CN101440152A - 阳离子水性聚氨酯乳液的制备方法及其应用 - Google Patents

Abstract

本发明涉及公开了可作为纸和纸板表面施胶用的阳离子水性聚氨酯表面施胶剂的制备方法。选用甲苯二异氰酸酯(TDI)与聚酯二元醇、聚乙二醇、1，4－丁二醇和亲水扩链剂N－甲基二乙醇胺，采用“内乳化法”合成阳离子水性聚氨酯乳液。制得的聚氨酯乳液能较好地与硫酸铝、聚铝等铝盐配合使用。将制得的聚氨酯乳液与淀粉、铝盐等配合使用，用于纸和纸板的表面施胶，施胶效果良好，并对纸和纸板的相关性能有较大的改善。

Description

阳离子水性聚氨酯乳液的制备方法及其应用

技术领域

本发明涉及一种阳离子水性聚氨酯乳液的制备方法，尤其涉及可作为纸张表面施胶剂用的阳离子水性聚氨酯表面施胶剂的制备方法。

背景技术

已知的聚氨酯，是由二异氰酸酯与多元醇的加成聚合反应的产物，以其具有无毒，不燃性，耐油性和高强度及成膜性等优良的性能，使其在塑料、涂料、颜料、建筑等多领域中得到广泛的使用，这引起了纸业界的关注。

目前，已知的水性聚氨酯(WPU)以水为介质的聚氯酯分散体系，其水性化主要可以通过强制乳化和自乳化两种方法实现。自乳化法是在聚氨酯预聚体分子中引入亲水基团，使其能在水中乳化。

美国专利说明书US5846383披露了水性聚氨酯的制备方法，由四甘醇、丙三醇与丙二酸二甲酯在酯交换剂作用下形成低聚体与二异氰酸环己酯在80℃下反应4h得到聚氨酯。

杨晓敏，刘建平，沈一丁发表在2002年第5期第63-64页《中国造纸》杂志“阳离子聚氨酯施胶剂的研制及应用实验”一文，报道了以单硬脂酸甘油酯与甲苯二异氰酸酯进行重键加成反应制备预聚体，通过阳离子扩链剂进行扩链并引入自乳化阳离子基，得到中等分子质量的阳离子聚氨酯乳液。制得产品作为中性抄纸系统的纸料的浆内施胶剂用。该制备方法所用原料较贵，成本较高，且不能与施胶中常用的硫酸铝、聚铝一起使用，使其应用受到大大限制。

瞿金清，陈焕钦发表在2002年第18卷第1期第47-51页杂志《化学反应过程与工艺》“聚氨酯的合成研究”一文，披露了采用甲苯二异氰酸酯(TDI)与聚酯二醇、亲水扩链剂和其它多元醇反应合成阳离子水性聚氨酯乳液。该制备方法制得的阳离子聚氨酯因其阳离子度较高同样不能与硫酸铝、聚铝配合使用而大大降低了其施胶效果。

上述披露制备的阳离子水性聚氨酯，由于当前造纸表面施胶工艺中仍需大量使用硫酸铝以提高表面施胶效果，这是因为当纸中存在硫酸铝等阳离子成分的情况下，与施胶剂的亲水基的相互作用变得强烈，表面施胶的疏水性会得到进一步强化，从而能得到良好的施胶效果。而阳离子聚合物在酸性抄纸条件和金属离子存在的情况下不能稳定存在，这就大大限制了阳离子聚合物在纸张表面施胶中的应用。因此，纸业界亟待开发能有效的在纸张表面施胶中使用的阳离子水性聚氨酯乳液，经表面施胶处理纸张的表面，以达到提高纸张的表面强度性能和赋予纸张优异性能的目的。

发明内容

本发明的目的在于提供一种阳离子水性聚氨酯乳液的制备方法，所制备阳离子水性聚氨酯乳液，可作为纸和纸板的表面施胶剂，以提高纸和纸板的表面强度性能和赋予其它性能。

本发明为实现上述目的，所采用的技术方案是：

一种阳离子水性聚氨酯乳液的制备方法，其特征在于：所述的制备方法的步骤包括1)、聚氨酯预聚体的制备，2)、扩链反应和3)、中和及乳化，

1)聚氨酯预聚体的制备

主要原料：

聚酯二元醇，聚乙二醇，2，4-甲苯二异氰酸酯；聚氨酯预聚体的制备方法：将上述原材料按一定比例加入到带有搅拌和回流装置的反应釜中，在高纯氮气保护下，进行预聚反应，在预聚反应温度为45℃～55℃，反应时间为0.5-2h，制得聚氨酯预聚体，

