CN101056908A - 聚氨酯 - Google Patents
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Abstract
制备水-可分散聚氨酯的方法,包含下列步骤:制备聚氨酯预聚物,使聚氨酯预聚物与单官能封端剂反应,以生成部分封端聚氨酯预聚物,扩链该部分封端聚氨酯预聚物,以生成水-可分散聚氨酯。该聚氨酯适用于喷墨印刷。
Description
本发明涉及制造水-可分散聚氨酯的方法及这类方法的产品。
水-可分散聚氨酯及其在喷墨印刷油墨中的应用是已知的。例如,WO 99/50634描述了含水-可分散聚氨酯的喷墨组合物。
聚氨酯一般由多异氰酸酯与多元醇反应而成。最终聚氨酯的分子量可通过用,例如,一元醇或一元胺的封端进行控制。封端基通过终止(即‘封端’)聚氨酯的可聚合端基而阻止聚氨酯分子量增加。或者,聚氨酯的分子量也可以通过与扩链剂,如二胺或肼,反应而急剧增大,因而通过与扩链剂连接使聚氨酯分子的分子量达到2倍、3倍等。
本发明涉及制造水-可分散聚氨酯的方法,包含部分封端后接着扩链的组合。我们已发现,这类聚氨酯特别适用于喷墨印刷应用。
按照本发明的第一方面,要提供制备水-可分散聚氨酯的方法,该方法包含下列步骤:制备聚氨酯预聚物,使聚氨酯预聚物与单官能封端剂反应,以生成部分封端聚氨酯预聚物,扩链该部分封端聚氨酯预聚物,以生成水-可分散聚氨酯。
聚氨酯预聚物由包含下列组分的混合物反应而成:
i)至少一种多异氰酸酯;和
ii)至少一种具有至少2个异氰酸酯-反应性基团的化合物;
聚氨酯预聚物可通过组分i)和ii)以传统方式反应而成。优选基本无水条件。优选温度为30℃~130℃以及反应继续到组分i)中的异氰酸酯基与组分ii)中的异氰酸酯-反应性基团之间的反应基本完成为止。
组分i)和ii)的相对用量优选选择到使异氰酸酯基与异氰酸酯-反应性基团的摩尔比为2∶1~1.2∶1,更优选1.3∶1~2∶1,尤其1.4∶1~2∶1。因此,优选聚氨酯预聚物的NCO/OH比为2∶1~1.2∶1,更优选1.3∶1~2∶1,尤其1.4∶1~2∶1。
聚氨酯预聚物可以在,例如,溶剂中或以熔体形式制备。
如果需要,可以用催化剂来促进聚氨酯预聚物的形成。适用的催化剂包括二月桂酸二丁基锡、辛酸亚锡和叔胺,如本领域所知。
在一个优选实施方案中,该方法不用催化剂或用无金属催化剂。该实施方案的优点在于避免了所得聚氨酯受来自含金属催化剂的金属污染。金属,如催化剂中常用的那些,会损坏喷墨印刷头,尤其在热喷墨印刷机中所用的那些。
在一个方面中,本发明提供水-可分散聚氨酯在喷墨印刷油墨中的应用,在其中聚氨酯已用不含金属的催化剂制成。优选油墨是拟用于热喷墨打印机中的喷墨印刷油墨。优选聚氨酯已用按照本发明第一方面不用催化剂或用无金属催化剂的方法获得。
组分i)可以是带2个或更多个异氰酸酯基的多异氰酸酯,例如,脂肪族、环脂族、芳族或芳脂族多异氰酸酯。适用多异氰酸酯的实例包括亚乙基二异氰酸酯、1,6-六亚甲基二异氰酸酯、异佛尔酮二异氰酸酯、四甲基二甲苯二异氰酸酯、1,4-亚苯基二异氰酸酯、2,4-甲苯二异氰酸酯、2,6-甲苯二异氰酸酯、4,4′-二苯甲烷二异氰酸酯及其氢化衍生物、2,4′-二苯甲烷二异氰酸酯及其氢化衍生物和1,5-亚萘基二异氰酸酯。可以用多异氰酸酯的混合物,尤其甲苯二异氰酸酯的异构体混合物或二苯甲烷二异氰酸酯的异构体混合物(或它们的氢化衍生物),也可以用已通过引进氨基甲酸酯、脲基甲酸酯、脲、缩二脲、碳二亚胺、uretonimine或异氰脲酸酯残基而改性的有机多异氰酸酯。
优选的多异氰酸酯包括环脂族多异氰酸酯,尤其异佛尔酮二异氰酸酯和脂肪族异氰酸酯,尤其1,6-六亚甲基二异氰酸酯或氢化4,4-二苯甲基二异氰酸酯。
可以包括少量三-或更高级异氰酸酯作为部分组分i),但其用量优选不超过组分i)总量的5重量%。在一个优选实施方案中,组分i)由二异氰酸酯和相对于二异氰酸酯为0~5重量%(优选0%)的三-或更高级-异氰酸酯的混合物组成。
