背景技术
单组份涂料(油墨、胶黏剂)存在着耐水性不佳、附着力不好等方面的缺陷,因此根据目前工业界的发展趋势,双组份涂料(油墨、胶黏剂)将是未来涂料工业的发展重点。目前,双组份组成之一的固化剂的研究成为热点。甲苯二异氰酸酯系列固化剂(加成物、缩二脲、三聚体)在国内占据重要的市场份额。但是由于甲苯二异氰酸酯本身存在较大的毒性对施工人员和环境都存在危害,随着人们环保意识的增强,甲苯二异氰酸酯系列固化剂在未来的应用必将受到限制。六亚甲基二异氰酸酯系列固化剂和异佛尔酮二异氰酸酯系列固化剂由于成本较高,推广还需要时间。
MDI成本低,国内公司烟台万华是很有实力的MDI生产厂家,可以提供廉价充足的原料。国外大公司也纷纷来中国拓展MDI业务。国内外越来越多的企业、研究机构关注MDI固化剂的研究。所以MDI系列固化剂在未来将会得到大力研究和开发。
有机硅化合物具有良好的耐热性、耐候性、绝缘性、阻燃性以及气体渗透性和生物兼容性,广泛用于聚氨酯、聚丙烯酸、环氧树脂等树脂体系的改性,使树脂性能与有机硅性能互补,从而使整体性能得到改善。
国内外已有MDI固化剂的相关专利。CN 101327128A介绍了一种高相容性TDI和MDI混合三聚体的制备方法,该发明先用TDI、MDI与小分子多元醇反应得到预聚物,之后在加入三聚催化剂反应掉残余的NCO,并加入分子量调节剂(氯硅烷类)以控制MDI的活性,达到调节产物的分子量的目的。
CN 1232555C(US6884904B2)介绍了一种控制结构的异氰酸酯基封端的聚氨酯预聚物组合物,这种预聚物是一种理想结构,是每个分子中只含有一个多元醇分子的加合物。该预聚物组合物还含有少于2%(wt)的单体MDI。该组合物适用于聚氨酯胶黏剂,可改进干湿强度、减小挥发性以及提高安全性。
CN 101307127A介绍了一种适用于包装复膜用的低游离MDI含量的聚氨酯固化剂的制备方法。其创新性在于:以较高摩尔比的MDI和多元醇在溶剂中反应,同时加入分子量调节剂,之后再加入三聚催化剂进行三聚反应,最后加入阻聚剂得到产物。
CN 101307126A介绍了一种MDI三聚体固化剂的制备方法。其创新点在于溶剂中反应时加入氯硅烷类分子量调节剂控制产物分子量,最后加入阻聚剂终止反应得到产物。
EP0307742A2(US4743627)介绍了一种液体异氰脲酸酯改性的聚合MDI组合物,其含有较高的两环MDI含量。聚合MDI在三聚催化剂存在下先行三聚成异氰尿酸酯,粘度达到一定程度后将催化剂去活性,然后与MDI共混得到产物。
上述专利在附着力、耐候性能等方面存在缺陷,而优异附着力以及良好耐候性等正是当今业界亟需解决的问题,本发明正是基于这些考虑来设计MDI多异氰酸酯的。
发明内容
本发明的目的是提供一种含二苯甲烷基二异氰酸酯的多异氰酸酯及制备方法,即一种含功能性基团有机硅的MDI多异氰酸酯及其制备方法,使该方法制备的MDI多异氰酸酯成本较低,工艺简单。固化剂产品易于推广应用。
本发明所提供的MDI多异氰酸酯,从另外一个角度看,也是一种长链的硅烷偶联剂,可以起到附着力促进剂的作用。该多异氰酸酯作为固化剂时,结合异氰酸酯和有机硅的优势,具有较高的官能度,能够提供更多的交联点,在干燥时候可以达到快干的效果,同时也能够提高附着力和前文所述专利所不及的良好耐候性和疏水性。
本发明提供的MDI多异氰酸酯是一种基于含有有机硅的异氰脲酸酯。其制备方法如下:
