CN101709198B - 一种水性聚氨酯乳液涂料及其制备方法 - Google Patents

Abstract

本发明涉及一种水性聚氨酯乳液涂料及其制备方法，该涂料包括以下组分及含量(wt％)：异福尔酮二异氰酸酯20～40、聚酯20～40、亲水性扩链剂5～10、扩链剂2～10、交联剂1～3、中和剂3～10、N-甲基吡咯烷酮0.5～8，制备工艺包括备料、聚酯除水、预聚物合成、预聚物中和、扩链及乳化步骤。与现有技术相比，本发明只使用少量的高沸点溶剂，不采用丙酮，使产品不具有丙酮残留，具有优良的耐温性、耐候性、剥离性和耐水性，在包装涂料领域上有广泛的应用。

Description

一种水性聚氨酯乳液涂料及其制备方法

技术领域

本发明涉及一种涂料及其制备方法，尤其是涉及一种水性聚氨酯乳液涂料及其制备方法。

背景技术

聚氨酯(PU)涂料具有优异的耐磨蚀、柔韧性、附着力和耐化学品性等性能，广泛用作木器漆、建筑涂料、汽车漆及防水涂料等领域。由于溶剂型分聚氨酯中含有大量有机溶剂，严重污染环境，特别是溶剂型的残留异氰酸酯单体，毒性很高，对人的身体健康危害极大。

随着人类生活质量的提高，环保法规也越来越严格，各种环保条例对挥发性有机化合物(VOC)的排放量、有害溶剂的含量都有严格限制。水性聚氨酯由于其以水为分散介质，不仅具有无毒、不易燃烧、不污染环境、节能、安全可靠等优点，因此近年来水性聚氨酯乳液涂料获得了广泛的关注。但国内水性聚氨酯乳液的研究起步较晚，发展也较缓慢。70年代后期国内对其开展了相关的研究，但聚醚型、甲苯二异氰酸酯(TDI)芳香族型占绝大多数，其合成出的水性聚氨酯容易黄变，且膜的表面发粘，机械性能也不太理想。本发明对聚酯型和异福尔酮二异氰酸酯(IPDI)的水性聚氨酯的合成进行了研究。