关于组分ii),优选异氰酸酯-反应性基团选自-OH、-NH2、-NH-和-SH。可以存在带3个异氰酸酯-反应性基团的异氰酸酯-反应性化合物,优选其量不超过组分ii)总量的5重量%。这类异氰酸酯-反应性基团能与组分i)中的异氰酸酯基(-NCO)反应。
分散基可存在于组分i)中,或更优选在组分ii)中。可引进这类基团来促使最终聚合物水-可分散。分散基促进聚氨酯在油墨介质特别水中的自分散性或溶解度。分散基可以是离子、非离子分散基或离子和非离子分散基混合物。优选的离子分散基包括阳离子季铵基、磺酸基和羧酸基。
离子分散基可以带有合适离子分散基的低分子量多元醇或多元胺的形式被引进聚氨酯。提供分散基的优选异氰酸酯-反应性化合物是带一个或多个羧酸基的二元醇,更优选二羟基链烷酸,尤其2,2-二羟甲基丙酸。
羧酸和磺酸基可以用碱或含阳离子电荷的化合物进行基本完全或部分中和成盐。如果羧酸基或磺酸基与非离子型分散基组合使用,就可不需要中和。游离酸基向相应盐的转化可以在制备聚氨酯期间和/或从聚氨酯制备油墨期间进行。
优选用来中和任何酸分散基的碱是氨气、胺或碱金属碱。适用的胺是叔胺,例如,三乙基胺或三乙醇胺。适用的碱金属碱包括碱金属氢氧化物和碳酸盐,例如,氢氧化锂、氢氧化钠或氢氧化钾。也可以用氢氧化季铵,例如N+(CH3)4OH-。一般用对制自聚氨酯的油墨给出所需反离子的碱。例如,合适的反离子包括Li+、Na+、K+、NH4 +和取代铵盐。
非离子分散基可以在主链上或侧基上。优选非离子分散基是聚亚烷基侧基,更优选聚氧乙烯基。非离子基可以带有非离子分散基且至少有2个异氰酸酯-反应性基团的化合物形式被引进聚氨酯。
优选组分ii)是Mn为500~3000的聚亚烷基二醇。
聚氨酯预聚物内分散基的性质和含量影响最终水-可分散聚氨酯在分散时是形成溶液、分散体、乳液还是悬浮体。
部分封端聚氨酯预聚物可以由带异氰酸酯端基的聚氨酯预聚物与单官能封端剂,如一元酰肼、一元硫醇、一元醇和/或一元胺,反应而成。优选包含四甲基环丁砜和/或丙酮或由其组成的溶剂。优选温度为20~110℃,尤其30~90℃。反应时间将依赖于所需的封端程度。
适用于部分封端聚氨酯预聚物的一元醇包括C1-6-一元醇(例如,甲醇、乙醇、丙醇、丁醇和己醇)和二醇的C1-6-烷基醚(例如,乙二醇醚、丙二醇醚或丁二醇醚)或二醇酯,例如乙二醇酯、丙二醇酯或丁二醇酯,尤其二甘醇单甲基醚和三甘醇单甲基醚。
适用于部分地封端聚氨酯预聚物的一元胺包括伯胺和仲胺,尤其带1个或2个C1-4-烷基的胺(例如,甲胺、二甲胺、乙胺、二乙胺、丙胺、二丙胺、丁胺和环己胺)。也可以用一元醇的混合物、一元胺的混合物和一元醇与一元胺的混合物来部分封端。
部分封端可通过聚氨酯预聚物与小于100%化学计量的单官能封端剂的反应而实现。
优选聚氨酯预聚物与一元醇和/或一元胺的反应生成5-95%封端,更优选5~75%封端,尤其5~60%封端的聚氨酯预聚物。在另一个实施方案中,聚氨酯预聚物的封端程度为1~10%。
部分封端的程度可以确定如下:测定聚氨酯预聚物在封端前后的残留端基(例如,异氰酸酯)值,然后把前者除后者再乘100%。例如,
扩链优选在含水介质内进行。优选温度为5~80℃,更优选15~60℃。扩链进行的时间在一定程度下依赖于对水-可分散聚合物所要求的Mn。
可用来扩链的二氨基化合物优选是含2~10个碳原子的脂肪族饱和开链或环状二胺;例如,环己二胺、异佛尔酮二胺、亚乙基二胺、亚丙基-1,2-或1,3-二胺、六亚甲基二胺和2,2,4-和/或2,4,4-三甲基亚己基-1,6-二胺,其中优选含2~6个碳原子的低分子量开链二胺,尤其亚丙基-1,3-二胺和亚丙基-1,2-二胺以及异佛尔酮二胺,或甚至肼,优选后者以水合物形式使用。
进行扩链的方法要使最终产物达到所需的Mn。可以用凝胶渗透色谱法(“GPC”)估计是否达到了所要求的Mn。如果需要扩链,则最好可用简单二醇代替二胺化合物,如C2-6-烷醇。适用二醇的实例包括丙二醇、乙二醇、1,6-己二醇、新戊二醇、二甘醇、二丙二醇、1,4-丁二醇、1,2-丙二醇、1,4-环己烷二羟甲基、1,4-环己烷二醇、1,4-双(2-羟基乙氧基)苯、双(2-羟乙基)对苯二甲酸酯、对二甲苯二醇和其中2种或更多种的混合物。
扩链优选用肼和/或二胺进行。
