CN101914194B

CN101914194B - 自乳化非离子型萜烯基环氧树脂多元醇乳液及制备方法、用途

Info

Publication number: CN101914194B
Application number: CN2010102597729A
Authority: CN
Inventors: 孔振武; 吴国民; 陈健; 霍淑平
Original assignee: Institute of Chemical Industry of Forest Products of CAF
Current assignee: Institute of Chemical Industry of Forest Products of CAF
Priority date: 2010-08-20
Filing date: 2010-08-20
Publication date: 2012-05-23
Anticipated expiration: 2030-08-20
Also published as: CN101914194A

Abstract

本发明公开一种自乳化非离子型萜烯基环氧树脂多元醇乳液及制备方法、用途。该方法利用TME或HTME与PEG、小分子羟基扩链剂在催化剂作用下使羟基与环氧基反应，将亲水链段PEG接入产物中，获得多元醇预聚物，可直接用水分散得到自乳化非离子型萜烯基环氧树脂多元醇乳液。该多元醇乳液作为羟基组分与聚异氰酸酯配合组成的双组分水性聚氨酯体系，可广泛应用于涂料，粘合剂等水性聚合物体系。该制造方法简便，制造过程清洁。反应过程无溶剂，乳液分散稳定性好。多元醇树脂的羟值随小分子扩链剂的用量可调。制备的双组分水性聚氨酯漆膜耐热性能及机械力学性能优异。

Description

自乳化非离子型萜烯基环氧树脂多元醇乳液及制备方法、用途

技术领域

本发明涉及一种用于水性聚氨酯领域的多元醇，特别涉及一种自乳化非离子型萜烯基环氧树脂多元醇乳液的制备方法及其作为水性多元醇组分与聚异氰酸酯配合得到双组分水性聚氨酯体系的用途。

背景技术

随着人们环保意识的提高和环保法规的健全，传统溶剂型涂料中的挥发性有机化合物(VOC)的排放量愈来愈受到严格限制。水性涂料以水为分散介质，具有不燃、无毒、不污染环境和节省能源等优点。双组分水性聚氨酯涂料将双组分溶剂型聚氨酯涂料的高性能和水性涂料的低VOC含量相结合，成为国内外涂料研究的热点。双组分水性聚氨酯涂料具有成膜温度低、附着力强、耐磨性好、硬度大以及耐化学品、耐候性好等优越性能，可取代溶剂型双组分聚氨酯涂料，广泛应用于汽车、木器、塑料、工业维护等应用领域的表面装饰和防护。

双组分水性聚氨酯涂料是由含-OH基的水性多元醇组分与含-NCO基的低粘度多异氰酸酯组分组成，其涂膜性能主要由羟基树脂的组成和结构决定。与双组分溶剂型聚氨酯涂料相比，其多元醇具有良好的分散稳定性，能与多异氰酸酯固化剂在水中稳定地分散。目前常用的水性多元醇可分为聚氨酯多元醇、聚丙烯酸酯多元醇和聚酯多元醇等。此类水性多元醇的合成原料多为传统的化石资源，且合成工艺一般比较复杂。与化石资源相比，生物质资源具有可再生、可生物降解、生物相容等突出优点，以可再生的生物质资源替代化石资源可制备环境低负荷型高分子材料，是减少人类发展对石油、煤炭等传统化石资源的依赖和实现工业经济可持续发展的重要途径。

发明内容

本发明的目的在于提供一种自乳化非离子型萜烯基环氧树脂多元醇乳液的制备方法及用途，该方法利用天然可再生萜烯资源制备得到的多元醇乳液与亲水改性的聚二异氰酸酯反应形成的聚氨酯聚合物性能优良。

本发明采用以下技术方案为：一种自乳化非离子型萜烯基环氧树脂多元醇乳液，为自乳化非离子型萜烯基环氧树脂多元醇直接搅拌分散在水中得到的多元醇乳液，所述的自乳化非离子型萜烯基环氧树脂多元醇的原料组成为：萜烯基环氧树脂、占萜烯基环氧树脂质量8～18％的聚乙二醇(PEG)、占萜烯基环氧树脂质量0.5～4％的酸性催化剂、用量为萜烯基环氧树脂物质的量的0.4～2倍的小分子羟基扩链剂。