发明内容

本发明的目的就是为了克服上述现有技术存在的缺陷而提供一种耐黄变、耐水性较好、在PET薄膜上易剥离，具有较好的耐模压温度的水性聚氨酯乳液涂料及其制备方法。

本发明的目的可以通过以下技术方案来实现：

一种水性聚氨酯乳液涂料，其特征在于，该涂料包括以下组分及含量(wt％)：

异福尔酮二异氰酸酯    20～40；

聚酯                  20～40；

亲水性扩链剂          5～10；

扩链剂                2～10；

交联剂                1～3；

中和剂                3～10；

N-甲基吡咯烷酮        0.5～8。

所述的聚酯包括市售聚酯210N或聚酯220N。

所述的亲水性扩链剂包括二羟甲基丙酸、二羟甲基丁酸、酒石酸或乙二胺基乙磺酸钠。

所述的扩链剂包括异福尔酮二胺、乙二胺、三甲基乙二胺、乙二醇、甲基丙二醇、一缩乙二醇、1，4-丁二醇或对苯二酚二羟乙基醚。

所述的交联剂包括三羟甲基丙烷、三乙醇胺或三乙胺。

所述的中和剂包括氢氧化钠、氢氧化钾、氨水、三乙胺、三甲胺或N，N-二甲基乙醇胺。

一种水性聚氨酯乳液涂料的制备方法，其特征在于，该方法包括以下步骤：

(1)备料

按照以下组分及含量(wt％)备料：

异福尔酮二异氰酸酯    20～40，

聚酯                  20～40，

亲水性扩链剂          5～10，

扩链剂                2～10，

交联剂                1～3，

中和剂                3～10，

N-甲基吡咯烷酮        0.5～8；

(2)聚酯除水

称取聚酯，将该聚酯加热至110～130℃，并利用油泵抽真空干燥0.5～2h，然后将聚酯降温到70～85℃；

(3)预聚物合成

把异福尔酮二异氰酸酯加入聚酯中，控制温度为70～85℃搅拌反应1～3h，然后加入亲水性扩链剂及交联剂，继续搅拌1～3h，得到预聚物；

(4)预聚物中和

将预聚物的温度降至40～50℃，加入N-甲基吡咯烷酮，再通过恒压滴定漏斗滴加中和剂，搅拌反应15～45min；

(5)扩链及乳化

将扩链剂溶解在水中，再通过恒压滴定漏斗将扩链剂溶液滴加到中和后的预聚物中，搅拌速率控制在1000～3000rpm，搅拌20～40min后取出液体，静置，即得到样品。

与现有技术相比，本发明有效提高了聚合物的分子量，玻璃化温度和熔融温度有大幅度提高，制成的膜具有特别优良的耐黄变性及耐温性，不易分解或变黄，能长期保持原有的光泽及色泽，还有较好的耐酸、碱、盐、油脂、洗涤剂等化学品的耐腐蚀性能。此外，该涂料成膜后的断裂伸长率和断裂强度等机械性能都非常优异。同时，水性聚氨酯无色透明，不含有丙酮等易挥发性溶剂，比常规的丙酮法制得的水性聚氨酯的VOC含量更小。而提高水性聚氨酯的耐温性后，使其可以更适应包装领域的生产工艺。具体优点如下：

(1)该产品具有优良的耐黄变性，将膜在紫外光下连续照射168h，其色差值＜0.5；

(2)耐温变性好，水性聚氨酯乳液经过6个冻融温变循环(-20℃～20℃)，未见沉淀；

(3)耐水、耐醇性好，将水性聚氨酯铸成一定形状厚度的薄膜，置于水或醇中，48h不发白，吸水率＜15％；

(4)在一定压力下，耐模压温度高，将水性聚氨酯涂在镀铝白卡纸上，一定温度下烘干后，膜在180～200℃下不发粘；

(5)剥离性好，将水性聚氨酯涂均匀涂在PET薄膜上，其剥离力小，且拖尾明显；

(6)稳定性好，通过离心机3000转离心15min后无沉淀，常规保存稳定时间大于6个月。

具体实施方式

下面结合具体实施例对本发明进行详细说明。

实施例1

一种水性聚氨酯乳液涂料的制备方法，该方法包括以下步骤：

(1)备料：

按照以下组分及重量准备原料：20g异福尔酮二异氰酸酯、20g市售聚酯210N、5g二羟基丙酸、5g异福尔酮二胺、1g三羟甲基丙烷、3.77g三乙胺、2gN-甲基吡咯烷酮(5mL)；

(2)预聚物的制备：

将聚酯210N加入三口烧瓶中，抽真空加热到130℃，除水1h，然后降温至80℃，将异福尔酮二异氰酸酯加入烧瓶中，反应2h，随后加入二羟基丙酸及三羟甲基丙烷，继续反应1h，然后降温至50℃，采用三乙胺作为中和剂，利用恒压滴定漏斗将中和剂加入三口烧瓶中，加入N-甲基吡咯烷酮(NMP)调节粘度，搅拌30min，得到预聚物；

(3)乳液的制备：

称取128g去离子水，将异福尔酮二胺溶解在其中，控制搅拌机的速率为2000rpm，利用恒压滴定漏斗将异福尔酮二胺溶液滴加到预聚物中，搅拌30min后取出静置，即可得到水性聚氨酯乳液涂料。

实施例2

一种水性聚氨酯乳液涂料的制备方法，该方法包括以下步骤：

(1)备料：

按照以下组分及重量准备原料：20g异福尔酮二异氰酸酯、20g市售聚酯210N、5g二羟基丙酸、5g异福尔酮二胺、1g三羟甲基丙烷、3.32gN，N-二甲基乙醇胺、2g N-甲基吡咯烷酮(5mL)；