水-可分散聚氨酯的数均分子量(Mn)优选低于15,000,因为这能使含该聚氨酯的油墨,尤其用于热喷墨打印机中的油墨,具有更好的性能。水-可分散聚氨酯的Mn优选为1,000~15,000,更优选2,000~12,000,尤其3,000~10,000。Mn可以用GPC测定。
用来测定Mn的GPC法优选包含下列步骤:把聚氨酯溶液注进填装有交联聚苯乙烯/二乙烯苯的色谱柱,用40℃四氢呋喃淋洗该柱,并通过与一系列已知Mn的聚苯乙烯标样比较来估算聚氨酯的Mn。适用的交联聚苯乙烯/二乙烯苯色谱柱可购自Polymer Laboratories。
如因种种原因GPC法无法测定Mn,则可以用其它方法测定Mn,例如,多角激光散射法。
优选水-可分散聚氨酯的重均分子量(Mw)为20,000~500,000,更优选50,000~300,000。Mw大于500,000时,含水-可分散聚氨酯的油墨会变得过粘。Mw小于20,000时,含水-可分散聚氨酯的油墨具有较低的耐擦性。
水-可分散聚氨酯中分散基的含量可以在宽阔范围内变化,但优选要足以使聚氨酯在水和含水介质内形成稳定的喷墨印刷油墨。优选水-可分散聚氨酯溶于水,但少量水-可分散聚氨酯可不溶于水,并在与含水介质或水混合时以分散颗粒存在。
如果需要,可以用对喷墨印刷油墨中所用着色剂的常用方法来纯化本发明的聚氨酯。例如,聚氨酯和水的混合物可以用离子交换、过滤、反渗透、渗析、超滤或它们的组合等方法进行纯化。以这种方式可除去用于聚合的共溶剂、低分子量盐、杂质和游离单体。
优选水-可分散聚氨酯的酸值>20mg KOH/g,但<100mg KOH/g。
优选水-可分散聚氨酯的log P计算值为-0.5~+2.0。
优选水-可分散聚氨酯含10~40重量%聚氧化烯基团。
考虑了上述优选条件后,在按照本发明第一方面的优选方法中,有:
(a)封端用分子量小于300的聚亚烷基二醇单C1-4烷基醚在四甲基环丁砜中进行;
(b)扩链用C2-4亚烷基二胺进行;
(c)多元醇是Mn为500~3000的聚丙二醇;
(d)多异氰酸酯是异佛尔酮二异氰酸酯;和
(e)水-可分散聚合物的Mn小于15,000,酸值>20mg KOH/g,但<100mg KOH/g以及log P为-0.5~+2.0。
按照本发明的第二方面,要提供用按照本发明第一方面的方法可获得或获得的水-可分散聚氨酯。
本发明的聚氨酯可用于很多目的,包括,但不限于,制造喷墨印刷油墨。聚氨酯可用来制造稳定的油墨,提供良好的印刷性和最终印刷图象的理想性能。例如,聚氨酯可作为粘合剂用于颜料-基油墨,如US专利6,908,185所述。
按照本发明的第三方面,要提供包含0.1~10重量%,更优选0.5~5重量%用本发明方法所获得的聚氨酯的油墨。
优选该油墨适用于喷墨印刷。油墨的pH值优选为4~11,更优选7~10。优选油墨在25℃的粘度小于50cP,更优选小于20cP,尤其小于5cP。优选油墨包含水和有机溶剂。优选油墨含颜料。
下面将仅用实施例来描述本发明。所有份数或百分数都指重量,除非特别说明。在下列实施例中:
1.DMPA以粒料形式获得,并在使用前用金属叶片“食品混合机”研磨成自由流动粉末。
2.环丁砜是一种低熔点固体,使用前在30℃熔化(通常储存在烘箱内过夜)。
3.PPG 1000的含湿量如下(用Karl Fisher法测定):
a.PPG 1000-0%(检测不到)
b.环丁砜-0.063%(“未干燥”材料的含湿量=0.18%)
(两种材料在使用前都已用活化分子筛干燥过)
4.含0.11%水的三(丙二醇)甲基醚(使用前未经干燥)。
实施例1
本实施例中用下列组分:
组分 | 缩写 | 官能度 | mol重 | 重量%(固体) | 实验室规模/g | 重量%(总量) | |
1 | 聚丙二醇1000 | PPG1000 | 2 | 1000 | 31.86 | 572.47 | 8.088 |
2 | 二羟甲基丙酸 | DMPA | 2 | 134.13 | 13.36 | 240.00 | 3.391 |
3 | 四亚甲基砜 | 环丁砜 | - | 400.00 | 5.651 | ||
