【集萃網(wǎng)觀察】二、醇酸樹脂
醇酸樹脂(Alkyd Resin)是三十年代進(jìn)入工業(yè)生產(chǎn)的,主要用于涂料工業(yè)。它的親水性使之在油墨中的應(yīng)用受到很大限制,比起酚醛樹脂來,它不是個(gè)受寵的產(chǎn)品,近來則由于引入了異(間)苯二甲酸等材料,故使之在油墨工業(yè)中地位又有所提高。
醇酸樹脂應(yīng)用在漿狀油墨中時(shí),可以考慮為一種樹脂增塑劑,由于它的粘附性和柔韌性,故也可調(diào)節(jié)油墨的干性及固著時(shí)間。
在油型油墨中使用醇酸樹脂時(shí)一般應(yīng)考慮到它與顏料的反應(yīng)性,與硬樹脂的反應(yīng)性以及它的成膜性能。高羥值、低粘度的醇酸樹脂,對(duì)顏料具有非常好的潤濕性能。異苯二甲酸醇酸樹脂的潤濕性則更為顯著。以醇酸樹脂與硬樹脂制造的連結(jié)料配制油墨時(shí),對(duì)選用的顏料應(yīng)加注意,如果顏料能過度的吸收低分子量的連結(jié)料時(shí),就要注意到連結(jié)料中硬樹脂與醇酸樹脂的平衡情況。
一般漿狀油墨中大多采用長油(65%)醇酸樹脂。油長長者一般溶解性也比較好,因此,它在絲網(wǎng)(網(wǎng)孔)版油墨中也廣有應(yīng)用。
這類樹脂用在印鐵油墨中時(shí)具有良好的顏色保留性,亮光好,粘附性優(yōu)良。
短、中油度的醇酸樹脂(用干性油或半干性油改性)則可用于空氣干燥和烘烤干燥的體系中。
在相同的油長時(shí),多元醇的官能度增加,則其干性也增加,油長長則成膜的柔韌性好。高酸值(如大于12)高粘度的醇酸樹脂則與堿性顏料有反應(yīng)性,但潤濕性好,溶劑釋放性快,固著優(yōu)良。
一般地說,鄰位,間位、對(duì)位的苯二甲酸酐醇酸樹脂,它們的干性是越來越快,而成膜的柔韌性則越來越差(即后者比前者差)。
醇酸樹脂就是醇和酸的酯化反應(yīng)產(chǎn)物,從官能度概念出發(fā),只有當(dāng)兩種化合物都各有兩個(gè)(或更多)官能度時(shí),才能形成高分子化合物,如其中有一個(gè)是單官能的,則也不可能形成高分子化合物,所以,醇酸樹脂是由多元酸和多元醇縮聚反應(yīng)而成的。
理論上講,用二元酸和二元醇是最理想的材料。但由于來源及價(jià)格等問題,涂料及油墨工業(yè)一般還是采用苯二甲酸酐及甘油或季戊四醇作原料。典型的反應(yīng)是苯二甲酸酐和甘油。開始時(shí),酸值降得很快,這是酸酐結(jié)構(gòu)造成的,苯二甲酸酐與甘油反應(yīng)時(shí),首先生成酸性單脂和雙脂。隨著反應(yīng)的繼續(xù)進(jìn)行,克分子比由三個(gè)苯二甲酸酑比兩個(gè)甘油時(shí),就生成無油醇酸樹脂,當(dāng)混合物的酸值小于136時(shí),甘油的羥基全部和苯二甲酸酐所反應(yīng),成品就膠結(jié)。
醇和酸酯化反應(yīng)生成的高分子化合物,一般都叫聚酯(樹脂),故醇酸樹脂也是聚酯樹脂的一種,差別在子它的組成中含有很大一部分一元(脂肪)酸。
醇酸樹脂的反應(yīng),是形成樹脂的反應(yīng)中最多能的反應(yīng),幾乎沒有一個(gè)樹脂能像它那樣千變?nèi)f化,和以其它聚合物進(jìn)行化學(xué)、物理改性的本領(lǐng)。
