CN102408357A - 高附着力聚氨酯丙烯酸酯及其合成方法 - Google Patents
高附着力聚氨酯丙烯酸酯及其合成方法 Download PDFInfo
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Abstract
高附着力聚氨酯丙烯酸酯及其合成方法属于光固化低聚物领域。该低聚物由二异氰酸酯、含羧基基团与稠环结构的化合物和羟基丙烯酸酯通过“三步法”合成制得,其固化膜性能优良,具有附着力高、硬度大、柔韧性好、光泽度高、耐溶剂等特点。本发明的聚氨酯丙烯酸酯中含有体积大的稠环结构,属于刚性链,在自由基固化时能够减小体积收缩,另外其含有的酰亚胺-脲结构中氮上的氢为活化氢,易基材上的羟基、羧基形成具有较大键能的化学键或氢键,因而可以提高附着力。本发明合成原料来源广泛,价格低廉,可工业化生产,其在作为UV涂料、UV油墨主体树脂使用时,不需要对一些基材进行化学或物理处理,便能直接获得较高附着力,具有很大的工业应用价值。
Description
技术领域
本发明涉及一种新型高附着力聚氨酯丙烯酸酯树脂的制备,属于光固化低聚物领域。
背景技术
光固化技术是利用光为能源,引发具有光反应活性的液态物质快速转变为固态的过程。它作为一项节能和环保型新技术,具有高效、适应性广、经济、节能和环境友好等优点。
光固化体系主要由低聚物、活性稀释剂和光引发剂组成,其中低聚物性能决定固化后涂膜的性能,如硬度、柔韧性和附着力等。聚氨酯丙烯酸酯是一种重要的光固化低聚物,是由多异氰酸酯,长链二醇和羟基官能化的丙烯酸酯经两步反应合成而得。由于多异氰酸酯和长链二醇有多种结构可以选择,可通过分子设计来合成具有特定性能的聚氨酯丙烯酸酯,因而其被广泛的应用在光固化涂料、油墨和胶黏剂中。目前在光固化领域,一个最大的缺点是其体积收缩率大,导致其附着力差,限制光固化技术的应用。因而合成具有高附着力的聚氨酯丙烯酸酯有着十分重要的意义。
在理论上讲,通过引入刚性结构可以减小体积收缩,另外若合成的产物中含有较强的极性基团,如-OH、-COOH、-NH2等,可与基材形成较强的化学键或氢键,因而可以提高光固化产物在基材上的附着力。
发明内容
本发明的目的是合成一类具有高附着力的聚氨酯丙烯酸酯。这种聚氨酯丙烯酸酯可以直接作为主体树脂应用在光固化体系中,其涂覆于某些基材上,不需要对这些基材,如PET、PP、PE等进行打磨、火焰或电晕处理,便能直接与基材形成较高的附着力,从而具有很好工业应用价值。
高附着力聚氨酯丙烯酸酯,通式如下(I)
R1、R5选自A-,A为单官能或双官能或三官能含不同碳链长度,的丙烯酸酯基团或甲基丙烯酸酯基团,R1,R5相同或不同;
R2、R4选自B-或R′,B为含不同苯环或酯环个数或不同碳链长度的烷基基团,R’为-CH3或-C2H5或H,R2、R4相同或不同;
R3选自D,D为含稠环或桥环结构的基团。
进一步说,高附着力聚氨酯丙烯酸酯其特征在于,所述的A为
高附着力聚氨酯丙烯酸酯的合成方法,其特征在于,包括以下步骤:
1)第一步反应为二异氰酸酯与羟基官能化的丙烯酸酯反应;二异氰酸酯与羟基官能化丙烯酸酯按摩尔比1∶1进行投料,将羟基官能化丙烯酸酯通过恒压漏斗滴入到二异氰酸酯中,温度设置在30℃-50℃,阻聚剂为对羟基苯甲醚、对苯二酚等,其加入量整个反应体系总质量的0.1‰-5‰,催化剂二月桂酸二丁基锡,其加入量整个反应体系为总质量的20ppm-700ppm;通过二正丁胺法确定该步反应终点,当异氰酸酯基团的剩余在50%,该步反应结束,得到中间产物1;
2)第二步反应为中间产物1与氢化松香的反应;将温度升至40℃-80℃,加入催化剂二价镁盐、钙盐、钡盐等,加入量为整个反应体系总质量的0.1‰-5‰,滴入氢化松香,采用酯类、酮类等有机物作为溶剂,氢化松香与中间产物1的摩尔比为1∶1;通过红外进行监控反应终点情况,当酸基和异氰酸根红外特征峰消失,反应结束,得到中间产物2;