4 | 异佛尔酮二异氰酸酯 | IPDI | 2 | 222.29 | 43.82 | 787.53 | 11.127 |
5 | 二月桂酸二丁基锡 | DBTDL | - | 1.60 | - | ||
6 | 三(丙二醇)单甲基醚 | TPGME | 1 | 206.29 | 9.84 | 176.55 | 2.494 |
7 | 二月桂酸二丁基锡 | DBTDL | - | 0.60 | - | ||
8 | 四亚甲基砜 | 环丁砜 | - | 285.29 | 4.031 | ||
9 | 肼-水合物 | 肼 | 2 | 50.06 | 1.12 | 28.255 | 0.399 |
10 | 氢氧化钾水溶液(10%) | Aq KOH | - | 986.41 | 13.936 | ||
11 | 去离子水 | - | 3601.42 | 50.883 | |||
总计 | 100.00 | 100.000 |
步骤1-聚氨酯预聚物的制备
在一个5升圆底反应器上安装机械桨叶搅拌器、热电偶和水-冷凝器。在保护氮气下进行下列步骤。在19-22℃反应器内装进组分1、2和3,然后装进组分4,后者边搅拌边加入。用外部恒温罩把反应器加热到47~50℃,恒温约10min.,同时保持保护氮气。然后加入组分5。然后在约5min.内加热该混合物到95℃。在95℃观察到放热并用外部冰浴进行控制。然后使反应器在95℃再恒温2.5h,然后取样,用以滴定法测定NCO,以便通过比较NCO的理论值与实验值(实验值为4.5%,理论值为4.6%)来检验反应是否已完成。
步骤2-聚氨酯预聚物的部分封端
把组分6通过均压降漏斗加进反应器,然后加入组分7(观察到略有放热)。然后使反应器在95℃再恒温75min.,然后加入组分8。萃取样品,用以滴定法测定NCO。封端程度为49%。
步骤3-部分封端聚氨酯预聚物的扩链
把步骤2中生成的部分封端聚氨酯预聚物(2203.6g,90~95℃)分散进10升含组分9、10和11的隔板式圆底反应器(温度为30℃)。整个加料过程中不停搅拌,加料结束后继续搅拌数小时。在预聚物分散期间,用外部冰浴保持温度<40℃。确保pH在8~9之后,使混合物滤过52μm布,以得到pH值为8.3,固体含量为24.4%,粘度为70.8mPa.s(Brookfield,芯轴2,100rpm,21℃)的理想水-可分散聚氨酯。
理想水-可分散聚氨酯包含下列残留物:DMPA(13.36%)、PPG 1000(31.86%)、IPDI(43.82%)、TPGME(9.84%)和肼(1.12%)。
实施例2
本实施例中用下列组分:
组分 | 缩写 | 官能度 | mol重 | 重量%(固体) | 实验室规模/g | 重量%(总量) | |
1 | 聚丙二醇1000 | PPG1000 | 2 | 1000 | 31.20 | 107.67 | 7.94 |
2 | 二羟甲基丙酸 | DMPA | 2 | 134.13 | 13.04 | 45.00 | 3.32 |
3 | 四亚甲基砜 | 环丁砜 | - | 128.57 | 9.48 | ||
4 | 异佛尔酮二异氰酸酯 | IPDI | 2 | 222.29 | 42.69 | 147.33 | 10.86 |
5 | 辛酸锡(Jeffcat T9) | 辛酸锡 | - | 0.04 | - | ||
6 | 三(丙二醇)单甲基醚 | TPGME | 1 | 206.29 | 12.05 | 41.14 | 3.03 |
7 | 辛酸锡(Jeffcat T9) | 辛酸锡 | - | 0.04 | - | ||
8 | 亚乙基二胺 | EDA | 2 | 60.1 | 1.02 | 3.230 | 0.24 |
9 | 氢氧化钠 | NaOH | 40.0 | - | 13.50 | 1.00 | |
10 | 去离子水 | - | 869.79 | 64.13 | |||
总计 | 100.00 | 100.00 |
步骤1-聚氨酯预聚物的制备
在一个1升圆底反应器上安装机械桨叶搅拌器、热电偶和水-冷凝器。在保护氮气下进行下列步骤。