(2)预聚物的制备：

将聚酯210N加入三口烧瓶中，抽真空加热到130℃，除水1h，然后降温至70℃，将异福尔酮二异氰酸酯加入烧瓶中，反应3h，随后加入二羟基丙酸及三羟甲基丙烷，继续反应2h，然后降温至40℃，采用N，N-二甲基乙醇胺作为中和剂，利用恒压滴定漏斗将中和剂加入三口烧瓶中，加入N-甲基吡咯烷酮(NMP)调节粘度，搅拌30min，得到预聚物；

(3)乳液的制备：

称取128g去离子水，将异福尔酮二胺溶解在其中，控制搅拌机的速率为2500rpm，利用恒压滴定漏斗将异福尔酮二胺溶液滴加到预聚物中，搅拌30min后取出静置，即可得到水性聚氨酯乳液涂料。

实施例3

一种水性聚氨酯乳液涂料的制备方法，该方法包括以下步骤：

(1)备料：

按照以下组分及重量准备原料：20g异福尔酮二异氰酸酯、20g市售聚酯210N、5g二羟基丙酸、3g一缩乙二醇、1g三羟甲基丙烷、3.77g三乙胺、3g N-甲基吡咯烷酮；

(2)预聚物的制备：

将聚酯210N加入三口烧瓶中，抽真空加热到130℃，除水1h，然后降温至70℃，将异福尔酮二异氰酸酯加入烧瓶中，反应5h，随后加入二羟基丙酸及三羟甲基丙烷，继续反应2h，然后降温至40℃，采用三乙胺作为中和剂，利用恒压滴定漏斗将中和剂加入三口烧瓶中，加入N-甲基吡咯烷酮(NMP)调节粘度，搅拌40min，得到预聚物；

(3)乳液的制备：

称取128g去离子水，将一缩乙二醇溶解在其中，控制搅拌机的速率为2500rpm，利用恒压滴定漏斗将一缩乙二醇溶液滴加到预聚物中，搅拌30min后取出静置，即可得到水性聚氨酯乳液涂料。

实施例4

一种水性聚氨酯乳液涂料的制备方法，该方法包括以下步骤：

(1)备料：

按照以下组分及重量准备原料：20g异福尔酮二异氰酸酯、20g市售聚酯210N、5g二羟基丙酸、5g对苯二酚二羟乙基醚、1g三羟甲基丙烷、3.77g三乙胺、3gN-甲基吡咯烷酮；

(2)预聚物的制备：

将聚酯210N加入三口烧瓶中，抽真空加热到130℃，除水1h，然后降温至70℃，将异福尔酮二异氰酸酯加入烧瓶中，反应5h，随后加入二羟基丙酸及三羟甲基丙烷，继续反应2h，然后降温至40℃，采用三乙胺作为中和剂，利用恒压滴定漏斗将中和剂加入三口烧瓶中，加入N-甲基吡咯烷酮(NMP)调节粘度，搅拌40min，得到预聚物；

(3)乳液的制备：

称取128g去离子水，将对苯二酚二羟乙基醚溶解在其中，控制搅拌机的速率为2500rpm，利用恒压滴定漏斗将对苯二酚二羟乙基醚溶液滴加到预聚物中，搅拌30min后取出静置，即可得到水性聚氨酯乳液涂料。

实施例5

一种水性聚氨酯乳液涂料的制备方法，其特征在于，该方法包括以下步骤：

(1)备料：

按照以下组分及含量备料：20g异福尔酮二异氰酸酯、40g市售聚酯220N、5g亲水性扩链剂酒石酸、2g扩链剂乙二醇、1g交联剂三乙醇胺、3g中和剂氢氧化钠、0.5g N-甲基吡咯烷酮(NMP)；

(2)聚酯除水：

将聚酯220N加热至110℃，并利用油泵抽真空干燥0.5h，然后将聚酯降温到70℃；

(3)预聚物合成：

把异福尔酮二异氰酸酯加入聚酯220N中，控制温度为70℃搅拌反应1h，然后加入亲水性扩链剂酒石酸及交联剂三乙醇胺，继续搅拌1h，得到预聚物；

(4)预聚物中和：

将预聚物的温度降至40℃，加入N-甲基吡咯烷酮，再通过恒压滴定漏斗滴加中和剂氢氧化钠溶液，搅拌反应15min；

(5)扩链及乳化

将扩链剂乙二醇溶解在130g去离子水中，再通过恒压滴定漏斗将乙二醇溶液滴加到中和后的预聚物中，搅拌速率控制在1000rpm，搅拌40min后取出液体，静置，即得到水性聚氨酯乳液涂料。