(1)所有原料经过脱水处理,在惰性气体如氩气保护条件下,加入100g~300g惰性溶剂于反应器中,二苯甲烷基二异氰酸酯三聚体与含功能性基团有机硅化合物按照摩尔比1∶1进行投料,-10℃~60℃条件下反应得到中间产物,优选反应温度为-10℃~10℃,最优选0℃;
(2)上述步骤(1)的反应产物与两端含活性氢的化合物按照摩尔比2∶1进行投料,并加入0~0.1g有机锡催化剂,-10℃~60℃条件下反应得到最终产物I,优选反应温度为60℃。
所述产物具有如下的结构:
其中,R为二苯基甲烷基;R
1为饱和或不饱和的,并且为含有直链或支链的烷基、环烷基、芳基的基团,其主要碳数是C
1~C
8,如-CH
2-、-CH
2CH
2-、-CH
2CH
2CH
2-、-C
4H
8-、-C
5H
10-、-C
6H
12-、-C
7H
14-、-C
8H
16-、环戊基、环己基以及苯基、甲苯基、乙苯基;R
1优选-CH
2CH
2CH
2-和苯基。R
1还可以是
p、q为0~20之间的整数,优选0~10间的整数,最优选0~5间的整数。
R2、R3为碳链长度C1~C6的烷基,芳基,三烷基硅基,烷氧基烷基类,如甲基、乙基、丙基、异丙基、正丁基、异丁基、正戊基、异戊基、新戊基、正己基、苯基、甲苯基、乙苯基、三甲基硅基、三乙基硅基、三苯基硅基、甲氧基甲基、甲氧基乙基、甲氧基丙基、乙氧基甲基、乙氧基乙基、乙氧基丙基;R2优选甲基、乙基;R3优选甲基、苯基。N为0~3的整数。
R4为饱和的或者不饱和的二价烃基(C2~C20),如-CH2-、-CH2CH2-、-CH2CH2CH2-、-C4H8-、-C5H10-、-C6H12-、-C7H14-、-C8H16-、-C9H18-、-C10H20-、-C11H22-、-C12H24-、-C13H26-、-C14H28-、-C15H30-、-C16H32-、-C17H34-、-C18H36-、-C19H38-、-C20H40-、环戊基、环己基以及不饱和二价烃基,优选-C4H8-、-C6H12-;分子量在100~2000之间的聚醚链段(如聚乙二醇醚、聚丙二醇醚、聚四氢呋喃醚)、聚酯链段(聚己二酸乙二醇酯、聚己二酸丁二醇酯、聚对/邻/间苯二甲酸乙二醇酯)、聚丁二烯醚链段、聚氨酯链段以及聚碳酸酯链段,优选分子量为500~1000;或者分子量在100~2000的端羟烃基硅氧烷链段和端胺烃基硅氧烷链段,优选分子量为500~1000。
X为-O-、-NH-、
-S-,优选结构为-O-、-NH-;Y为-S-、-O-、-NH-、-NHCH
2CH
2NH-、-NHCH
2CH
2NHCH
2CH
2NH-、-NHCONH-、
(m≥0的正整数),优选结构为-O-、-NH-、-N(n-C
4H
9)-。
本发明所述多异氰酸酯的制备方法是在如N2、Ar等惰性气体氛中和惰性溶剂中完成的,包括苯类、酮类、酯类溶剂,及其两种或两种以上的混合溶剂;惰性气体优选Ar,惰性溶剂优选乙酸乙酯或乙酸乙酯和其它溶剂的混合溶剂。
所述催化剂为有机锡类催化剂,包括二月桂酸二丁基锡、马来酸二丁基锡、二乙酸二丁基锡、二月桂基硫醇二丁基锡以及辛酸亚锡,优选二月桂酸二丁基锡。
所述异氰酸酯三聚体与含功能性基团有机硅化合物的摩尔比为1∶1,以确保有足够的异氰酸酯基团可供发生交联反应。
具体实施方案
本发明的含二苯甲烷基二异氰酸酯的多异氰酸酯,结构如下:
