CN101245222A - 一种纳米膨润土改性水性聚氨酯涂料及其制备方法 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种纳米膨润土改性水性聚氨酯涂料，其组成包括：聚醚多元醇55～75g，多异氰酸酯10～30g，亲水性扩链剂3.5～7.5g，交联剂1.5～3.5g，成盐剂1.5～5.5g，纳米膨润土0.8～3.8g，去离子水170～270g，纳米膨润土的粒径为20～100nm。本发明与聚氨酯硬段以氢键形成相结合，加强了分子间的作用力，成膜后，加强了硬段微区的凝聚力，提高了软硬段微区的相分离程度，使其具有优良的物理机械性能，具有较强的抗紫外老化功能。

Description

一种纳米膨润土改性水性聚氨酯涂料及其制备方法

技术领域：

本发明涉及一种化工产品，涉及一水性聚氨酯涂料及其制作方法，特别是指在水性聚氨脂涂料中复合纳米膨润土改性聚氨酯涂料。

背景技术：

聚氨酯材料是应用十分广泛的合成树脂，聚氨酯一般是溶剂型为主，但有机溶剂易燃易爆，易挥发、气味大，使用时造成空气污染，具有或多或少的毒性。近年来，随着环保意识的不断增强，一些发达国家制定了消防法规及溶剂法规，这些因素促进了水性聚氨酯材料的开发，水性聚氨酯是指聚氨酯溶解于水或分散于水中而形成的一种聚氨酯树脂，其具有不燃、气味小、不污染环境、节能和操作加工方便等优点，但水性聚氨酯材料也存在一些缺点，如胶层的物理机械性能还有待进一步提高，抗紫外性能不够理想，抗拉强度也不够理想，特别是成膜后的拉伸强度，撕裂强度等性能均不理想，现有一些改进的方法，但其合成步骤相当复杂，且成本高昂，不利于工业化的大规摸生产，限制了使用和推广。

发明内容：

本发明的纳米膨润土改性水性聚氨酯涂料的组成包括：聚醚多元醇55～75g，多异氰酸酯10～30g，亲水性扩链剂3.5～7.5g，交联剂1.5～3.5g，成盐剂1.5～5.5g，纳米膨润土0.8～3.8g，去离子水170～270g，纳米膨润土的粒径为20～100nm。

所述的聚醚多元醇为聚氧化丙烯二醇或聚氧化丙烯三醇，多异氰酸酯为4，4’-二苯基甲烷二异氰酸酯，或为六亚甲基二异氰酸酯。

所述的亲水性扩链剂为2，2二羟甲基丙酸，成盐剂为三乙胺，交联剂为三羟甲基丙烷，或1，4’丁二醇。

更具体而言，所述的纳米膨润土改性水性聚氨酯涂料组分可以是聚氧化丙烯二醇54g、4，4’-二苯基甲烷二异氰酸酯33g、2，2二羟甲基丙酸5.3g、三乙胺3.9g、纳米膨润土3.4g和227g去离子水组成。

或所述的涂料的组分还可以是聚氧化丙烯二醇54g、甲苯二异氰酸酯23.8g、2，2二羟甲基丙酸3.5g、三羟甲基丙烷2.0g、三乙胺2.6g、纳米膨润土2.9g和203g去离子水组成。

或所述的涂料的组分还可以是聚氧化丙烯三醇54g、六亚甲基二异氰酸酯12g、2，2二羟甲基丙酸3.5g、1，4’丁二醇1.3g、三乙胺2.6g、纳米膨润土2.5g和173g去离子水组成。

所述的纳米膨润土改性水性聚氨酯涂料的制备方法如下：将55～75g的聚醚多元脂脱水后加入10～30g的多异氰酸酯，反应1～1.5小时，升温到85～90℃，反应1～3小时，加入3.5～7.5g的亲水性扩链剂，在85～95℃反应1～3小时，降温到65～75℃加入一定量的丙酮带回流反应1.5～2.5小时，降温到25～35℃加入1.5～5.5g成盐剂反应10～20分钟制得聚氨酯预聚体；取0.8～3.8g的纳米膨润土和170～270g的去离子水混合加热至45～60℃并搅拌制得纳米膨润土水分散液，这时的纳米膨润土水分散液的PH值应在7～8之间；将上述的聚氨酯预聚体缓慢加入到纳米膨润土水分散液中，进行复合乳化20～40分钟；减压脱去丙酮，制得纳米膨润土改性水性聚氨酯涂料。上述的丙酮是聚氨酯预聚体制备中常用的溶剂，所需的使用量只需够用或略多即可，最后可以回收循环使用，最终所述的涂料中会有残量的丙酮。

上述的聚醚多元醇选自聚氧化丙烯二醇或聚氧化丙烯三醇，多异氰酸酯选自4，4’-二苯基甲烷二异氰酸酯或六亚甲基二异氰酸酯，亲水性扩链剂为2，2二羟甲基丙酸，成盐剂为三乙胺，交联剂选自三羟甲基丙烷或1，4’丁二醇。