制备预聚体反应方程式为：

HO-R…R-OH+OCN…NCO→OCN…R-R…NCO

                                     ，

2)扩链反应

将预聚体升温至60℃-70℃，向聚氨酯预聚体中加入1，4-丁二醇，反应2-3h，检测体系的NCO-含量，当NCO-含量达到理论值时，降温至50-60℃，添加亲水扩链剂N-甲基二乙醇胺，其用量为单体总量的5％-10％，，1小时内加完，进行扩链反应，扩链反应时间为2h，

扩链反应的方程式为：

3)中和，乳化

将扩链反应至NCO-含量达到理论值，冷却至20℃后，加入冰醋酸中和，并加丙酮稀释，粘度合适后加水并高速剪切乳化，将乳化后的液体蒸发脱除丙酮，即得到呈兰光的均匀阳离子聚氨酯乳液，

一种阳离子水性聚氨酯乳液表面施胶剂，将本发明所述方法制备的阳离子水性聚氨酯乳液与淀粉和硫酸铝按照一定的重量比配制，所述的重量比为，％以质量计，

本发明所述方法制备的阳离子水性聚氨酯乳液乳液：      2-5

淀粉：                                            61-67

硫酸铝：                                          31-34

一种阳离子水性聚氨酯乳液表面施胶剂表面施胶工艺，所述的工艺包括：

1)施胶剂的制备：将本发明方法制备的阳离子水性聚氨酯乳液与淀粉和硫酸铝按照一定的重量比配制，所述的重量比为，％以质量计，

本发明方法制备的阳离子水性聚氨酯乳液乳液：3-4，淀粉：65，硫酸铝：32，

2)施胶剂的浓度为30％重量计，施胶剂用量3-10g/m²，

3)在纸机机内施胶压榨装置上对纸和纸板进行表面施胶处理。

本发明的有益效果：

1、采用“内乳化法”制备了阳离子型水溶型聚氨酯，具有不燃、无毒、不污染环境、节省能源、操作加工方便等优点。

2、用聚乙二醇部分替代阳离子扩链剂，减少了阳离子扩链剂的用量，进而在一定程度上降低了乳液的阳离子性，制备的乳液能很好与硫酸铝配合使用于表面施胶。

3、解决了与硫酸铝的共用问题后，乳液用于表面施胶能大大提高表面施胶的效果。用于纸和纸板的表面施胶，经表面施胶处理后，施胶效果良好，并对纸和纸板的相关性能有较大的改善。

具体实施方式

以下结合附图和实施例对本发明详细说明。

实施例1

将用量60％(占固体质量)聚酯二元醇(CMA-1024)、5％(占固体质量)聚乙二醇和35％(占固体质量)甲苯二异氰酸酯(TDI)按一定比例加入到带有搅拌和回流装置的反应釜中，在高纯氮气保护下，进行预聚反应制备预聚体，反应时间为0.5h，反应温度45℃。升温至60℃，加入1，4-丁二醇，反应2h，检测体系的NCO-含量，当NCO-含量达到理论值时，降温至50℃，添加5％(占单体质量)用量的亲水扩链剂MDEA，1小时内加完，扩链反应2h。扩链反应至NCO-含量达到理论值，冷却至20℃后，加入冰醋酸中和，并加丙酮稀释，粘度合适后加水并高速剪切乳化，将乳化后的液体蒸发脱除丙酮，反应时间为0.5h，反应温度45℃。即得到阳离子水性聚氨酯乳液。

实施例2

预聚体的制备，扩链反应及中和及乳化步骤，与实施例1相同，不同的是，在预聚体制备中，聚酯二元醇与聚乙二醇的物质量的比为10:1，预聚反应温度为50℃，反应时间0.5h，扩链反应，与实施例1相同，不同的是，升温温度为55℃，降温至55℃，添加用量8％(占单体质量)的亲水扩链剂MDEA。