所述的萜烯基环氧树脂为萜烯马来酸酐缩水甘油酯型环氧树脂(TME)或氢化萜烯马来酸酐缩水甘油酯型环氧树脂(HTME)，环氧值为0.30～0.39mol/100g。

所述的聚乙二醇的数均分子量为3000～20000。

所述的小分子羟基扩链剂为三羟甲基丙烷(TMP)、1，4-丁二醇(BDO)、一缩二乙二醇(DEG)中的任意一种。

所述的酸性催化剂为硫酸或三氟化硼乙醚。

一种制备所述的自乳化非离子型萜烯基环氧树脂多元醇乳液的方法，以萜烯基环氧树脂与聚乙二醇、小分子羟基扩链剂在酸性催化剂作用下反应，制得的产物直接搅拌分散在水中，得到乳白色稳定的自乳化非离子型萜烯基环氧树脂多元醇乳液，该非离子型萜烯基环氧树脂多元醇的羟值为100～300mg/g，乳液的Z均粒径大小为100～1000nm。

所述的反应温度为90～130℃，反应时间为1～4h。

所述的自乳化非离子型萜烯基环氧树脂多元醇乳液在制备双组分水性聚氨酯涂料、粘合剂及聚合物材料中的应用。

有益效果：

1.本发明利用天然可再生资源萜烯的衍生物萜烯马来酸酐(TMA)或氢化萜烯马来酸酐(HTMA)与环氧氯丙烷反应得到的萜烯马来酸酐缩水甘油酯型环氧树脂(TME)或氢化萜烯马来酸酐缩水甘油酯型环氧树脂(HTME)与聚乙二醇(PEG)、小分子羟基扩链剂在催化剂作用下反应合成多元醇产物，可直接分散在水中得到自乳化非离子型萜烯基环氧树脂多元醇乳液，Z均粒径大小在100-1000nm。该制造方法简便，制造过程清洁。反应过程无溶剂，乳液分散稳定性好。多元醇树脂的羟值随小分子扩链剂的用量可调。

2.以本发明制备的自乳化非离子型萜烯基环氧树脂多元醇乳液应用到双组分水性聚氨酯中，获得的聚合物性能优良。将萜烯基环氧树脂以水性多元醇形式引入双组分水性聚氨酯体系，将其刚性、耐热性、耐化学性等优异性能与聚氨酯的弹性、柔韧性以及水性体系的低污染性、安全性有机结合，实现环氧树脂与聚氨酯在水性体系中的复合改性。

3.本发明所用的氢化萜烯-马来酐缩水甘油酯型环氧树脂(HTME)含有独特的饱和桥环结构，在赋予漆膜优良机械力学性能的同时，又使漆膜具有优异的耐紫外、耐黄变性能，这是普通双酚A环氧树脂所不具备的。

4.本发明为利用生物质可再生资源松节油制备环境友好型水性聚合物提供了新的途径。

附图说明

图1为实施例1制备的多元醇的红外光谱图。

图2为实施例1制备的多元醇乳液的粒径分布图。

具体实施方式

本发明中所述的萜烯马来酸酐缩水甘油酯型环氧树脂或氢化萜烯马来酸酐缩水甘油酯型环氧树脂，是利用天然可再生资源萜烯的衍生物萜烯马来酸酐(TMA)或氢化萜烯马来酸酐(HTMA)与环氧氯丙烷反应得到的萜烯马来酸酐缩水甘油酯型环氧树脂或氢化萜烯马来酸酐缩水甘油酯型环氧树脂。具体方法可以参照中国专利申请号为200710021802.0、名称为氢化萜烯马来酸酐缩水甘油酯型环氧树脂的制造方法中的方法。

一种自乳化非离子型萜烯基环氧树脂多元醇乳液，为自乳化非离子型萜烯基环氧树脂多元醇直接搅拌分散在水中得到的多元醇乳液，所述的自乳化非离子型萜烯基环氧树脂多元醇的原料组成为：萜烯基环氧树脂、占萜烯基环氧树脂质量8～18％的聚乙二醇、占萜烯基环氧树脂质量0.5～4％的酸性催化剂、用量为萜烯基环氧树脂物质的量的0.4～2倍的小分子羟基扩链剂。