本发明所述的纳米膨润土是完全无机状态的达到纳米级的膨润土，其制备方法详见专利申请号为200410004707.6，名称为“一种新型纳米膨润土及其制备方法”，该纳米膨润土具有很大的比表面积和富含羟基，大约在800m²/g，其表面原子数很多且原子配位严重不足，因此具有很高的活性，很容易与其它原子结合，与聚氨酯硬段以氢键形成相结合，加强了分子间的作用力，成膜后，加强了硬段微区的凝聚力，提高了软硬段微区的相分离程度，使其具有优良的物理机械性能，由于上述的纳米膨润土本身具有良好紫外吸收功能，故本发明的涂料亦具有较强的抗紫外老化功能。

具体实施方式：

以下为本发明的实施例，具体详细说明本发明的纳米膨润土改性水性聚氨酯涂料。

实施例1：

将聚氧化丙烯二醇54g，100℃脱水后加入4，4’-二苯基甲烷二异氰酸酯33g，75℃反应1小时，升温到90℃反应2小时，加入2，2二羟甲基丙酸5.3g，90℃反应2小时，降温到70℃加入100g丙酮带回流反应2小时，降温到30℃加入三乙胺3.9g反应10分钟制得聚氨酯预聚体；取纳米膨润土3.4g和227g去离子水加热至50℃带搅拌纳米膨润土水分散液；将上述的聚氨酯预聚体，缓慢加入到纳米膨润土水分散液中，进行复合乳化30分钟，减压脱去丙酮，制得纳米膨润土改性水性聚氨酯涂料。

实施例2：

将聚氧化丙烯二醇54g，100℃脱水后加入甲苯二异氰酸酯23.8g，78℃反应1小时，升温到95℃反应2.5小时，加入2，2二羟甲基丙酸3.5g和三羟甲基丙烷2.0g，92℃反应1.5小时，降温到70℃加入100g丙酮带回流反应2小时，降温到28℃加入三乙胺2.6g反应20分钟制得聚氨酯预聚体；取纳米膨润土2.9g和203g去离子水加热至50℃带搅拌纳米膨润土水分散液；将上述的聚氨酯预聚体，缓慢加入到纳米膨润土水分散液中，进行复合乳化30分钟，减压脱去丙酮，制得纳米膨润土改性水性聚氨酯涂料。

实施例3：

将聚氧化丙烯三醇54g，95℃脱水后加入六亚甲基二异氰酸酯12g，80℃反应1小时，升温到90℃反应2小时，加入2，2二羟甲基丙酸3.5g，90℃反应2小时，降温到75℃加入1，4’丁二醇1.3g反应1小时，降温到65℃加入100g丙酮带回流反应2小时，降温到30℃加入三乙胺2.6g反应15分钟制得聚氨酯预聚体；取纳米膨润土2.5g和173g去离子水加热至55℃带搅拌纳米膨润土水分散液；将上述的聚氨酯预聚体，缓慢加入到纳米膨润土水分散液中，进行复合乳化30分钟，减压脱去丙酮，制得纳米膨润土改性水性聚氨酯涂料。

按本发明所述的制备方法得到的纳米膨润土改性水性聚氨酯涂料与现有尽可能相似的聚氨酯涂料进行了多项技术指标的试验对比，技术指标有大幅度的提高，如实施例1所制备的涂料，其拉伸强度提高30～50％，撕裂强度提高50～100％，100％模量提高40～80％，300％模量提高70～100％，伸长率下降10～15％；在涂料成膜干燥后，人工紫外灯老化15天后测得的数据证明，本发明的涂料的拉伸强度提高50～100％，撕裂强度提高50～100％，100％模量提高60～100％，300％模量提高100～150％，伸长率下降10～15％。

本发明的涂料对比于现有技术的聚醚类水性聚氨酯涂料性能上有大幅度的提高，通过试验结果分析，随着纳米膨润土的粒径的降低，上述技术指标增加幅度有所上升，例如在粒径为20～40nm时技术指标增加大于粒径为90～100nm的技术指标的增加，经分析认为纳米膨润土粒径的减小，更有利于膨润土与聚氨酯材料中的高分子的结合，并且膨润土比表面积的增加进而提高了结合力，这里所述的结合力涉及化学力和物理力，充分发挥了纳米膨润土的纳米效应，当然其实际的更详细的理论机理还有待进一步的提高。对本发明的涂料配方及其制备工艺作适当的近似的调整和某些参数的变化，也可能取得类似的技术效果，但这些变化仍应属于本发明的保护范围。

Claims (10)

