化-还原系统,可以降低过氧化氢分解的活化能。ROOH + Co 2+-Co3+ + RO + HO ROOH + Co 3+ Co2+ + ROO + H +H+ + HO- H2O同时钴盐也有助于体系吸氧和过氧化氢物的形成。 主催干剂传递氧的作用强,能使涂料表干加快,但易于封闭表层，影响里层干燥,需要助催干剂配合.(2)助催干剂：也称为透干剂，通常是以一种氧化态存在的金属皂,它们一般和主催干剂并用，作用是提高主干料的催干效应，使聚合表里同步进行，如钙 (Ca)、铅(Pb)、锆(Zr ）、锌（Zn）、钡(B

20、a）和锶（Sr)的环烷酸(或异辛酸）盐,助催干剂用量较高，其用量以 金属计为油量的 0。5%左右。使用钴-锰-钙复合体系, 效果很好。一些商家提供复合好的干料， 下游配漆非常方便.传统的钴、锰、铅、锌、钙等有机酸皂催干剂品种繁多，有的色深，有的价高,有的有 毒.近年开发的稀土催干剂产品，较好地解决了上述问题，但也只能部分取代价昂物稀的钴 剂.开发新型的完全取代钴的催干剂,一直是涂料行业的迫切愿望。第四节合成醇酸树脂的反应原理甘油和苯酐的摩尔比按 2 : 3投料，则该体系的的平均官能度为： (2 3 + 3 2) / (2+ 3) = 2.4，其CrotherS凝胶点为PC= 2/2.4 = 0

21、。833,因此，若官能团的反应程度超过凝胶点， 就生成体型结构缩聚物.其结构可表示如下：O Il - O -CH CH- CH 2一 O- CO OIl IlC-O CH- CH- CH2 O C C-O -CH2 CHCH2- OC 这种树脂遇热不融，亦不能溶于有机溶剂，具有热固性,不能用作成膜物质。所以制造醇酸树脂时先将甘油与脂肪酸酯化或甘油与油脂醇解生成单脂肪酸甘油酯,使甘油由 3官能度变为2官能度，然后再与 2官能度的苯酐缩聚。此时体系为 22线型缩聚体系，苯酐、甘油、脂肪酸按 1:1:1摩尔比合成醇酸树脂的理想结构为：上述大分子链中引入了脂肪酸残基， 降低了甘油的官能度， 同时也使大

22、分子链的规整度、 结 晶度、极性降低，从而提高了漆膜的透明性、光泽和柔韧性和施工性.若使用干性脂肪酸（或 干性油)，则在催干剂的作用下，可在空气中进一步发生氧化聚合、干燥成膜。第五节醇酸树脂的配方设计合成醇酸树脂的反应是很复杂的。 根据不同的结构、 性能要求制备不同类型的树脂， 首先要拟定一个适当的配方，合成的树脂既要酸值低、分子量较大、 使用效果好，又要反应平稳、不致胶化。配方拟定还没有一个十分精确的方法, 必须将所订配方反复实验、 多次修改，才能用于生产.目前,有一种半经验的配方设计方案，程序如下.(1）根据油度要求选择多元醇过量百分数，确定多元醇用量。油长（%) 65 65 606055

23、55-5050404030甘油过量()0 0 010101515252535季戊四醇（)0 - 5 5 15152020303040多元醇用量=酯化1摩尔苯酐多元醇的理论用量（1+多元醇过量百分数)使多元醇过量主要是为了避免凝胶化。 油度约小,体系平均官能度越大, 反应中后期越易胶化，因此多元醇过量百分数越大.(2)由油度概念计算油用量油量=油度（树脂产量一生成水量）(3)由固含量求溶剂量(4)验证配方.即计算 f、PCO例1 现设计一个60油度的季戊四醇醇酸树脂(豆油：梓油= 9: 1)，醇过量10, 固体含量55o 200号溶剂汽油：二甲苯=9 : 1.已知工业季戊四醇的当量为 35。5。