所述的萜烯基环氧树脂为萜烯马来酸酐缩水甘油酯型环氧树脂或氢化萜烯马来酸酐缩水甘油酯型环氧树脂，环氧值为0.30～0.39mol/100g。

所述的聚乙二醇(PEG)提供非离子型亲水基团，数均分子量为3000～20000。

所述的小分子羟基扩链剂为三羟甲基丙烷、1，4-丁二醇、一缩二乙二醇中的任意一种。

所述的酸性催化剂为硫酸或三氟化硼乙醚，加入量为环氧树脂质量的0.5％-4％，最佳用量为1-2％。

所述的反应温度为90～130℃，反应时间为1～4h。

所述的非离子型萜烯基环氧树脂多元醇乳液作为羟基组分可以与亲水改性的聚二异氰酸酯配合得到双组分水性聚氨酯体系，反应形成的聚氨酯聚合物性能优良，具体用法为：

将上述方法获得的自乳化非离子型萜烯基环氧树脂多元醇分散为40％固含量的乳液，与亲水改性的聚二异氰酸酯按异氰酸基与羟基物质的量比0.8-1.6∶1的比例混合，手工搅拌均匀，涂膜，于室温条件下保养7天后测漆膜性能。其中所述聚二异氰酸酯为亲水改性的聚二异氰酸酯，如拜耳材料科技的Bayhydur系列、武汉仕全兴装饰涂料有限公司的S100和D80、上海思沃化学有限公司EC385等。

实施例1

在装有温度计、搅拌器、冷凝管的三口瓶中，分别加入80.1gTME，6.4g平均相对分子量为6000的PEG，7.4gTMP，加热搅拌至90℃，加入1.21g硫酸(用5.6g丙酮稀释)，维持反应于110℃下反应1h；反应结束后直接用去离子水搅拌分散，得到乳白色多元醇乳液，羟值100mg/g(固体树脂)，粘度61mPa·s(25℃，40％固含量)，Z均粒径194nm。所的多元醇的红外光谱图如图1所示，粒径分布如图2所示。

取10.0g上述多元醇乳液(40％固含量)，加入2g亲水改性的聚二异氰酸酯S100，搅拌混合均匀，用2g水稀释，涂膜，于室温条件下保养7天后测漆膜性能如表1。

实施例2

在装有温度计、搅拌器、冷凝管的三口瓶中，分别加入40gHTME，7.2g平均相对分子量为10000的PEG，7.5gTMP，加热搅拌至90℃，加入0.40g三氟化硼乙醚(用2.7g丙酮稀释)，维持反应于110℃下反应2h；反应结束后直接用去离子水搅拌分散，得到乳白色多元醇乳液，羟值200mg/g(固体树脂)，粘度579mPa·s(25℃，30％固含量)，Z均粒径256nm。

取10.0g上述多元醇乳液(30％固含量)，加入2g亲水改性的聚二异氰酸酯S100，搅拌混合均匀，用2g水稀释，涂膜，于室温条件下保养7天后测漆膜性能如表1。

实施例3

在装有温度计、搅拌器、冷凝管的三口瓶中，分别加入37gTME，3.7g平均相对分子量为4000的PEG，7.6gTMP，加热搅拌至90℃，加入0.46g三氟化硼乙醚(用2.6g丙酮稀释)，维持反应于115℃下反应2h；反应结束后直接用去离子水搅拌分散，得到乳白色多元醇乳液，羟值250mg/g(固体树脂)，粘度21mPa·s(25℃，40％固含量)，Z均粒径295nm。

取10.0g上述多元醇乳液(40％固含量)，加入3.2g亲水改性的聚二异氰酸酯S100，搅拌混合均匀，用1g水稀释，涂膜，于室温条件下保养7天后测漆膜性能如表1。

实施例4

在装有温度计、搅拌器、冷凝管的三口瓶中，分别加入36.6gTME，3.66g平均相对分子量为4000的PEG，7.1gDEG，加热搅拌至90℃，加入0.46g三氟化硼乙醚(用1.1g丙酮稀释)，维持反应于120℃下反应2h；反应结束后直接用去离子水搅拌分散，得到乳白色多元醇乳液，羟值200mg/g(固体树脂)，粘度31mPa·s(25℃，40％固含量)，Z均粒径189nm。

取10.0g上述多元醇乳液(40％固含量)，加入2.2g亲水改性的聚二异氰酸酯S100，搅拌混合均匀，用3g水稀释，涂膜，于室温条件下保养7天后测漆膜性能如表1。