在19~22℃反应器内装进组分1、2和3,然后装进组分4,后者边搅拌边加入。用外部恒温罩把反应器加热到47~50℃,恒温约10min.,同时保持保护氮气。然后加入组分5。然后在约5min.内加热该反应混合物到95℃。在95℃观察到放热并用外部冰浴进行控制。然后使反应器在95℃再恒温2h,然后取样,用以滴定法测定NCO,以便通过比较NCO的理论值与实验值(实验值为4.20%,理论值为4.30%)来检验反应是否已完成。
步骤2-聚氨酯预聚物的部分封端
把组分6通过均压降漏斗加进反应器,然后加入组分7(观察到略有放热)。然后使反应器在95℃再恒温60min.。萃取样品,用以滴定法测定NCO。封端程度为47%。
步骤3-部分封端聚氨酯预聚物的扩链
然后,把步骤2中生成的部分封端聚氨酯预聚物(432.1g,75~80℃)分散进3升含组分8、9和10的隔板式圆底反应器(温度为25℃)。整个加料过程中不停搅拌,加料结束后继续搅拌数小时。在预聚物分散期间,用外部冰浴保持温度<40℃。确保pH在8~9之后,将混合物滤过52μm布,以得到pH值为9.07,固体含量为24.55%的理想水-可分散聚氨酯:。
理想水-可分散聚氨酯包含下列残留物:DMPA(13.04%)、PPG 1000(31.20%)、IPDI(42.69%)、TPGME(12.05%)和EDA(1.02%)。理想水-可分散聚氨酯的分子量用凝胶渗透色谱法测定,并得到Mw=27,800,Mn=15,600。
实施例3
本实施例中用下列组分
组分 | 缩写 | 官能度 | mol重 | 重量%(固体) | 实验室规模/g | 重量%(总量) | |
1 | 聚丙二醇1000 | PPG1000 | 2 | 1000 | 33.95 | 107.67 | 13.00 |
2 | 二羟甲基丙酸 | DMPA | 2 | 134.13 | 14.19 | 45 | 5.43 |
3 | 四亚甲基砜 | 环丁砜 | - | 161.54 | 19.51 | ||
4 | 异佛尔酮二异氰酸酯 | IPDI | 2 | 222.29 | 46.46 | 147.33 | 17.79 |
5 | 辛酸锡(Jeffcat T9) | 辛酸锡 | - | 0.04 | - | ||
6 | 三(丙二醇)单甲基醚 | TPGME | 1 | 206.29 | 1.98 | 6.23 | 0.75 |
7 | 辛酸锡(Jeffcat T9) | 辛酸锡 | - | 0.03 | - | ||
8 | 三乙胺 | TEA | 101.19 | - | 15.24 | 1.84 | |
9 | 去离子水 | - | 335.49 | 40.51 | |||
10 | 亚乙基二胺 | EDA | 2 | 60.1 | 3.41 | 4.871 | 0.59 |
11 | 去离子水 | - | 4.8 | 0.58 | |||
总计 | 100.00 | 100.00 |
步骤1-聚氨酯预聚物的制备
在一个1升圆底反应器上安装机械桨叶搅拌器、热电偶和水-冷凝器。在保护氮气下进行下列步骤。
在19~22℃反应器内装进组分1、2和3,然后装进组分4,后者边搅拌边加入。用外部恒温罩把反应器加热到47~50℃,恒温约10min.,同时保持保护氮气。然后加入组分5。然后在约5min.内加热该混合物到95℃。在95℃观察到放热并用外部冰浴进行控制。然后使反应器在95℃再恒温2h,然后取样,用以滴定法测定NCO,以便通过比较NCO的理论值与实验值(实验值为3.7%,理论值为4.0%)来检验反应是否已完成。
步骤2-聚氨酯预聚物的部分封端
把组分6通过均压降漏斗加进反应器,然后加入组分7(观察到略有放热)。然后使反应器在95℃再恒温60min.。萃取样品,用以滴定法测定NCO。封端程度为7.5%。
步骤3-部分封端聚氨酯预聚物的扩链
然后,把步骤2中生成的部分封端聚氨酯预聚物(210.6g,75~80℃)分散进3升含组分8和9的隔板式圆底反应器(温度为25℃)。整个加料过程中不停搅拌。10min.后,滴加进组分10和组分11的溶液。然后再搅拌数小时。在预聚物分散期间,用外部冰浴保持温度<40℃。确保pH在8~9之后,将混合物滤过52μm布,以得到pH值为9.43,固体含量为25.16%的理想水-可分散聚氨酯。