3)第二步反应为中间产物1与中间产物2的反应;二者摩尔比为1∶1,反应温度为80℃-140℃,采用酯类或酮类作为溶剂,反应时间为12h-24h;用石油醚、正己烷、环己烷、甲醇或乙醇对反应溶液进行沉淀,即得到本发明产物,高附着力聚氨酯丙烯酸酯。
本发明中,PUA固化膜性质测试时,采用线棒涂布器将配好树脂涂在100×50×2mm的马口铁片上,膜厚约为60μm。在高压汞灯下照射一定时间,固化成膜,对固化膜按照国标进行测试,柔韧性采 用GB 1731-1979进行测试;光泽度采用GB9754-88进行测试;附着力采用GB7124-86进行测试,通过测试玻璃与玻璃、玻璃与马口铁、玻璃与PE、玻璃与PVC、PET与PET的搭接剪切强度得到。
本发明主要是通过引入稠环结构和和生产的酰亚胺-脲结构来提高附着力的。其提高附着力的理论依据如下:1.稠环结构为刚性结构,不容易收缩,因而在进行自由基光固化时,能够减小涂膜的体积收缩率。;2.酰亚胺-脲中氮上的氢为活化氢,容易与基材上的-COOH、-OH等极性基团形成键能较大的化学键或氢键,根据附着力的化学键合机理,可以提高涂膜与基材的附着力。
附图说明
图1:实施例1的红外图谱。
图2:实施例1的核磁图谱。
具体实施方式
下述实施例详细说明本发明,但不限制本发明范围。
实施例1
在装有机械搅拌桨、温度计、冷凝管和恒压漏斗的四口烧瓶中,加入10g的IPDI,温度控制在40℃,加入0.01519g的催化剂DBTDL,0.0217g阻聚剂MEHQ。通过恒压漏斗滴入5.6gHEA。通过二正丁胺法监控IPDI中的其中一个异氰酸根基团与HEA的反应情况。当HEA完全反应掉后,升温至75℃,加入0.0217g催化剂MgCl2,通过恒压漏斗滴入8.9g溶于乙酸丁酯的氢化松香,通过红外进行监控反应。当氢化松香中-COOH完全消失后,升温至106℃,使中间产物1与中间产物2进行反应。通过红外进行监控反应,当-NCO峰(2267cm-1)消失,反应结束。再用石油醚对反应溶液进行沉淀,将沉淀物在40℃下真空干燥24h后,即得到目标产物高附着力的聚氨酯丙烯酸酯。红外图谱显示(见附图1),3400cm-1附近的羟基峰消失,2267cm-1附近的异氰酸根峰消失,1690cm-1附近的羧基峰消失,在1630cm-1、810cm-1双键的特征峰生成,3340cm-1附近的氨基峰生成,1800cm-1、1720cm-1酰亚胺中羰基峰生成。对合成产物进行核磁分析,从核磁图中(见附图2),对应的特征位移峰均出现,且这些不同位置处H面积为为 1∶1∶1∶4∶2∶1,与理论上一致。通过核磁和红外表明合成的得到的产物是目标产物。
取制得的聚氨酯丙烯酸酯低聚物,加入20wt%的活性稀释剂TPGDA、2wt%的光引发剂1173,在30mW的紫外光的照射下,1分钟左右双键转化率达到70%左右,可以看出产物具有较好的活性。
测试固化膜在马口铁板上的机械物理性质,固化膜光泽度达到167(GB/T9754-88,下同)、柔韧性达到6级(GB 1731-1979,下同),耐丙酮和酒精(GB23989-2009),铅笔硬度达到6H(GB 6739-1986)。通过万能力学拉伸机测试其在玻璃、马口铁、PP、PET、PVC上的附着力(GB7124-86,下同),结果分为1.2MPa、0.6MPa、0.48MPa、0.7MPa、1.1MPa,均高于沙多玛公司生产的高附着力聚氨酯丙烯酸酯CN9001。
实施例2