其中,R为二苯基甲烷基;R1为饱和或不饱和的,并且为含有直链或支链的烷基、环烷基、芳基的基团,其主要碳数是C1~C8,如-CH2-、-CH2CH2-、-CH2CH2CH2-、-C4H8-、-C5H10-、-C6H12-、-C7H14-、-C8H16-、环戊基、环己基以及苯基、甲苯基、乙苯基;R1优选-CH2CH2CH2-和苯基。R1还可以是p、q为0~20之间的整数,优选0~10间的整数,最优选0~5间的整数。
R2、R3为碳链长度C1~C6的烷基,芳基,三烷基硅基,烷氧基烷基类,如甲基、乙基、丙基、异丙基、正丁基、异丁基、正戊基、异戊基、新戊基、正己基、苯基、甲苯基、乙苯基、三甲基硅基、三乙基硅基、三苯基硅基、甲氧基甲基、甲氧基乙基、甲氧基丙基、乙氧基甲基、乙氧基乙基、乙氧基丙基;R2优选甲基、乙基;R3优选甲基、苯基。n为0~3的整数。
R4为饱和的或者不饱和的二价烃基(C2~C20),如-CH2-、-CH2CH2-、-CH2CH2CH2-、-C4H8-、-C5H10-、-C6H12-、-C7H14-、-C8H16-、-C9H18-、-C10H20-、-C11H22-、-C12H24-、-C13H26-、-C14H28-、-C15H30-、-C16H32-、-C17H34-、-C18H36-、-C19H38-、-C20H40-、环戊基、环己基以及不饱和二价烃基,优选-C4H8-、-C6H12-;分子量在100~2000之间的聚醚链段(如聚乙二醇醚、聚丙二醇醚、聚四氢呋喃醚)、聚酯链段(聚己二酸乙二醇酯、聚己二酸丁二醇酯、聚对/邻/间苯二甲酸乙二醇酯)、聚丁二烯醚链段、聚氨酯链段以及聚碳酸酯链段,优选分子量为500~1000;或者分子量在100~2000的端羟烃基硅氧烷链段和端胺烃基硅氧烷链段,优选分子量为500~1000。
X为-O-、-NH-、
-S-,优选结构为-O-、-NH-;Y为-S-、-O-、-NH-、-NHCH
2CH
2NH-、-NHCH
2CH
2NHCH
2CH
2NH-、-NHCONH-、
(m≥0的正整数),优选结构为-O-、-NH-、-N(n-C
4H
9)-。
本发明所述含有机硅的二苯甲烷基二异氰酸酯多异氰酸酯的制备方法,步骤如下:
(1)所有原料经过脱水处理,在惰性气体如氩气保护条件下,加入100g~300g惰性溶剂于反应器中,二苯甲烷基二异氰酸酯三聚体与含功能性基团有机硅化合物按照摩尔比1∶1进行投料,-10℃~60℃条件下反应得到中间产物,优选反应温度为-10℃~10℃,最优选0℃;
(2)上述步骤(1)的反应产物与两端含活性氢的化合物按照摩尔比2∶1进行投料,并加入0~0.1g有机锡催化剂,-10℃~60℃条件下反应得到最终产物I,优选反应温度为60℃。
所述的含有机硅的二苯甲烷基二异氰酸酯多异氰酸酯的制备方法,其反应在惰性气体氩气或者氮气中;并在惰性溶剂中进行,所用溶剂为氨酯级溶剂,惰性溶剂包括苯类、酮类、酯类溶剂,及其两种或两种以上惰性溶剂的混合溶剂;惰性气体优选Ar,惰性溶剂优选乙酸乙酯或乙酸乙酯和其它溶剂的混合溶剂。
所用有机锡催化剂包括二丁基二月桂酸锡、马来酸二丁基锡、二乙酸二丁基锡、二月桂基硫醇二丁基锡以及辛酸亚锡,优选二月桂酸二丁基锡。
所述的二苯甲烷基二异氰酸酯三聚体与含功能性基团的有机硅化合物的摩尔比为1∶1。
本发明所描述的权限包含以下实例但不仅仅局限于以下实例,任何与本发明有关的内容都在本发明的权限保护范围之内。
实施例1
在装有温度计、回流冷凝管、搅拌、滴液漏斗的500mL四口烧瓶中,在0℃(冰水混合浴)和Ar气保护下,加入MDI三聚体75g,并用200g乙酸乙酯将其溶解,缓慢滴加23.5gN-正丁基氨丙基三甲氧基硅烷以及0.085g二月桂酸二丁基锡,搅拌下反应3h;之后升温至60℃并加入1,4-丁二醇3g,继续反应4h即可。将上述产物在减压条件下脱除部分溶剂得到90%固含量的最终产物,粘度为1285mPa.s。
