СПОСОБ ПОЛУЧЕНИЯ ВОДОРАЗБАВЛЯЕМОГО АЛКИДНОГО ПЕНТАФТАЛЕВОГО ЛАКА ВПФ-050
METHOD OF PRODUCING WATER-BORNE ALKYD PENTAPHTHALIC LACQUER VPF-050

Изобретение относится к области производства алкидных лаков и смол, составляющих самую распространенную группу пленкообразователей, применяемых для производства лакокрасочных материалов (ЛКМ), в частности водоразбавляемых алкидных лаков.
Постоянно возрастающие требования к экологии, охране окружающей среды, усиление контроля за газовыми выбросами промышленных предприятий обусловливают необходимость изменения ассортимента лакокрасочной продукции с целью расширения выпуска экономичных и менее вредных в экологическом отношении лакокрасочных материалов, в частности пленкообразующих систем на водной основе.
Исходными компонентами для получения алкидных лаков и смол являются
растительные масла:
- подсолнечное (RU 2209818, кл. C08G 63/48, 03.12.2001)
- льняное (RU 2057148, кл. C08G 63/48, 06.10.1992)
- талловое (RU 2057148, кл. C08G 63/00, 03.04.1992) и др. или
- жирные кислоты (RU 2015143, кл. C08G 63/18, 30.06.1994)
многоатомные спирты:
- пентаэритрит (RU 2147595, кл. C08G 63/48, 20.05.1998)
- глицерин (RU 2200741, кл. C08G 63/49, 18.10.2001)
ангидриды:
- фталевый (RU 2266921, кл. C08G 63/49, 25.06.2004)
- малеиновый (RU 2285705, кл. C08G 63/49, 09.06.2005).
При синтезе алкидных лаков и смол используются различные модифицирующие сырьевые компоненты, способные улучшить качество лаков и смол, придать им специфические свойства: бензойную, пара-трет-бутилбензойную, изофталевую и др. кислоты, канифоль и ее эфиры, полиамиды, толуилендиизоцианат, стирол, силиконовые материалы и др.
Для получения органоразбавляемых алкидных лаков и смол в качестве растворителей используются уайт-спирит, топливо для реактивных двигателей ТС-1, нефрас, ксилол, сольвент и др.
Известен способ получения смол, представленный в патенте РФ на изобретение RU 2200741, кл. C08G 63/49, 18.10.2001.
Способ реализован путем проведения реакции переэтерификации растительных масел, канифоли и глицерина в присутствии катализатора, с последующим проведением реакции полиэтерификации фталевым ангидридом и поликонденсации при нагревании. В качестве катализатора на стадии переэтерификации предложен 2-этилгексанат свинца в количестве 0,018-0,03 мас. % в виде раствора в уайт-спирите, а на стадии поликонденсации смолы фенольная смола. В варианте способа используют смесь бензойной и пара-трет-бутилбензойной кислоты. В качестве органического растворителя применяется уайт-спирит. Недостатком данного способа является использование пожароопасного органического растворителя и фенольной смолы, оказывающих негативное воздействие на окружающую среду.
Известен способ получения водной эмульсии алкидной смолы (RU 2505555, кл. C08G 63/49, 20.08.2012), включающий загрузку и смешивание в емкостном реакторе маслосодержащего компонента, глицерина, нагрев смеси до 245-260°С и последующие операции этерификации с введением изофталевой кислоты и винилирования с введением винилтолуола и дитретичного бутил пероксида. После операции винилирования проводят процесс эмульгирования в присутствии ПАВ, добавление воды и корректировку рН аммиаком с последующей стадией инверсии и добавлением биоцидов.
Недостатком данного способа является использование взрывоопасного и пожароопасного компонента дитретичного бутил пероксида, низкая массовая доля нелетучих веществ (40-55%), приводящая к удорожанию перевозок. Предлагаемый продукт используется для приготовления воднодисперсионных красок, с неустойчивой стабильностью водной эмульсии.
Основой водно-дисперсионных составов служат латексы синтетических полимеров. Наибольшее распространение получили латексы акрилового и стиролакрилового типов. Водно-дисперсионные составы, как правило, содержат большое количество компонентов: пленкообразователь, пигменты, многочисленные добавки, обеспечивающие стабилизацию, консервацию, регулирующие пенообразование и свойства покрытий.
Формирование покрытий на основе воднодисперсионных красок подчиняется другим закономерностям, чем органорастворимых и водорастворимых (водоразбавляемых) материалов.
В традиционных лакокрасочных материалах около 50% от массы материала составляют органические растворители, которые безвозвратно теряются при получении покрытий, загрязняя при этом окружающую среду. Токсичность большинства из них, пожаро- и взрывоопасность требуют мощных вентиляционных систем в окрасочных цехах и дополнительных установок для очистки газовых выбросов в окружающую среду. Одним их способов решения проблемы исключения органических растворителей из рецептур лакокрасочных материалов является создание водных пленкообразующих систем (Орлова О.В., Фомичева Т.Н. Технология лаков и красок, М., Химия, 1990 г.).
Актуален вопрос о замене органических растворителей в их составе на воду, т.е. разработка материалов водоразбавляемого типа.