純醇酸樹脂由于親水,溶解性差,與植物油不溶,拼混性不好,易于膠凝等,故甚少使用。為了改善其應(yīng)用性能,一般要用植物油,松香,以及其它合成樹脂等進(jìn)行改性。油墨工業(yè)主要使用的是植物油改性的。根據(jù)樹脂中油含量的百分比一般分成短油,中油,長油三種,但有的還細(xì)分成中短油,中長油等規(guī)格。
所以完全根據(jù)油含量的分法也不是那么嚴(yán)格的。因?yàn)檎f法不一,而鄰苯二甲酸酐的含量,說法卻比較統(tǒng)一。如:
短油醇酸 含鄰苯二甲酸酐 40—50%
中油醇酸 含鄰苯二甲酸酐 30一40%
長油醇酸 含鄰苯二甲酸酐 20—30%
為此,改性醇酸樹脂的油長,以及油或脂肪酸的碘值等與樹脂的特性之間的關(guān)系等,有關(guān)油長的說法,有個(gè)基本概念就可以了。
(一)改性醇酸樹脂的生產(chǎn)方法。
以植物油改性的醇酸樹脂的生產(chǎn)方法有兩種:即脂肪酸法和單甘油酯(醇解)法。這兩種方法的加工,可以用直接加熱熔融(熔融法)或在溶劑(如二甲苯)存在下進(jìn)行(溶劑法)。
脂肪酸法:此法之優(yōu)點(diǎn)是多元醇的使用比較自由。脂肪酸的使用也較自由(即可任意拼混,無嚴(yán)格限制)。缺點(diǎn)是設(shè)備耐酸要求高,冬天脂肪酸容易凝固,儲(chǔ)存中容易變色等。
使一克分子甘油和一克分子脂肪酸進(jìn)行反應(yīng)。這樣使甘油失去一個(gè)活性,等于一個(gè)二元醇,它再與鄰苯二甲酸酑化合時(shí),就不會(huì)形成網(wǎng)狀膠結(jié)了。
生產(chǎn)工藝有幾種不同的方式:
(1)將脂肪酸與甘油在200—210℃的溫度下反應(yīng)2—3小時(shí),制成不完全的甘油酯。然后再加入鄰苯二甲酸酐,在210℃左右反應(yīng)至所需之酸值(低于20)與粘度止。
(2)將甘油加熱至110℃,漸漸加入鄰苯二甲酸酐,升溫至150—160℃,再加入脂肪酸,保持約二小時(shí),再升溫至210—250℃反應(yīng)至所需之酸值與粘度。
(3)將全部原料加在一起,升溫至210—250℃,反應(yīng)至所需之粘度與酸值。
單甘油酯(醇解)法:在這個(gè)方法中,如果將油和其它原料一起加熱反應(yīng),則甘油和鄰苯二甲酸酐會(huì)先行反應(yīng)而形成甘油苯二甲酸酯,它能溶于脂肪酸而不溶于油,結(jié)果造成酯,油分層。所以生產(chǎn)時(shí)一般先將油轉(zhuǎn)變成單甘油酯,這樣就可得到均勻的反應(yīng)。這就是醇解,即將油和甘油在接觸劑存在下加熱進(jìn)行酯交換的反應(yīng)。
醇解終點(diǎn),以一分反應(yīng)物加三分甲醇混合后透明為度,工業(yè)生產(chǎn)上都以此法控制醇解終點(diǎn)。實(shí)際上它不能說明醇解是否已達(dá)到平衡,不能說明醇解混合物中,甘油一酸酯與二酸酯的數(shù)量。比較科學(xué)的方法是測(cè)定醇解混合物的介電常數(shù)。工業(yè)上尚未廣泛使用。
使用醇解催化劑生產(chǎn)醇酸樹脂是比較新的方法,這可以保證醇解的順利進(jìn)行。
單甘油酯制好后,再加入鄰苯二甲酸酐進(jìn)行醇酸樹脂的縮聚反應(yīng)。
目前,醇酸樹脂的生產(chǎn),大都采用單甘油酯法,F(xiàn)舉一例:
將700分亞麻油和100分甘油裝入鍋中攪拌,表面通二氧化碳?xì),升溫?30℃,加入0.2分氧化鉛,升溫至255℃,保溫醇解,至醇解完了,降溫至210℃,然后漸漸加入200分鄰苯二甲酸酐,再升溫至230℃(如以溶劑法生產(chǎn),則此時(shí)可加入二甲苯或其它溶劑),保溫6—10小時(shí),至酸值接近20時(shí),應(yīng)經(jīng)常取樣測(cè)定,至酸值小于15時(shí)出鍋。