实施例2
在装有温度计、回流冷凝管、搅拌、滴液漏斗的500mL四口烧瓶中,在室温0℃(冰水混合浴)和Ar气保护下,加入MDI三聚体75g,并用200g乙酸乙酯将其溶解,缓慢滴加22.1g氨丙基三乙氧基硅烷以及0.07g二月桂酸二丁基锡,搅拌下反应3h;之后升温至60℃并加入乙二醇2.3g,继续反应4h即可。将上述产物在减压条件下脱除部分溶剂得到90%固含量的最终产物,粘度为1055mPa.s。
实施例3
在装有温度计、回流冷凝管、搅拌、滴液漏斗的500mL四口烧瓶中,在室温和Ar气保护下,加入MDI三聚体75g,并用200g乙酸乙酯将其溶解,缓慢滴加19.6g巯基三乙氧基硅烷以及0.07g辛酸亚锡,搅拌下反应3h;之后升温至60℃并加入分子量为500的聚四氢呋喃醚多元醇20g,继续反应4h即可。将上述产物在减压条件下脱除部分溶剂得到75%固含量的最终产物,粘度为1418mPa.s。
实施例4
在装有温度计、回流冷凝管、搅拌、滴液漏斗的500mL四口烧瓶中,在室温和Ar气保护下,加入MDI三聚体75g,并用100g乙酸乙酯和100g丙酮将其溶解,缓慢滴加18g羟丙基三乙氧基硅烷以及0.065g二月桂酸二丁基锡,搅拌下反应3h;之后升温至60℃并加入分子量为500的端羟烃基硅氧烷20g,继续反应4h即可。将上述产物在减压条件下脱除部分溶剂得到75%固含量的最终产物,粘度为1823mPa.s。
实施例5
在装有温度计、回流冷凝管、搅拌、滴液漏斗的500mL四口烧瓶中,在室温和Ar气保护下,加入MDI三聚体75g,并用100g四氢呋喃和100g乙酸乙酯将其溶解,缓慢滴加18g羟丙基三乙氧基硅烷以及0.065g二月桂酸二丁基锡,搅拌下反应3h;之后升温至60℃并加入分子量为500的端氨烃基硅氧烷20g,继续反应4h即可。将上述产物在减压条件下脱除部分溶剂得到50%固含量的最终产物,粘度为1680mPa.s。
实施例6
在装有温度计、回流冷凝管、搅拌、滴液漏斗的500mL四口烧瓶中,在室温和Ar气保护下,加入MDI三聚体75g,并用100g乙酸乙酯和100丁酮将其溶解,缓慢滴加21.9gN-正丁基氨丙基甲基甲氧基硅烷以及0.085g二月桂酸二丁基锡,搅拌下反应3h;之后升温至60℃并加入聚氧化乙烯醚多元醇(分子量2000)70g,继续反应4h即可。将上述产物在减压条件下脱除部分溶剂得到50%固含量的最终产物,粘度为1706mPa.s。
实施例7
在装有温度计、回流冷凝管、搅拌、滴液漏斗的500mL四口烧瓶中,在0℃(冰水混合浴)和Ar气保护下,加入MDI三聚体75g,并用150g丙酮和50g乙酸乙酯将其溶解,缓慢滴加23.5gN-正丁基氨丙基三甲氧基硅烷以及0.085g二月桂酸二丁基锡,搅拌下反应3h;之后升温至60℃并加入分子量为500的聚碳酸酯二元醇25g,继续反应4h即可。将上述产物在减压条件下脱除部分溶剂得到75%固含量的最终产物,粘度为1590mPa.s。
实施例8
在装有温度计、回流冷凝管、搅拌、滴液漏斗的500mL四口烧瓶中,在室温和Ar气保护下,加入MDI三聚体75g,并用200g四氢呋喃将其溶解,缓慢滴加22.7g苯胺甲基三甲氧基硅烷以及0.075g二月桂酸二丁基锡,搅拌下反应3h;之后升温至60℃并加入分子量为1000的聚己二酸丁二醇酯多元醇50g,继续反应4h即可。将上述产物在减压条件下脱除部分溶剂得到75%固含量的最终产物,粘度为1775mPa.s。