Лакокрасочные материалы на водной основе можно разделить на две группы: вододисперсионные пленкообразующие системы, представляющие собой эмульсию пленкообразователя в воде и водорастворимые пленкообразующие системы, представляющие собой водный раствор пленкообразователя.
Использование лакокрасочных материалов на водной основе позволяет экономить на стоимости безвозвратно теряемых растворителей, устройствах вентиляции и проведении мероприятий по технике безопасности. Применение таких материалов дает ряд преимуществ, главными из которых являются:
1) возможность окраски влажных деталей или окраски при повышенной влажности воздуха;
2) использование специфического для водных систем способа окраски - электроосаждения;
3) безвредность и меньшая трудоемкость процесса отмывки оборудования;
4) экологические (снижение эмиссии органических растворителей);
5) экономические (вода дешевле и доступнее, чем органические растворители).
7
9
10
13
Наиболее близким решением к предлагаемому способу получения водоразбавляемого алкидного лака является способ по авторскому свидетельству SU 681860, кл. C08G 63/48, 03.01.1977. В соответствии с этим способом водоразбавляемую алкидную смолу получают взаимодействием алифатической дикарбоновой кислоты с гидроксилсодержащей алкидной смолой на основе жирных одноосновных кислот, многоатомного спирта и ароматической дикарбоновой кислоты, при этом проводят взаимодействие пентаэритрита, фталевого ангидрида и синтетических жирных кислот С-С или С-С при молярном соотношении 1:0,6-0,65:1-1,4, соответственно, до получения гидроксилсодержащей смолы с кислотным числом 15-25 мг КОН/г, с последующей обработкой смолы 0,35-0,45 молями адипиновой кислоты до получения конечного продукта с кислотным числом 30-40 мг КОН/г.
Основными недостатками рассматриваемого способа являются:
7
9
10
13,
1) применение дефицитного сырья в виде синтетических жирных кислот С-С или C-C фактически не выпускаемого в нашей стране;
2) высокая температура горячей сушки покрытия 100-160°С, требующая высоких энергозатрат и наличия специального оборудования;
3) введение в состав продукта отвердителя - меламино-формальдегидной смолы в количестве 35%;
4) применение для разбавления готовой эмали дистиллированной воды;
5) длительность процесса производства (20-25 час), дополнительная стадия обработки гидроксилсодержащего полупродукта адипиновой кислотой до кислотного числа 30-40 мг КОН/г, что снижает производительность процесса и повышает энергозатраты.
7
9
10
13
Задачей, стоящей перед создателями изобретения, является разработка способа получения, состава и технологии производства водоразбавляемого алкидного лака с использованием доступного традиционного сырья, замена дефицитного сырья в виде синтетических жирных кислот С-С или C-С на растительное масло, расчет и подбор мольного соотношения исходных компонентов, обеспечивающего при синтезе достаточное количество концевых карбоксильных групп для дальнейшей нейтрализации их водным раствором аммиака с целью обеспечения полной растворимости полиэфира в воде, снижение количества применяемых органических растворителей для уменьшения их безвозвратных потерь и улучшения экологии, подбор и сбалансированность соотношения алифатических растворителей с целью снижения температуры эффективной сушки лакокрасочных покрытий при более низких температурах (40-45°С), сохранив время высыхания в пределах 20-30 минут.
Решение поставленной задачи достигается тем, что проводят постадийное взаимодействие триглицеридов жирных кислот полувысыхающего масла, пентаэритрита и ангидрида ароматической дикарбоновой кислоты при мольном соотношении 1,0:3,2-3,7:4,2-4,7, соответственно, с последующим растворением основы лака в смеси алифатических растворителей: этилцеллозольва, н-бутилового спирта и изопропилового спирта при мольном соотношении 1,00:0,80-0,85:0,63-0,68, соответственно, до получения гидроксилсодержащего алкида с массовой долей нелетучих веществ 67-73% масс. и кислотным числом 35-45 мг КОН/г с последующей нейтрализацией водным раствором аммиака или триэтиламином до рН=8,0-9,0, обеспечивающей полную совместимость водоразбавляемого лака с водой.
При этом:
1) за счет увеличения массовой доли нелетучих веществ до 70±3% снижается содержание органических растворителей по сравнению с традиционными лакокрасочными материалами с 50% до 30%, их безвозвратные потери, выбросы в атмосферу, улучшаются экологические показатели, снижаются затраты на перевозки;
2) снижается температура горячей сушки покрытия со 100-160°С до 40-45°С, уменьшаются энергозатраты, появляется возможность холодной сушки покрытия при 20°С;
3) возможно разбавление водопроводной водой лака до необходимой рабочей вязкости, упрощается замывка водой окрасочного оборудования, совместимость лака с водой полная, не требуется дистиллированная вода;
7
9
10
13
4) заменяется труднодоступное сырье в виде синтетических жирных кислот С-С или С-С на растительное масло;
5) за счет сбалансированного содержания исходных компонентов без дополнительной стадии ввода адипиновой кислоты достигается кислотное число 35-45 мг КОН/г;
6) упрощается способ производства, сокращается время синтеза на 8-10 часов;
7) покрытия на основе лака, полученного по предлагаемому способу, обладают высокими физико-механическими свойствами.
