[发明专利]水基隔离涂料组合物

说明书

本非临时申请依赖于2008年4月30日提交的临时美国申请序列号61/049252的提交日期，已于其后十二(12)个月内提交，并要求其在35USC§1.19(e)下的优先权，该临时美国申请通过引用结合至本文。

公开背景

阻止或减少选择的底物(例如气体、蒸汽、液体和/或气味(aroma))渗透的隔离涂料广泛用于包装、汽车、油漆和轮胎工业。对气体(如氧气)渗透的抗性用于包装敏感食品、药品和化学制品方面。已知聚合物的隔离性能可通过添加剥离的、层状的填料来提高。还认识到层状填料在聚合物基料(binder)中的定向对于实现增强隔离性能是关键的。当层状填料垂直于扩散方向剥离并定向(即与聚合物材料的平面平行)时，存在曲折作用使扩散分子只能在层状填料周围运动。这降低了通过聚合物结构的扩散率，使综合渗透率明显下降。

已报道用于制备包含剥离的层状填料的隔离涂料组合物的几种技术。该隔离组合物可通过后添加(post-add)程序获得，其中剥离的层状填料混入预先形成的聚合物基料。或者，先将剥离层状填料与单体混合，然后使该单体聚合以形成包含分散层状填料的聚合物，从而得到该隔离组合物。该方法被称为原位聚合方法，并描述于美国专利第6,759,463号。

该隔离组合物可被制成熔化混合物或在液态载体中。当该隔离组合物制成熔化态时，层状填料混入熔化的聚合物基料中或者混入聚合物单体前体中。形成膜时除了聚合物基料中层状填料垂直定向之外，两种成分的兼容性对于实现良好的隔离性能也是重要的。美国专利第4,528,235号公开了含有高密度聚乙烯和小尺寸层状填料的薄隔离膜，层状填料均匀分散于膜中并基本与膜平面平行。为提高填料与聚合物的兼容性，将填料用氨基硅烷偶联剂(如γ-氨基丙基三乙氧基-硅烷)涂覆。为使层状填料基本与聚合物膜平面平行定向，使熔体混合聚合物和层状填料制成的膜双轴伸长。经熔化处理制成的隔离涂料通常包含少于3％重量的层状填料，其结果是，这些涂料在减少渗透性方面不是最优的。此外，这些隔离涂料通常经过多道挤压程序(multiply extrusion process)以应用于基材，这导致高生产成本。

生产隔离组合物时，考虑到环境因素，与有机溶剂相比水是最好的选择。对于获得水基隔离涂料组合物，有几个因素是必需考虑的。第一，层状填料必需是剥离的且定向的，这样在将该组合物应用于基材上并干燥时该层状填料与扩散方向垂直。第二，该层状填料必需与聚合物基料兼容。第三，该水基涂料组合物必需长期以及当被处理用于涂覆基材时具有优良的稳定性。

为实现增强的隔离性能，在水相介质中层状填料应剥离至可能的最大限度。通常层状填料用离子溶液预处理以使层状填料自然发生的层间阳离子(例如Na⁺、K⁺)与溶液中阳离子交换，引起水相介质中层状填料剥离。酸溶液(即“酸洗”)通常用于层状填料的预处理。美国专利第7,119,138号描述了包含聚合物弹性体基料和层状硅酸盐填料的水基隔离涂料组合物，其中硅酸盐用酸或碱预处理以提供分散的、基本剥离的硅酸盐填料。美国专利第6,107,387号也公开了非常细粘土的酸洗涤法，该方法针对于具有30至200毫当量每100克粘土的阳离子交换容量涂料；该专利的权利要求中包括了蒙脱土。美国专利第7,473,729号也描述了与非弹性体丙烯酸聚合物结合的酸处理粘土系统。美国专利第4,425,465号公开了水基涂料组合物，该组合物包含剥离的蛭石颗粒在成膜聚合物基料水溶液或分散体中的分散体。该蛭石用碱金属盐或烷基铵盐的一种或多种水溶液预处理，然后研磨使蛭石分层，形成片晶结构。然而，这些涂料组合物通常需要稳定表面活性剂来抑制该组合物中一种或多种成分絮凝。

为提高层状填料和聚合物基料之间的兼容性，通常将层状填料用表面改性剂预处理以减少填料的疏水性。此种改性剂的实例为氨基酸、包括烷基铵离子基团的表面活性剂等。在介质pH低于氨基酸pKa的酸性介质中，使氨基酸的胺官能团质子化为可与层状填料中自然产生的层间阳离子进行阳离子交换的铵盐。据相信烷基铵离子表面活性剂也容易与层状填料中自然产生的层间阳离子进行交换。使用这些改性剂的一个缺点是每当组合分散体pH小于聚合物主链上酸基pKa则该铵基离子使水基涂料组合物不稳定。事实上这些组合物仅会稳定相对短的时间段并容易由于聚合物主链上羧酸基的质子化而沉淀。