1. 一种纳米膨润土改性水性聚氨酯涂料，其组成包括：

聚醚多元醇             55～75g

多异氰酸酯             10～30g

亲水性扩链剂           3.5～7.5g

交联剂                 1.5～3.5g

成盐剂                 1.5～5.5g

纳米膨润土             0.8～3.8g

去离子水               170～270g

其中：纳米膨润土的粒径为20～100nm。

2. 按权利1所述的纳米膨润土改性水性聚氨酯涂料，其特征在于所述的聚醚多元醇为聚氧化丙烯二醇或聚氧化丙烯三醇，多异氰酸酯为4，4’-二苯基甲烷二异氰酸酯，或为六亚甲基二异氰酸酯。

3. 按权利1或2所述的纳米膨润土改性水性聚氨酯涂料，其特征在于所述的亲水性扩链剂为2，2二羟甲基丙酸，成盐剂为三乙胺，交联剂为三羟甲基丙烷，或1，4’丁二醇。

4. 按权利3所述的纳米膨润土改性水性聚氨酯涂料，其特征在于所述的涂料组分为：

聚氧化丙烯二醇                 54g

4，4’-二苯基甲烷二异氰酸酯    33g

2，2二羟甲基丙酸               5.3g

三乙胺         3.9g

纳米膨润土     3.4g

去离子水       227g

5. 按权利3所述的纳米膨润土改性水性聚氨酯涂料，其特征在于所述的涂料组分为：

聚氧化丙烯二醇         54g

甲苯二异氰酸酯         23.8g

2，2二羟甲基丙酸       3.5g

三羟甲基丙烷           2.0g

三乙胺                 2.6g

纳米膨润土             2.9g

去离子水               203g

6. 按权利3所述的纳米膨润土改性水性聚氨酯涂料，其特征在于所述的涂料组分为：

聚氧化丙烯三醇           54g

六亚甲基二异氰酸酯       12g

2，2二羟甲基丙酸         3.5g

1，4’丁二醇             1.3g

三乙胺                   2.6g

纳米膨润土               2.5g

去离子水                 173g

7. 一种纳米膨润土改性水性聚氨酯涂料制备方法，其制备步骤如下：

将55～75g聚醚多元脂脱水后加入10～30g的多异氰酸酯，反应1～1.5小时，升温到85～90℃，反应1～3小时，加入3.5～7.5g的亲水性扩链剂，在85～95℃反应1～3小时，降温到65～75℃加入一定量的丙酮带回流反应1.5～2.5小时，降温到25～35℃加入1.5～5.5g成盐剂反应10～20分钟制得聚氨酯预聚体；取0.8～3.8g的纳米膨润土和170～270g的去离子水混合加热至45～60℃并搅拌制得纳米膨润土水分散液，纳米膨润土水分散液的PH值应为7～8之间；将上述的聚氨酯预聚体缓慢加入到纳米膨润土水分散液中，进行复合乳化20～40分钟，减压脱去丙酮，制得纳米膨润土改性水性聚氨酯涂料。

8. 按权利要求7所述的纳米膨润土改性水性聚氨酯涂料制备方法，其中所述的聚醚多元脂选自聚氧化丙烯二醇或聚氧化丙烯三醇，多异氰酸酯选自4，4’-二苯基甲烷二异氰酸酯或六亚甲基二异氰酸酯，亲水性扩链剂为2，2二羟甲基丙酸，成盐剂为三乙胺，交联剂选自三羟甲基丙烷或1，4’丁二醇。

9. 按权利要求8所述的纳米膨润土改性水性聚氨酯涂料制备方法，其制备步骤如下：

将聚氧化丙烯二醇54g，100℃脱水后加入4，4’-二苯基甲烷二异氰酸酯33g，75℃反应1小时，升温到90℃反应2小时，加入2，2二羟甲基丙酸5.3g，90℃反应2小时，降温到70℃加入100g丙酮带回流反应2小时，降温到30℃加入三乙胺3.9g反应10分钟制得聚氨酯预聚体；取纳米膨润土胶体3.4g和227g去离子水加热至50℃带搅拌纳米膨润土水分散液；将上述的聚氨酯预聚体，缓慢加入到纳米膨润土水分散液中，进行复合乳化30分钟，减压脱去丙酮，制得纳米膨润土改性水性聚氨酯涂料。

10. 按权利要求8所述的纳米膨润土改性水性聚氨酯涂料制备方法，其制备步骤如下：

将聚氧化丙烯三醇54g，95℃脱水后加入六亚甲基二异氰酸酯12g，80℃反应1小时，升温到90℃反应2小时，加入2，2二羟甲基丙酸3.5g，90℃反应2小时，降温到75℃加入1，4’丁二醇1.3g反应1小时，降温到65℃加入100g丙酮带回流反应2小时，降温到30℃加入三乙胺2.6g反应15分钟制得聚氨酯预聚体；取纳米膨润土2.5g和173g去离子水加热至55℃带搅拌纳米膨润土水分散液；将上述的聚氨酯预聚体，缓慢加入到纳米膨润土水分散液中，进行复合乳化30分钟，减压脱去丙酮，制得纳米膨润土改性水性聚氨酯涂料。