醇酸樹脂對(duì)油墨的墨性,流動(dòng)性能,對(duì)顏料的潤滑性能,顯色性等都是比較理想的,但因抗水性比較差,故限制了它在平印油墨中的應(yīng)用?朔霓k法一般有:①提高分子量(增加粘度);②降低羥基值;③與固體(硬)樹脂在制造連結(jié)料時(shí)一起反應(yīng);④以異氰酸酯化(使一部分羥基反應(yīng)掉)。
蓖麻油因組分中含有羥基,故制造用蓖麻油改性的不干性醇酸樹脂時(shí),可將幾種原材料加在一起反應(yīng)即可。
(二)醇酸樹脂的計(jì)算概念。
有關(guān)醇酸樹脂的數(shù)字概念,的確是大多數(shù)油墨工作者比較模糊的一個(gè)問題;前面已經(jīng)提到過的關(guān)于油長的說法,國際上就眾說紛紜。有的制造廠雖然提供一些數(shù)字,但仍使人迷感不解,這是因?yàn)檫@些樹脂制造廠提供的數(shù)字,往往是“近似”或“最低”數(shù)字之故。它不僅包含了技術(shù)上的不確切性,也帶有一種故弄玄虛的神秘性。
為了得到一些基本的數(shù)字概念,使我們對(duì)醇酸樹脂的組成有個(gè)概括的了解,下面通過幾個(gè)實(shí)例的運(yùn)算來說明:
(1)在三克分子鄰苯二甲酸酐和二克分子甘油的反應(yīng)生成物中,
鄰苯二甲酸酐的百分含量為:
鄰苯二甲酸酐 3*148=444
甘 油 2*92=184
減三克分子水 3*18=54
得固體樹脂成品 574
鄰苯二甲酸酐含量=444/574=77.5%
殘余甘油酯=100-77.5=22.5%
(2)如鄰苯二甲酸酐,甘油,脂肪酸(或油)的克分子比為5: 4: 2,則組分含量為:
鄰苯二甲酸酐 5*148=740
甘 油 4*92=368
脂 肪 酸 2*280=560
減七克分子水 7*18=126
得(固體)樹脂成品 1542
鄰苯二甲酸酐含量=740/1542=48%
殘余甘油酯含量=100—(48+36.3)=15.7%
注:脂肪酸與油的換算關(guān)系:
脂肪酸 3*280=840
甘 油 1*9292=92
減三克分子水 3*18=54
得一克分子油 878
油=840/878=96%(脂肪酸);殘余甘油酯4%。
根據(jù)以上計(jì)算,這個(gè)樹脂的組成,可作如下表示:
(1)鄰苯二甲酸酐 48%
脂 肪 酸 36.3%
殘余甘油酯 15.7%
100%
(2)鄰苯二甲酸酐 48%
油 37.8%
殘余甘油酯 14.2%
100%
(3)甘油苯二甲酸酯 62%
油 37.8%
99.8%
通過計(jì)算可以看出,這個(gè)醇酸樹脂含48%的鄰苯二甲酸酐,含37.89%的油,顯然,是個(gè)短油度的醇酸樹脂。
以上的計(jì)算方法,可以說是純理論的計(jì)算方法。因?yàn)榇妓針渲姆磻?yīng)是可逆反應(yīng),為了使反應(yīng)向一面進(jìn)行,工業(yè)生產(chǎn)上,甘油總是過量的。甘油過量,意味著羥基過量,這樣,碳鏈就不會(huì)無休止地增長,使產(chǎn)品避免膠結(jié)。當(dāng)然,甘油如過量太多,則樹脂的極性增加,不僅增加了親水性,且亦降低了溶解性。一般超羥量在10—15%之間。短油醇酸可超量至20%。超羥量主要視產(chǎn)品的需要而定。
(三)間苯二甲酸醇酸樹脂。