实施例9
在装有温度计、回流冷凝管、搅拌、滴液漏斗的500mL四口烧瓶中,在0℃(冰水混合浴)和Ar气保护下,加入MDI三聚体75g,并用200g甲苯将其溶解,缓慢滴加69g
以及0.08g二月桂酸二丁基锡,搅拌下反应4h;之后升温至60℃并加入1,6-己二胺4g,继续反应4h即可。将上述产物在减压条件下脱除部分溶剂得到75%固含量的最终产物,粘度为1972mPa.s。
实施例10
在装有温度计、回流冷凝管、搅拌、滴液漏斗的500mL四口烧瓶中,在室温和Ar气保护下,加入MDI三聚体75g,并用200g丙酮将其溶解,缓慢滴加22.4g HOCH2CH2OC3H6Si(OCH3)3以及0.075g二月桂酸二丁基锡,搅拌下反应3h;之后升温至60℃并加入1,6-己二醇4.5g,继续反应4h即可。将上述产物在减压条件下脱除部分溶剂得到75%固含量的最终产物,粘度为1431mPa.s。
应用例实施方法:
取上述实施例中所得到的产品为固化剂组分,取市售牌号为AC150的羟基丙烯酸树脂作为羟基组分,按照NCO/OH的摩尔比为1.25∶1配制成30%固含量双组份玻璃用清漆。
比较例实施方法:
取市售的MDI加成物为固化剂组分,取市售牌号为AC150的羟基丙烯酸树脂作为羟基组分,按照NCO/OH的摩尔比为1.25∶1配制成30%固含量双组份玻璃用清漆。
所得上述清漆的性能作如下比较:
产品 |
固含量% |
附着力级 |
耐候性 |
水接触角° |
硬度 |
表干时间min |
应用例1 |
30 |
1 |
很轻微变色,无粉化,无可见开裂 |
99 |
3H |
<10 |
应用例2 |
30 |
1 |
轻微变色,无粉化,无可见开裂 |
89 |
3H |
<10 |
应用例3 |
30 |
1 |
轻微变色,无粉化,无可见开裂 |
90 |
2H |
<10 |
应用例4 |
30 |
2 |
很轻微变色,无粉化,无可见开裂 |
97 |
2H |
<10 |
应用例5 |
30 |
2 |
很轻微变色,无粉化,无可见开裂 |
101 |
H |
<15 |
应用例6 |
30 |
1 |
轻微变色,无粉化,无可见开裂 |
88 |
H |
<15 |
应用例7 |
30 |
1 |
较轻微变色,无粉化,无可见开裂 |
92 |
2H |
<10 |
应用例8 |
30 |
1 |
轻微变色,无粉化,无可见开裂 |
91 |
H |
<15 |
应用例9 |
30 |
2 |
轻微变色,无粉化,无可见开裂 |
87 |
2H |
<20 |
产品 |
固含量% |
附着力级 |
耐候性 |
水接触角° |
硬度 |
表干时间min |
应用例10 |
30 |
2 |
轻微变色,无粉化,无可见开裂 |
91 |
2H |
<15 |
比较例1 |
30 |
2 |
明显变色,轻微粉化,可见开裂 |
78 |
2H |
<20 |
从表中可以看出,本发明的应用实施例在疏水性和耐候性方面要明显好于比较例的产品的相应性能。在附着力、硬度以及快干性方面也具有良好的性能,尤其是本发明应用例1所得到的产品在附着力、硬度、耐候性以及快干性等方面有良好的综合性能,较好的体现了本发明的设计理念,因此可以满足双组份体系的固化剂要求;且本发明的MDI成本较低,所以,该多异氰酸酯在双组份涂料领域将有着广泛的应用。