实施例5

在装有温度计、搅拌器、冷凝管的三颈瓶中，分别加入41.4gTME，6.21g平均相对分子量为4000的PEG，6.79gBDO，加热搅拌至90℃，加入0.52g三氟化硼乙醚(用1.2g丙酮稀释)，维持反应于120℃下反应2h；反应结束后直接用去离子水搅拌分散，得到乳白色多元醇乳液，羟值200mg·g^-1(固体树脂)，粘度40mPa·s(25℃，40％固含量)，Z均粒径212nm。

取10.0g上述多元醇乳液(40％固含量)，加入2.2g亲水改性的聚二异氰酸酯S100，搅拌混合均匀，用2g水稀释，涂膜，于室温条件下保养7天后测漆膜性能如表1。

实施例6

在装有温度计、搅拌器、冷凝管的三颈瓶中，分别加入44.5gHTME，6.7g平均相对分子量为6000的PEG，9.8gTMP，加热搅拌至90℃，加入0.5g三氟化硼乙醚(用3g丙酮稀释)，维持反应于120℃下反应2h；反应结束后直接用去离子水搅拌分散，得到乳白色多元醇乳液，羟值230mg/g(固体树脂)，粘度122mPa·s(25℃，35％固含量)，Z均粒径210nm。

取10.0g上述多元醇乳液(35％固含量)，加入2.4g亲水改性的聚二异氰酸酯S100，搅拌混合均匀，用2.5g水稀释，涂膜，于室温条件下保养7天后测漆膜性能如表1。

注：S100为亲水改性的脂肪族聚异氰酸酯，固含量100％，NCO含量18wt％，黏度300-800mPa·s。

表1 各实施例中漆膜的性能

注：按标准GB 1732-93测定漆膜耐冲击性能；按标准GB 1720-93测定漆膜附着力；按标准GB 1731-93测定漆膜柔韧性；按标准GB 6739-96测定漆膜铅笔硬度；按标准GB 9754-88测定漆膜光泽度；按HG/T 3828-2006测漆膜耐水性、耐污染性、抗粘连性、耐碱性、耐醇性。

Claims

1.一种自乳化非离子型萜烯基环氧树脂多元醇乳液，其特征在于，为自乳化非离子型萜烯基环氧树脂多元醇直接搅拌分散在水中得到的多元醇乳液，所述的自乳化非离子型萜烯基环氧树脂多元醇的原料组成为：萜烯基环氧树脂、占萜烯基环氧树脂质量8～18％的聚乙二醇、占萜烯基环氧树脂质量0.5～4％的酸性催化剂、用量为萜烯基环氧树脂物质的量的0.4～2倍的小分子羟基扩链剂，所述的酸性催化剂为硫酸，所述的萜烯基环氧树脂为萜烯马来酸酐缩水甘油酯型环氧树脂或氢化萜烯马来酸酐缩水甘油酯型环氧树脂，环氧值为0.30～0.39mol/100g。

2.如权利要求1所述的自乳化非离子型萜烯基环氧树脂多元醇乳液，其特征在于，所述的聚乙二醇的数均分子量为3000～20000。

3.如权利要求1所述的自乳化非离子型萜烯基环氧树脂多元醇乳液，其特征在于，所述的小分子羟基扩链剂为三羟甲基丙烷、1，4-丁二醇、一缩二乙二醇中的任意一种。

4.一种制备权利要求1所述的自乳化非离子型萜烯基环氧树脂多元醇乳液的方法，其特征在于，以萜烯基环氧树脂与聚乙二醇、小分子羟基扩链剂在酸性催化剂作用下反应，制得的产物直接搅拌分散在水中，得到乳白色稳定的自乳化非离子型萜烯基环氧树脂多元醇乳液，该非离子型萜烯基环氧树脂多元醇的羟值为100～300mg/g，乳液的Z均粒径大小为100～1000nm。

5.如权利要求4所述的制备自乳化非离子型萜烯基环氧树脂多元醇乳液的方法，其特征在于，所述的反应温度为90～130℃，反应时间为1～4h。

6.权利要求1所述的自乳化非离子型萜烯基环氧树脂多元醇乳液在制备双组分水性聚氨酯涂料、粘合剂中的应用。