生產(chǎn)醇酸樹脂時(shí),分子的線性及均勻性是兩個(gè)比較重要的概念,任何交聯(lián)均有損于這兩個(gè)因素。因?yàn)橹挥芯鶆虻木性分子,醇酸樹脂才具有優(yōu)良的性能。
鄰苯二甲酸酐由于分子構(gòu)型的原因,易于內(nèi)酯化,造成醇酸樹脂的粘度小,抗水性差等弊病。
間苯二甲酸(異苯二甲酸,異酞酸Isophthalie Acid)是五十年代進(jìn)入工業(yè)生產(chǎn)的。以它生產(chǎn)的醇酸樹脂,線性較好,穩(wěn)定,比較抗水,粘度大,干性好,干后不發(fā)粘。對(duì)苯二甲酸由于對(duì)稱的晶格結(jié)構(gòu),故線性更好,但因溶解度較低,分子間內(nèi)聚力較大(對(duì)物體的附著力就小了),看來做印鐵油墨不是太理想的。
間苯二甲酸的醇酸樹脂,可用酸解法來生產(chǎn)(即油和二元酸先在270—275℃反應(yīng)半小時(shí),再加入多元醇酯化的方法),此法周期短,多元醇損失較少。由于間苯二甲酸不溶于一般溶劑,故溶劑法工藝是不太適宜的:如想采用溶劑法工藝,則亦應(yīng)先以熔融法進(jìn)行,待反應(yīng)物澄清后,再以溶劑法進(jìn)行即可。
間苯二甲酸的中,短油度醇酸樹脂,超羥量可達(dá)25—40%左右。
生產(chǎn)舉例:將66.4%的大豆油裝入鍋中,在攪拌下升溫至200℃,漸漸加入11.1%的季戊四醇和0.02%的氧化鉛,升溫至245℃,保溫一小時(shí),降溫至220℃,加入間苯二甲酸,再升溫至245℃保持此溫度至酸值小于10止。全部過程約需要11—13個(gè)小時(shí)。
這種樹脂的耐熱性能比用苯二甲酸酐生產(chǎn)的要高40—50倍,故適于做印鐵油墨。因而,根據(jù)情況,上述樹脂在生產(chǎn)時(shí),可在最后加入適當(dāng)?shù)娜軇?nbsp;
以干性油改性的間苯二甲酸醇酸樹脂,近來廣被推薦用于膠印油墨中,這主要是從耐水性比鄰苯二甲酸酐醇酸樹脂好這一點(diǎn)出發(fā)的。鄰苯二甲酸酐中二個(gè)酸組是在鄰位,相距很近,當(dāng)兩個(gè)油分子附著在上邊時(shí),形成相對(duì)面,它們極易進(jìn)行內(nèi)分子交聯(lián),也就是說油的性質(zhì)較多。而對(duì)于間苯二甲酸來說,情況就不同了,它們的距離較遠(yuǎn),位置的排列方向也不同,故內(nèi)分子交聯(lián)的可能誣比較小,油分子與醇酸分子能形成比較一致的立體結(jié)構(gòu)。
生產(chǎn)間苯二甲酸醇酸樹脂時(shí),由于酸的用量少,相應(yīng)醇的用量也少,超羥量比較低,故減少了對(duì)水的敏感性。以鄰苯二甲酸酐生產(chǎn)長油度醇酸樹脂時(shí),比較困難,主要是粘度增長太慢。而間苯二甲酸則沒有此弊,一個(gè)含10%左右的間苯二甲酸,70%左右的干性油的長油醇酸樹脂,是不難制得的。由于油長相對(duì)地說是長了,故對(duì)顏料的潤濕性也比較好,也就是說,即使多用顏料,油墨的流動(dòng)性仍然是很滿意的。
醇酸樹脂可以用許多材料改性,這在前邊已經(jīng)述及,但是用在膠印油墨中,還是為數(shù)有限的。從相對(duì)比例而言,醇酸樹脂用在印不吸收的材料(如鐵皮、玻璃等);上是比較多的,這是由于它結(jié)膜堅(jiān)韌之故。
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