理想水-可分散聚氨酯包含下列残留物:DMPA(14.19%)、PPG 1000(33.95%)、IPDI(46.46%)、TPGME(1.98%)和EDA(3.41%)。理想水-可分散聚氨酯的分子量用凝胶渗透色谱法测定,并得到Mw=65,200,Mn=29,200。
实施例4
本实施例中用下列组分:
组分 | 缩写 | 官能度 | mol重 | 重量%(固体) | 实验室规模/g | 重量%(总量) | |
1 | 聚丙二醇1000 | PPG1000 | 2 | 1000 | 34.55 | 107.67 | 11.98 |
2 | 二羟甲基丙酸 | DMPA | 2 | 134.13 | 14.44 | 45 | 5.00 |
3 | 四亚甲基砜 | 环丁砜 | - | 161.54 | 17.97 | ||
4 | 异佛尔酮二异氰酸酯 | IPDI | 2 | 222.29 | 47.28 | 147.33 | 16.39 |
5 | 辛酸锡(Jeffcat T9) | 辛酸锡 | - | 0.04 | - | ||
6 | 三(丙二醇)单甲基醚 | TPGME | 1 | 206.29 | 2.07 | 6.40 | 0.71 |
7 | 辛酸锡(Jeffcat T9) | 辛酸锡 | - | 0.03 | - | ||
8 | 亚乙基二胺 | EDA | 2 | 60.1 | 1.66 | 2.4302 | 0.27 |
9 | 氨水(35%) | Aq NH3 | - | 8.43 | 0.94 | ||
10 | 去离子水 | - | 420.21 | 46.74 | |||
总计 | 100.00 | 100.00 |
步骤1-聚氨酯预聚物的制备
在-个1升圆底反应器上安装机械桨叶搅拌器、热电偶和水-冷凝器。在保护氮气下进行下列步骤。
在19~22℃反应器内装进组分1、2和3,然后装进组分4,后者边搅拌边加入。用外部恒温罩把反应器加热到47~50℃,恒温约10min.,同时保持保护氮气。然后加入组分5。然后在约5min.内加热该混合物到95℃。在95℃观察到放热并用外部冰浴进行控制。然后使反应器在95℃再恒温2h,然后取样,用以滴定法测定NCO,以便通过比较NCO的理论值与实验值(实验值为3.8%,理论值为4.00%)来检验反应是否已完成。
步骤2-聚氨酯预聚物的部分封端
把组分6通过均压降漏斗加进反应器,然后加入组分7(观察到略有放热)。然后使反应器在95℃再恒温60min.。萃取样品,用以滴定法测定NCO。封端程度为7.5%。
步骤3-部分封端聚氨酯预聚物的扩链
然后,把步骤2中生成的部分封端聚氨酯预聚物(220.4g,75~80℃)分散进3升含组分8、9和10的隔板式圆底反应器(温度为25℃)。整个加料过程中不停搅拌,然后再搅拌数小时。在预聚物分散期间,用外部冰浴保持温度<40℃。确认pH在8~9之后,将混合物滤过52μm布,以得到pH值为8.82,固体含量为22.74%的理想水-可分散聚氨酯。
理想水-可分散聚氨酯包含下列残留物:DMPA(14.44%)、PPG 1000(34.55%)、IPDI(47.28%)、TPGME(2.07%)和EDA(1.66%)。理想水-可分散聚氨酯的分子量用凝胶渗透色谱法测定,并得到Mw=30,100,Mn=17,100。
实施例5
本实施例中用下列组分:
组分 | 缩写 | 官能度 | mol重 | 重量%(固体) | 实验室规模/g | 重量%(总量) | |
1 | 聚丙二醇1000 | PPG1000 | 2 | 1000 | 34.49 | 107.67 | 7.71 |
2 | 二羟甲基丙酸 | DMPA | 2 | 134.13 | 14.42 | 45.00 | 3.22 |
3 | 三(丙二醇)单甲基醚 | TPGME | 1 | 206.29 | 2.08 | 6.46 | 0.46 |