24、计算 其配方组成。解:以1摩尔苯酐为基准工业季戊四醇的用量为: 2 （ 1 + 0。1 ) 35。5 = 78。1 （g)1摩尔苯酐完全反应生成水量： 18g由油度概念可得:油脂用量= 60%(苯酐量+季戊四醇量生成水量 ）/（1 60% ）=60(148+ 78.1 18)/（1 60 ） = 312.15 (g)因此豆油用量=312。15 90= 280.94 (g）梓油用量=312.15 10%= 31。22 (g）理论树脂产量=苯酐量+季戊四醇量+油脂量生成水量=148+ 78.1 + 312。15 18= 520。25 （g）溶剂用量=（1 55） 520.25/55 = 425.6

25、6 （g）溶剂汽油用量=425.66 90= 383。09 （g)二甲苯用量=425。66 10= 42.57 ( g)配方核算主要是计算体系的平均官能度和凝胶点。此时，应将 1摩尔油脂分子视为 1摩尔甘油和三摩尔脂肪酸。将配方归入下表：原料用量（g)相对分子质量摩尔数官能度豆油280.948790。319豆油中甘油0.3193豆油中脂肪酸30.3191梓油31。228460。0369梓油中甘油0。03693梓油中脂肪酸30。03691工业季戊四醇78。11420.5504苯酐148.01481。0002配方中羟基过量。故平均官能度为：2（ 3 0.319 + 3 0。0369 + 2 1.0

26、00 ) /（0。319+3 0。319+0。0369+3 0。0369+0550+1000) = 2。063PC = 2/2.063 = 0。969不易凝胶。第六节合成工艺醇酸树脂的合成工艺按所用原料的不同可分为( 1）醇解法;(2)脂肪酸法.从工艺上可以分为（1）溶剂法；(2)融融法。融融法设备简单、利用率高、安全，但产品色深、结 构不均匀、批次性能差别大、工艺操作较困难，主要用于聚酯合成。醇酸树脂合成主要采用 溶剂法生产。溶剂法中常用二甲苯的蒸发带出酯化水， 经过分水器的油水分离后重新流回反应釜，如此反复，推动聚酯化反应的进行，生成醇酸树脂。釜中二甲苯用量决定反应温度， 存在如下关系。表

27、35二甲苯用量与反应温度的关系二甲苯用量/%1087543反应温度/0C188195200210205215220230230240240255醇解法与脂肪酸法则各有优缺点。详见表 3-5.表3-5醇解法与脂肪酸法的比较醇解法脂肪酸法优点(1）成本较低(1)配方设计灵活，质量易控（2）工艺简单易控（2)聚合速度较快(3）原料腐蚀性小(3)树脂干性较好、涂膜较硬缺点（1）酸值不易下降(1）工艺较复杂，成本咼（2）树脂干性较差、涂膜(2）原料腐蚀性较大较软(3）脂肪酸易凝固,冬季投料困难目前国内两种方法皆有应用，脂肪酸法呈上升趋势。一、醇解法醇解法是醇酸树脂合成的重要方法。由于油脂与多元酸(或酸酐

28、)不能互溶，所以用油脂合成醇酸树脂时要先将油脂醇解为不完全的脂肪酸甘油酯 (或季戊四醇酯)，不完全的单酯含量是脂肪酸甘油酯是一种混和物，其中含有单酯、双酯和没有反应的甘油及油脂， 个重要指标，影响醇酸树脂的质量。其反应如下:1醇解醇解时要注意甘油用量、催化剂种类和用量及反应温度， 以提高反应速度和甘油一酸酯含量。此外,还要注意以下几点：(1） 用油要经碱漂、土漂精制，至少要经碱漂。(2） 通入惰性气体保护（CO2或N2)，也可加入抗氧剂,防止油脂氧化。（3） 常用LiOH作催化剂，用量为油量的 0.02%左右。(4） 醇解反应是否进行到应有深度，须及时用醇容忍度法检验以确定其终点。用季戊四醇醇解时，由于其官能度大、溶