实施例3

预聚体制备，扩链反应及中和及乳化步骤，实施例1相同，不同的是，在预聚体制备中，聚酯二元醇与聚乙二醇的物质量的比为9:1，预聚反应温度为55℃，反应时间2h，，反应2.5h，扩链反应，与实施例1相同，不同的是，升温温度为60℃，降温至50℃，添加用量8％(占单体质量)的亲水扩链剂MDEA。

实施例4

将上述实施例1-3中的任一制备的阳离子水性聚氨酯乳液，作为表面施胶剂，与淀粉和硫酸铝按照一定的重量比配制配制成表面施胶胶料，所述的重量比为，％以质量计，

胶料配比            用量，％(以质量计)

乳液                4

淀粉                65

硫酸铝              32

一种阳离子水性聚氨酯乳液表面施胶剂表面施胶工艺，所述的工艺包括：

1)涂布原纸

由60％针叶木硫酸盐浆与40％阔叶木硫酸盐浆制成的，

2)施胶剂的制备：将实施例1所述方法制备的阳离子水性聚氨酯乳液与淀粉和硫酸铝按照一定的重量比配制，所述的重量比为，％以质量计

乳液：4，淀粉：65，硫酸铝：32，

3)施胶剂的浓度为30％重量计，施胶剂用量为5g/m²，

4)在纸机机内施胶压榨装置上对涂布原纸进行表面施胶处理。

对涂布原纸进行表面施胶处理，施胶处理结果，见表1。

表1

本发明采用“内乳化法”制备了阳离子型水溶型聚氨酯，为造纸企业提供了所需求的一种环保型的高效廉价的阳离子聚氨酯表面施胶剂。

本发明具有工艺操作简单，节能环保，良好的施胶效果的优点。

Claims (3)

1、一种阳离子水性聚氨酯乳液的制备方法，其特征在于：所述的制备方法的步骤包括

1)聚氨酯预聚体的制备

主要原料：聚酯二元醇，聚乙二醇，2，4-甲苯二异氰酸酯；聚氨酯预聚体的制备方法：将上述原材料按一定比例加入到带有搅拌和回流装置的反应釜中，在高纯氮气保护下，进行预聚反应，在预聚反应温度为45℃～55℃，反应时间为0.5-2h，制得聚氨酯预聚体，

制备预聚体反应方程式为：

HO—R…R—OH+OCN…NCO→OCN…R—R…NCO

                                            ，

2)扩链反应

将预聚体升温至60℃-70℃，向聚氨酯预聚体中加入1，4-丁二醇，反应2-3h，检测体系的NCO-含量，当NCO-含量达到理论值时，降温至50-60℃，添加亲水扩链剂N-甲基二乙醇胺，其用量为单体总量的5％-10％，，1小时内加完，进行扩链反应，扩链反应时间为2h，

扩链反应的方程式为：

3)中和及乳化

将扩链反应至NCO-含量达到理论值，冷却至20℃后，加入冰醋酸中和，并加丙酮稀释，粘度合适后加水并高速剪切乳化，将乳化后的液体蒸发脱除丙酮，即得到呈兰光的均匀阳离子聚氨酯乳液，

2、一种阳离子水性聚氨酯乳液表面施胶剂，其特征在于：将权利要求1所述方法制备的阳离子水性聚氨酯乳液与淀粉和硫酸铝按照一定的重量比配制，所述的重量比为，％以质量计，

权利要求1所述方法制备的阳离子水性聚氨酯乳液：2-5

淀粉：                                      61-67

硫酸铝：                                    31-34

3、一种阳离子水性聚氨酯乳液表面施胶剂表面施胶工艺：其特征在于：所述的工艺包括：

1)施胶剂的制备：将权利要求1所述方法制备的阳离子水性聚氨酯乳液与淀粉和硫酸铝按照一定的重量比配制，所述的重量比为，％以质量计，权利要求1所述方法制备的阳离子水性聚氨酯乳液：3-4，淀粉：65，硫酸铝：32，

2)施胶剂的浓度为30％，施胶剂用量3-10g/m²，

3)在纸机机内施胶压榨装置上对纸和纸板进行表面施胶处理。