4 | 四亚甲基砜 | 环丁砜 | - | 161.54 | 11.56 | ||
5 | 异佛尔酮二异氰酸酯 | IPDI | 2 | 222.29 | 47.19 | 147.33 | 10.54 |
6 | 辛酸锡(Jeffcat T9) | 辛酸锡 | - | 0.04 | - | ||
7 | 亚乙基二胺 | EDA | 2 | 60.1 | 1.82 | 5.2370 | 0.37 |
8 | 氢氧化钾水溶液(10%) | Aq KOH | - | 190.23 | 13.62 | ||
9 | 去离子水 | - | 733.73 | 52.52 | |||
总计 | 100.00 | 100.00 |
步骤1-聚氨酯预聚物的制备
在一个1升圆底反应器上安装机械桨叶搅拌器、热电偶和水-冷凝器。在保护氮气下进行下列步骤。
在19~22℃反应器内装进组分1、2、3和4,然后装进组分5,后者边搅拌边加入。用外部恒温罩把反应器加热到47~50℃,恒温约10min.,同时保持保护氮气。然后加入组分6。然后在约5min.内加热该混合物到95℃。在95℃观察到放热并用外部冰浴进行控制。然后使反应器在95℃再恒温2h,然后取样,用以滴定法测定NCO,以便通过比较NCO的理论值与实验值(实验值为3.40%,理论值为3.66%)来检验反应是否已完成。封端程度为7.5%。
步骤2-部分封端聚氨酯预聚物的扩链
然后,把步骤1中生成的部分封端聚氨酯预聚物(431.0g,75~80℃)分散进3升含组分7、8和9的隔板式圆底反应器(温度为25℃)。整个加料过程中不停搅拌,然后再搅拌数小时。在预聚物分散期间,用外部冰浴保持温度<40℃。确保pH在8~9之后,将混合物滤过52μm布,以得到pH值为8.81,固体含量为22.38%的理想水-可分散聚氨酯:。
理想水-可分散聚氨酯包含下列残留物:DMPA(14.42%)、PPG 1000(34.49%)、IPDI(47.19%)、TPGME(2.08%)和EDA(1.82%)。
理想水-可分散聚氨酯的分子量用凝胶渗透色谱法测定,并得到MW=119,000,Mn=34,700。
实施例6(无催化剂实施例)
本实施例中用下列组分:
组分 | 缩写 | 官能度 | mol重 | 重量%(固体) | 实验室规模/g | 重量%(总量) | |
1 | 聚丙二醇1000 | PPG1000 | 2 | 1000 | 34.55 | 215.34 | 7.66 |
2 | 二羟甲基丙酸 | DMPA | 2 | 134.13 | 14.44 | 90 | 3.20 |
3 | 四亚甲基砜 | 环丁砜 | - | 323.08 | 11.49 | ||
4 | 异佛尔酮二异氰酸酯 | IPDI | 2 | 222.29 | 47.28 | 294.66 | 10.48 |
5 | 三(丙二醇)单甲基醚 | TPGME | 1 | 206.29 | 2.07 | 12.86 | 0.46 |
6 | 亚乙基二胺 | EDA | 2 | 60.1 | 1.66 | 9.6373 | 0.34 |
7 | 氢氧化钾水溶液(10%) | Aq KOH | - | 384.94 | 13.69 | ||
8 | 去离子水 | - | 1481.24 | 52.68 | |||
总计 | 100.00 | 100 |
步骤1-聚氨酯预聚物的制备
在1个1升圆底反应器上安装机械桨叶搅拌器、热电偶和水-冷凝器。在保护氮气下进行下列步骤。
在19~22℃反应器内装进组分1、2和3,然后装进组分4,后者边搅拌边加入。然后用外部恒温罩在约10min内把反应器加热到95℃,同时保持保护氮气。在95℃观察到放热并用外部冰浴进行控制。然后使反应器在95℃再恒温2h,然后取样,用以滴定法测定NCO,以便通过比较NCO的理论值与实验值(实验值为3.8%,理论值为4.00%)来检验反应是否已完成。
步骤2-聚氨酯预聚物的部分封端
把组分5通过均压降漏斗加进反应器。然后使反应器在95℃再恒温60min.。萃取样品,用以滴定法测定NCO。封端程度为7.5%。
步骤3-部分封端聚氨酯预聚物的扩链