在装有机械搅拌桨、温度计、冷凝管和恒压漏斗的四口烧瓶中,加入10g的IPDI,温度控制在40℃,加入0.02261g的催化剂DBTDL,0.0323g阻聚剂MEHQ。通过恒压漏斗滴入13.4gPETA。通过二正丁胺法监控IPDI中的其中一个异氰酸根基团与PETA的反应情况。当PETA完全反应掉后,升温至75℃,加入0.0323g催化剂CaCl2,通过恒压漏斗滴入8.9g溶于乙酸丁酯的氢化松香,通过红外进行监控反应。当氢化松香中-COOH完全消失后,升温至90℃,使中间产物1与中间产物2进行反应。通过红外进行监控反应,当-NCO峰(2267cm-1)消失,反应结束。再用石油醚对反应溶液进行沉淀,将沉淀物在40℃下真空干燥24h后,即得到目标产物高附着力的聚氨酯丙烯酸酯。
测试其固化膜的性能,其中光泽度156,柔韧性达到6级,耐丙酮和酒精,硬度6H。在玻璃、马口铁、PP、PET、PVC上的附着力,分为1.0MPa、0.45MPa、0.34MPa、0.56MPa、0.9MPa。
实施例3
在装有机械搅拌桨、温度计、冷凝管和恒压漏斗的四口烧瓶中,加入10g的TDI,温度控制在50℃,加入0.01961g的催化剂DBTDL,0.02801g阻聚剂MEHQ。通过恒压漏斗滴入6.67gHEA。通过二正丁 胺法监控TDI中的其中一个异氰酸根基团与HEA的反应情况。当HEA完全反应掉后,升温至80℃,加入0.02801g催化剂BaCl2,通过恒压漏斗滴入11.34g溶于乙酸丁酯的氢化松香,通过红外进行监控反应。当氢化松香中-COOH完全消失后,升温至100℃,使中间产物1与中间产物2进行反应。通过红外进行监控反应,当-NCO峰(2267cm-1)消失,反应结束。再用石油醚对反应溶液进行沉淀,将沉淀物在40℃下真空干燥24h后,即得到目标产物高附着力的聚氨酯丙烯酸酯。
测试其固化膜的性能,其中光泽度162,柔韧性达到6级,耐丙酮和酒精,硬度6H。在玻璃、马口铁、PP、PET、PVC上的附着力,分为1.24MPa、0.58MPa、0.46MPa、0.66MPa、1.04MPa。
实施例4
在装有机械搅拌桨、温度计、冷凝管和恒压漏斗的四口烧瓶中,加入10g的TDI,温度控制在50℃,加入0.02693g的催化剂DBTDL,0.03847g阻聚剂MEHQ。通过恒压漏斗滴入17.12gPETA。通过二正丁胺法监控TDI中的其中一个异氰酸根基团与PETA的反应情况。当PETA完全反应掉后,升温至80℃,加入0.03847g催化剂MgCl2,通过恒压漏斗滴入11.34g溶于乙酸丁酯的氢化松香,通过红外进行监控反应。当氢化松香中-COOH完全消失后,升温至95℃,使中间产物1与中间产物2进行反应。通过红外进行监控反应,当-NCO峰(2267cm-1)消失,反应结束。再用石油醚对反应溶液进行沉淀,将沉淀物在40℃下真空干燥24h后,即得到目标产物高附着力的聚氨酯丙烯酸酯。
测试其固化膜的性能,其中光泽度161,柔韧性达到6级,耐丙酮和酒精,硬度6H。在玻璃、马口铁、PP、PET、PVC上的附着力,分为8.24MPa、0.42MPa、0.33MPa、0.49MPa、0.81MPa。
实施例5
在装有机械搅拌桨、温度计、冷凝管和恒压漏斗的四口烧瓶中,加入10g的HDI,温度控制在30℃,加入0.02011g的催化剂DBTDL,0.02873g阻聚剂MEHQ。通过恒压漏斗滴入6.9gHEA。通过二正丁胺法监控TDI中的其中一个异氰酸根基团与HEA的反应情况。当 HEA完全反应掉后,升温至70℃,加入0.02873g催化剂BaCl2,通过恒压漏斗滴入11.83g溶于乙酸丁酯的氢化松香,通过红外进行监控反应。当氢化松香中-COOH完全消失后,升温至110℃,使中间产物1与中间产物2进行反应。通过红外进行监控反应,当-NCO峰(2267cm-1)消失,反应结束。再用石油醚对反应溶液进行沉淀,将沉淀物在40℃下真空干燥24h后,即得到目标产物高附着力的聚氨酯丙烯酸酯。