实施例6

一种水性聚氨酯乳液涂料的制备方法，该方法包括以下步骤：

(1)备料：

按照以下组分及含量备料：40g异福尔酮二异氰酸酯、40g市售聚酯220N、10g亲水性扩链剂乙二胺基磺酸钠、10g扩链剂甲基丙二醇、3g交联剂三羟甲基丙烷、10g中和剂氨水、8gN-甲基吡咯烷酮(NMP)；

(2)聚酯除水：

将聚酯220N加热至130℃，并利用油泵抽真空干燥2h，然后将聚酯降温到85℃；

(3)预聚物合成：

把异福尔酮二异氰酸酯加入聚酯中，控制温度为85℃搅拌反应3h，然后加入亲水性扩链剂乙二胺基磺酸钠及交联剂三羟甲基丙烷，继续搅拌3h，得到预聚物；

(4)预聚物中和：

将预聚物的温度降至50℃，加入N-甲基吡咯烷酮(NMP)，再通过恒压滴定漏斗滴加中和剂氨水，搅拌反应45min；

(5)扩链及乳化：

将扩链剂甲基丙二醇溶解在水中，再通过恒压滴定漏斗将甲基丙二醇溶液滴加到中和后的预聚物中，搅拌速率控制在3000rpm，搅拌40min后取出液体，静置，即得到水性聚氨酯乳液涂料。

Claims (3)

1.一种水性聚氨酯乳液涂料，其特征在于，该涂料包括以下组分及含量(wt％)：

异福尔酮二异氰酸酯       20～40；

聚酯                     20～40；

亲水性扩链剂             5～10；

扩链剂                   2～10；

交联剂                   1～3；

中和剂                   3～10；

N-甲基吡咯烷酮           0.5～8；

所述的亲水性扩链剂包括二羟甲基丙酸、二羟甲基丁酸、酒石酸或乙二胺基乙磺酸钠；所述的聚酯包括市售聚酯210N或聚酯220N；所述的扩链剂包括异福尔酮二胺、乙二胺、三甲基乙二胺、乙二醇、甲基丙二醇、一缩乙二醇、1，4-丁二醇或对苯二酚二羟乙基醚；所述的交联剂包括三羟甲基丙烷、三乙醇胺或三乙胺。

2.根据权利要求1所述的一种水性聚氨酯乳液涂料，其特征在于，所述的中和剂包括氢氧化钠、氢氧化钾、氨水、三乙胺、三甲胺或N,N-二甲基乙醇胺。

3.一种如权利要求1所述的水性聚氨酯乳液涂料的制备方法，其特征在于，该方法包括以下步骤：

(1)备料

按照以下组分及含量(wt％)备料：

异福尔酮二异氰酸酯       20～40，

聚酯20～40，

亲水性扩链剂             5～10，

扩链剂                   2～10，

交联剂                   1～3，

中和剂                   3～10，

N-甲基吡咯烷酮       0.5～8；

(2)聚酯除水

称取聚酯，将该聚酯加热至110～130℃，并利用油泵抽真空干燥0.5～2h，然后将聚酯降温到70～85℃；

(3)预聚物合成

把异福尔酮二异氰酸酯加入聚酯中，控制温度为70～85℃搅拌反应1～3h，然后加入亲水性扩链剂及交联剂，继续搅拌1～3h，得到预聚物；

(4)预聚物中和

将预聚物的温度降至40～50℃，加入N-甲基吡咯烷酮，再通过恒压滴定漏斗滴加中和剂，搅拌反应15～45min；

(5)扩链及乳化

将扩链剂溶解在水中，再通过恒压滴定漏斗将扩链剂溶液滴加到中和后的预聚物中，搅拌速率控制在1000～3000rpm，搅拌20～40min后取出液体，静置，即得到样品。