然后,把步骤2中生成的部分封端聚氨酯预聚物(871.3g,75~80℃)分散进10升含组分6、7和8的隔板式圆底反应器中(温度为25℃)。整个加料过程中不停搅拌,然后再搅拌数小时。在预聚物分散期间,用外部冰浴保持温度<40℃。确保pH在8~9之后,将混合物滤过52μm布,以得到pH值为8.32,固体含量为22.05%的理想水-可分散聚氨酯:。
理想水-可分散聚氨酯包含下列残留物:DMPA(14.44%)、PPG 1000(34.55%)、IPDI(47.28%)、TPGME(2.07%)和EDA(1.66%)。
理想水-可分散聚氨酯的分子量用凝胶渗透色谱法测定,并得到Mw=158,700,Mn=36,600。
实施例7
已经发现,分别含实施例1~6中所得各聚合物的油墨在从压电喷墨印刷机上喷射时具有良好的可喷射性。
从实施例1~6得到的聚氨酯可以用类似于US专利6,908,185和国际专利申请WO 99/50364中所述聚氨酯的方式加进喷墨印刷油墨中,任选地,没有本文中所述的水-不混溶溶剂。
实施例6的聚氨酯特别适用于拟用于热喷墨打印机的油墨中,因为避免了来自含金属催化剂的金属污染。
Claims (20)
1.制备水-可分散聚氨酯的方法,包含下列步骤:制备聚氨酯预聚物,使聚氨酯预聚物与单官能封端剂反应,以生成部分封端聚氨酯预聚物,使该部分封端聚氨酯预聚物扩链,以生成水-可分散聚氨酯。
2.按照权利要求1的方法,其中部分封端聚氨酯预聚物是由带异氰酸酯端基的聚氨酯预聚物与一元醇反应而制备的。
3.权利要求1的方法,其中部分封端聚氨酯预聚物是由聚氨酯预聚物与单官能封端剂在包含四甲基环丁砜和/或丙酮或由其组成的溶剂中反应而制备的。
4.按照前述权利要求中任何一项的方法,其中聚氨酯预聚物是由包含下列组分的混合物反应而制得的:
i)至少一种多异氰酸酯;和
ii)至少一种具有至少2个异氰酸酯-反应性基团的化合物;
其中组分i)和ii)的相对用量要使异氰酸酯基与异氰酸酯-反应性基团之摩尔比为2∶1~1.2∶1。
5.按照前述权利要求中任何一项的方法,其中扩链用肼和/或二胺进行。
6.按照前述权利要求中任何一项的方法,其中聚氨酯是1~10%封端的。
7.按照权利要求1~6中任何一项的方法,其中聚氨酯预聚物与一元醇和/或一元胺的反应生成5~95%封端的聚氨酯预聚物。
8.按照前述权利要求中任何一项的方法,其中水-可分散聚氨酯的Mn低于15,000。
9.按照前述权利要求中任何一项的方法,其中水-可分散聚氨酯的Mw为20,000~500,000。
10.按照前述权利要求中任何一项的方法,其中酸值>20mgKOH/g,但<100mg KOH/g。
11.按照前述权利要求中任何一项的方法,其中水-可分散聚合物的log P为-0.5~+2.0。
12.按照权利要求2的方法,其中多元醇是Mn为500~3000的聚亚烷基二醇。
13.按照前述权利要求中任何一项的方法,其中水-可分散聚氨酯含10~40重量%聚氧化烯基。
14.按照前述权利要求中任何一项的方法,其中:
(a)扩链用C2-4亚烷基二胺进行;
(b)封端用分子量小于300的聚亚烷基二醇单C1-4烷基醚在四甲基环丁砜中进行;
(c)多元醇是Mn为500~3000的聚丙二醇;
(d)多异氰酸酯是异佛尔酮二异氰酸酯;和
(e)水-可分散聚合物的Mn小于10,000,酸值>20mg KOH/g,但<100mg KOH/g以及log P为-0.5~+2.0。
15.用按照前述权利要求中任何一项的方法可获得或获得的水-可分散聚氨酯。
16.一种组合物,包含颜料和按照权利要求15的水-可分散聚氨酯。
17.一种油墨,包含0.1重量%~10重量%用按照权利要求1~14中任何一项的方法所获得的聚氨酯。
18.按照权利要求1~15中任何一项的水-可分散聚氨酯在喷墨印刷中的应用。
19.水-可分散聚氨酯在喷墨印刷油墨中的应用,其中聚氨酯已用不含金属催化剂的方法获得。
20.按照权利要求18或19的应用,其中油墨拟用于热喷墨打印机中。
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