测试其固化膜的性能,其中光泽度163,柔韧性达到6级,耐丙酮和酒精,硬度6H。在玻璃、马口铁、PP、PET、PVC上的附着力,分为1.05MPa、0.53MPa、0.47MPa、0.58MPa、0.98MPa。
实施例6
在装有机械搅拌桨、温度计、冷凝管和恒压漏斗的四口烧瓶中,加入10g的HDI,温度控制在30℃,加入0.02769g的催化剂DBTDL,0.03957g阻聚剂MEHQ。通过恒压漏斗滴入17.73gPETA。通过二正丁胺法监控TDI中的其中一个异氰酸根基团与PETA的反应情况。当PETA完全反应掉后,升温至70℃,加入0.03957g催化剂MgCl2,通过恒压漏斗滴入11.83g溶于乙酸丁酯的氢化松香,通过红外进行监控反应。当氢化松香中-COOH完全消失后,升温至96℃,使中间产物1与中间产物2进行反应。通过红外进行监控反应,当-NCO峰(2267cm-1)消失,反应结束。再用石油醚对反应溶液进行沉淀,将沉淀物在40℃下真空干燥24h后,即得到目标产物高附着力的聚氨酯丙烯酸酯。
测试其固化膜的性能,其中光泽度154,柔韧性达到6级,耐丙酮和酒精,硬度6H。在玻璃、马口铁、PP、PET、PVC上的附着力,分为0.85MPa、0.46MPa、0.36MPa、0.47MPa、0.71MPa。
实施例7
在装有机械搅拌桨、温度计、冷凝管和恒压漏斗的四口烧瓶中,加入10g的IPDI,温度控制在40℃,加入0.01238g的催化剂DBTDL,0.02476g阻聚剂MEHQ。通过恒压漏斗滴入5.86gHEMA。通过二正丁胺法监控TDI中的其中一个异氰酸根基团与PETAA的反应情况。当HEMA完全反应掉后,升温至70℃,加入0.02476g催化剂 Mg(NO3)2,通过恒压漏斗滴入8.9g溶于乙酸丁酯的氢化松香,通过红外进行监控反应。当氢化松香中-COOH完全消失后,升温至105℃,使中间产物1与中间产物2进行反应。通过红外进行监控反应,当-NCO峰(2267cm-1)消失,反应结束。再用石油醚对反应溶液进行沉淀,将沉淀物在40℃下真空干燥24h后,即得到目标产物高附着力的聚氨酯丙烯酸酯。
测试其固化膜的性能,其中光泽度158,柔韧性达到6级,耐丙酮和酒精,硬度6H。在玻璃、马口铁、PP、PET、PVC上的附着力,分为1.23MPa、0.66MPa、0.53MPa、0.71MPa、0.93MPa。
实施例8
在装有机械搅拌桨、温度计、冷凝管和恒压漏斗的四口烧瓶中,加入10g的HDI,温度控制在30℃,加入0.02823g的催化剂DBTDL,0.03126g阻聚剂MEHQ。通过恒压漏斗滴入7.47gHEMA。通过二正丁胺法监控TDI中的其中一个异氰酸根基团与HEMA的反应情况。当HEMA完全反应掉后,升温至70℃,加入0.03126g催化剂MgCl2,通过恒压漏斗滴入11.83g溶于乙酸丁酯的氢化松香,通过红外进行监控反应。当氢化松香中-COOH完全消失后,升温至90℃,使中间产物1与中间产物2进行反应。通过红外进行监控反应,当-NCO峰(2267cm-1)消失,反应结束。再用石油醚对反应溶液进行沉淀,将沉淀物在40℃下真空干燥24h后,即得到目标产物高附着力的聚氨酯丙烯酸酯。
测试其固化膜的性能,其中光泽度151,柔韧性达到6级,耐丙酮和酒精,硬度6H。在玻璃、马口铁、PP、PET、PVC上的附着力,分为0.92MPa、0.57MPa、0.51MPa、0.63MPa、0.87MPa。
实施例9