8) сохраняется возможность модификации лака другими водоразбавляемыми смолами и лаками для придания специфических эксплуатационных свойств, например меламино-формальдегидными, алкидно-стирольными, при этом не требуется введение отвердителя, используемого в рецептуре прототипа.
Сущность способа получения водоразбавляемого алкидного лака ВПФ-050 заключается в том, что в реактор, снабженный мешалкой, термопарой, обратным холодильником, флорентиной и вводом для подачи углекислого газа (или азота) загружают растительное масло, нагревают до 160°С, вводят рецептурное количество многоатомного спирта и катализатора процесса. Смесь нагревают при постоянном перемешивании до 230-245°С, в течение 4-5 часов проводят процесс алкоголиза, окончание которого определяют по тесту на растворение уплотненного масла в этиловом спирте. Смесь охлаждают до 170-180°С, загружают ангидрид ароматической дикарбоновой кислоты и проводят в течение 2-3 часов процесс переэтерификации с отгонкой азеотропа до показателя кислотного числа 55-60 мг КОН/г при постоянной подаче углекислого газа.
Реакционную смесь охлаждают и растворяют в смеси алифатических растворителей до массовой доли нелетучих веществ 70±3%, при этом кислотное число лака составляет 35-45 мг КОН/г. Полученный полупродукт может поставляться потребителю в качестве полуфабрикатного лака. Перед применением полуфабрикатный лак ВПФ-050 нейтрализуется водным раствором аммиака или триэтиламином до рн=8,0-9,0, после нейтрализации лак неограниченно разбавляется водой.
Нейтрализация может проводиться также на производстве после растворения лака в смеси растворителей.
Общее время синтеза составляет 12-15 часов, что дает экономию времени в 8-10 часов.
Изобретение иллюстрируется примерами, результаты которых представлены в таблицах 1, 2.
Пример 1. Получение водоразбавляемого алкидного лака ВПФ-050 с использованием в качестве многоатомного спирта пентаэритрита.
В четырехгорлую колбу, снабженную мешалкой, обратным холодильником, ловушкой Дина-Старка, термопарой и вводом для подачи углекислого газа, загружают 0,15 моль (131,7 г) подсолнечного масла, нагревают до 160°С, вводят 0,52 моль (70,4 г) пентаэритрита и 0,05% масс от общей загрузки (0,15 г) соды. Смесь при постоянном перемешивании нагревают до 230-245°С, проводят алкоголиз. Смесь охлаждают до 170-180°С, загружают 0,68 моль (100,3 г) фталевого ангидрида. Мольное соотношение компонентов масло:пентаэритрит:фталевый ангидрид 1:3,47:4,53.
Проводят процесс полиэтерификации с отгонкой азеотропа до кислотного числа 58 мг КОН/г при подаче в колбу углекислого газа. Смесь охлаждают и готовую смолу растворяют в 129,6 г смеси растворителей: этилцеллозольва, н-бутилового спирта, изопропилового спирта, взятых при мольном соотношении 1,0:0,81:0,67, соответственно, до получения в лаке массовой доли нелетучих веществ 70,0% и кислотного числа 55 мг КОН/г. Полученный лак ВПФ-050 нейтрализуют 19,7 г 25% водного раствора аммиака до рН=8,5 и проверяют на совместимость с водой. Совместимость в соотношении 50:50% мас. полная.
Пример 2. Получение водоразбавляемого алкидного лака ВПФ-050 с использованием в качестве многоатомного спирта глицерина.
Синтез осуществляют аналогично примеру 1.
Свойства лака приведены в таблицах 1, 2.
Пример 3. Получение водоразбавляемого алкидного лака ВПФ-050 с использованием в качестве многоатомного спирта триметилолпропана.
Синтез осуществляют аналогично примеру 1.
Свойства лака приведены в таблицах 1, 2.
Пример 4. Получение водоразбавляемого алкидного лака ВПФ-050 с использованием в качестве многоатомного спирта неопентилгликоля.
Синтез осуществляют аналогично примеру 1.
Свойства лака приведены в таблицах 1, 2.
Пример 5. Получение грунтовки на основе водоразбавляемого алкидного лака ВПФ-050.
В бисерную лабораторную мельницу загружают 60 г водоразбавляемого лака ВПФ-050, 60 г. водопроводной воды, 68 г пигментов и наполнителей (диоксид титана, мел ММС-2, тальк, фосфат цинка) 10 г растворителей и 2 г марганец-кобальт-свинцового сиккатива, в течение 1 часа производят смешение и перетир компонентов. Полученная грунтовка на основе лака ВПФ-050 при массовой доле нелетучих веществ 60,4% имеет условную вязкость 60 секунд, время высыхания до степени 3 при 20°С - 25 мин, при 45°С - 20 мин.
Эффективность полученного водоразбавляемого лака подтверждена результатами испытаний в лаборатории ООО «ПКФ «Лаурит» (г. Шебекино). Акт испытаний прилагается.
Задача, на решение которой направлено изобретение, решена.