在装有机械搅拌桨、温度计、冷凝管和恒压漏斗的四口烧瓶中,加入10g的TDI,温度控制在50℃,加入0.02361g的催化剂DBTDL,0.02963g阻聚剂MEHQ。通过恒压漏斗滴入7.73gHEMA。通过二正丁胺法监控TDI中的其中一个异氰酸根基团与HEMA的反应情况。当HEMA完全反应掉后,升温至75℃,加入0.02963g催化剂Mg(NO3)2,通过恒压漏斗滴入11.83g溶于乙酸丁酯的氢化松香,通 过红外进行监控反应。当氢化松香中-COOH完全消失后,升温至95℃,使中间产物1与中间产物2进行反应。通过红外进行监控反应,当-NCO峰(2267cm-1)消失,反应结束。再用石油醚对反应溶液进行沉淀,将沉淀物在40℃下真空干燥24h后,即得到目标产物高附着力的聚氨酯丙烯酸酯。
测试其固化膜的性能,其中光泽度154,柔韧性达到6级,耐丙酮和酒精,硬度6H。在玻璃、马口铁、PP、PET、PVC上的附着力,分为1.31MPa、0.55MPa、0.43MPa、0.61MPa、0.91MPa。
实施例10
在装有机械搅拌桨、温度计、冷凝管和恒压漏斗的四口烧瓶中,加入10g的HDI,温度控制在40℃,加入0.02016g的催化剂DBTDL,0.02982g阻聚剂MEHQ。通过恒压漏斗滴入7.47gHPA。通过二正丁胺法监控TDI中的其中一个异氰酸根基团与HPA的反应情况。当HPA完全反应掉后,升温至80℃,加入0.03011g催化剂MgCl2,通过恒压漏斗滴入11.83g溶于乙酸丁酯的氢化松香,通过红外进行监控反应。当氢化松香中-COOH完全消失后,升温至96℃,使中间产物1与中间产物2进行反应。通过红外进行监控反应,当-NCO峰(2267cm-1)消失,反应结束。再用石油醚对反应溶液进行沉淀,将沉淀物在40℃下真空干燥24h后,即得到目标产物高附着力的聚氨酯丙烯酸酯。
测试其固化膜的性能,其中光泽度154,柔韧性达到6级,耐丙酮和酒精,硬度6H。在玻璃、马口铁、PP、PET、PVC上的附着力,分为1.22MPa、0.61MPa、0.45MPa、0.77MPa、0.93MPa。
Claims (5)
1.高附着力聚氨酯丙烯酸酯,通式如下(I)
R1、R5选自A-,A为单官能或双官能或三官能含不同碳链长度,的丙烯酸酯基团或甲基丙烯酸酯基团,R1,R5相同或不同;
R2、R4选自B-或R′,B为含不同苯环或酯环个数或不同碳链长度的烷基基团,R’为-CH3或-C2H5或H,R2、R4相同或不同;
R3选自D,D为含稠环或桥环结构的基团。
2.根据权利要求1所述的高附着力聚氨酯丙烯酸酯,其特征在于,
5.根据权利要求1所述的高附着力聚氨酯丙烯酸酯的合成方法,其特征在于,包括以下步骤:
1)第一步反应为二异氰酸酯与羟基官能化的丙烯酸酯反应;二异氰酸酯与羟基官能化丙烯酸酯按摩尔比1∶1进行投料,将羟基官能化丙烯酸酯通过恒压漏斗滴入到二异氰酸酯中,温度设置在30℃-50℃,阻聚剂为对羟基苯甲醚、对苯二酚等,其加入量整个反应体系总质量的0.1‰-5‰,催化剂二月桂酸二丁基锡,其加入量整个反应体系为总质量的20ppm-700ppm;通过二正丁胺法确定该步反应终点,当异氰酸酯基团的剩余在50%,该步反应结束,得到中间产物1;
2)第二步反应为中间产物1与氢化松香的反应;将温度升至40℃-80℃,加入催化剂二价镁盐、钙盐、钡盐等,加入量为整个反应体系总质量的0.1‰-5‰,滴入氢化松香,采用酯类、酮类等有机物作为溶剂,氢化松香与中间产物1的摩尔比为1∶1;通过红外进行监控反应终点情况,当酸基和异氰酸根红外特征峰消失,反应结束,得到中间产物2;
3)第二步反应为中间产物1与中间产物2的反应;二者摩尔比为1∶1,反应温度为80℃-140℃,采用酯类或酮类作为溶剂,反应时间为12h-24h;用石油醚、正己烷、环己烷、甲醇或乙醇对反应溶液进行沉淀,即得到本发明产物,高附着力聚氨酯丙烯酸酯。
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