CN103709361A - 一种水性聚氨酯及其制备方法和用途 - Google Patents
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Abstract
本发明公开了一种水性聚氨酯及其制备方法和用途，旨在提供一种生物基材料的含量可以达到总固体量的90wt％，可用作涂料、油墨、皮革涂饰剂、织物整理剂和涂层材料的成膜物质，也可用作胶粘剂或包覆材料的水性聚氨酯；其技术要点是：该水性聚氨酯是由多元醇构成的软段、二异氰酸酯和扩链剂构成的硬段交替共聚而成，聚合过程中软段部分全部或部分采用了可与异氰酸酯基反应的生物基多元醇；各组分的含量为：二异氰酸酯5～40wt％，生物基多元醇10-55wt％，低聚物多元醇0-55wt％，亲水性扩链剂0.5-5wt％，二元醇或二元胺扩链剂0-15wt％，水40-80wt％，各组分之和为100wt％；属于高分子材料制备技术领域。
Description
技术领域
本发明涉及一种聚氨酯，具体的说，是一种水性聚氨酯，本发明还涉及该水性聚氨酯的制备方法和用途，属于高分子材料制备技术领域。
背景技术
水性聚氨酯是以水代替有机溶剂作为分散介质的新型聚氨酯体系，也称水分散聚氨酯、水系聚氨酯或水基聚氨酯。水性聚氨酯以水为分散剂，无污染、安全可靠、机械性能优良、相容性好、易于改性等优点。所以被广泛应用在：涂料、油墨、胶粘剂、皮革涂饰剂、人造革、手套润滑剂等方面。以皮革涂饰剂为例：涂饰是皮革制造过程中的一个重要环节。它可增加皮革的美观和耐用性能，提高档次，增加花色品种、扩大使用范围。其中聚氨酯类涂饰剂的成膜性能好、遮盖力强、粘结牢固，涂层的物理性能优异，可大大提高成革的等级，为此受到高度重视和广泛的关注。
目前，市场上的水性聚氨酯的原材料都来源于石油等不可再生的原料，摆脱对石油资源的过度依赖，采用可再生资源是材料研究发展的方向。杜邦公司和Tate&Lyle共同开发的玉米发酵工艺生产1，3-丙二醇（PDO），相对于石油工艺而言，这种生产1，3-丙二醇的工艺能使能耗降低40％，减少温室气体排放20％。杜邦公司已经在用这种生物基多元醇来生产Sorona聚酯。Elevance开发的生物基二元酸已经用于尼龙和聚氨酯的生产。
发明内容
本发明的目的在于提供一种合成工艺成熟、环境友好的、基于可再生资源的水性聚氨酯及其制备方法。
为解决上述技术问题，本发明提供的前一技术方案是这样：该水性聚氨酯包括下述质量百分数的组分：二异氰酸酯5～40wt％，生物基多元醇10-55wt％，常规低聚物多元醇0-55wt％，亲水性扩链剂0.5-5wt％，二元醇或二元胺扩链剂0-15wt％，水40-80wt％，各组分之和为100wt％。
进一步的，上述的水性聚氨酯，所述的二异氰酸酯8-20wt％，生物基多元醇20-50wt％，低聚物多元醇10-30wt％，亲水性扩链剂1-4wt％，二元醇或二元胺扩链剂2-13wt％，水50-70wt％，各组分之和为100wt％。
更进一步的，上述的水性聚氨酯，所述的二异氰酸酯为脂肪族二异氰酸酯、脂环族二异氰酸酯或芳香族二异氰酸酯的任意组合或者其中之一。
更进一步的，上述的水性聚氨酯，所述的生物基多元醇由生物基1，3-丙二醇均聚得到或生物基1,3-丙二醇与生物基二元酸或者化学法二元，三元酸缩聚得到，分子量200-5000。
更进一步的，上述的水性聚氨酯，所述的常规低聚物多元醇为分子量200-5000的聚醚多元醇或者分子量400-5000的聚酯多元醇。
更进一步的，上述的水性聚氨酯，所述的亲水性扩链剂为二羟甲基丙酸或者二羟甲基丁酸或者（N-(2-氨基乙基）-2-氨基乙磺酸或者乙二胺基乙磺酸钠或者1，4-丁二醇-2-磺酸钠的任意组合或者其中之一。
更进一步的，上述的水性聚氨酯，二元醇扩链剂为生物基的1，3－丙二醇或者乙二醇，或者化学法的1，2－丙二醇或者1，4－丁二醇或者1，3－丁二醇或者1、5－戊二醇或者新戊二醇或者1，6－己二醇或者1，8－辛二醇或者一缩二乙二醇或者氢醌－二（β－羟乙基）醚或者三羟甲基丙烷或者甘油的任意组合或者其中之一。
更进一步的，上述的水性聚氨酯，其特征在于，所述的二元胺扩链剂为肼或者乙二胺或1，3－丙二胺或1，4－丁二胺或1，5－戊二胺或1，6－己二胺或1，8－辛二胺或1，4－环己基二胺或二乙烯三胺或者聚醚胺的任意组合或者其中之一。
本发明的后一技术方案是提供该水性聚氨酯的制备方法，该方法依次包括下述步骤：
1）称取各个组分；
2）在装有温度计、搅拌器、回流冷凝器的干燥反应釜中加入步骤1）称取的生物基多元醇和常规低聚物多元醇升温至100-150℃，真空脱水30min，降温至80-90℃，再加入多异氰酸酯，反应至异氰酸酯基含量至1～16wt％；
3）再加入羧酸盐性的亲水性扩链剂继续反应0.5-1.5h，再加入二元醇扩链剂，降温至40℃左右得到预聚体，加入三乙胺成盐，得到预聚体；
4）将步骤3）得到的预聚体分散在水中得到聚氨酯的水分散体或者在加水分散的同时加入胺类扩链剂进行扩链反应。
本发明还提供该水性聚氨酯的另外一种制备方法，该方法依次包括下述步骤
1）称取各个组分；
2）在装有温度计、搅拌器、回流冷凝器的干燥反应釜中加入步骤1）称取的生物基多元醇和常规低聚物多元醇升温至100-150℃，真空脱水30min，降温至80-90℃，再加入多异氰酸酯，反应至异氰酸酯基含量达到理论值，降温到50℃，降温的过程根据需要加入丙酮降低粘度；
3）保温在50℃，加入溶解在水中的胺基磺酸盐反应10min。
4）加入水继续分散，脱除丙酮，过滤得到聚氨酯的水分散体。
与现有技术相比，本发明提供的技术方案具有如下优点：
1.大量使用可再生的生物基原材料，减少对石油类资源的依赖。
2.通过生物基材料含量和结构的选取，生物基材料的含量可以达到总固体量的90wt％，可以制得不同生物降解速度、不同性能的聚氨酯，可以满足不同行业的需求。.
3.本发明所采用的制备方法除原料单体外，其合成工艺均为常规方法，简单、成熟、易于控制和操作。
具体实施方式
本发明关于水性聚氨酯的设计以及各组分及其使用量的确定建立于大量的对比试验和筛选的基础上，下面给出的一些具体实施例为本发明的部分优选方案进一步详细说明本发明，但并不限定本发明于下述实施例的范围。实施例中采用的制备方法和使用的一起可参照本技术领域实验室常规方法。
本发明提供的新型水性聚氨酯材料，是由多元醇构成的软段、二异氰酸酯和扩链剂构成的硬段交替共聚而成，聚合过程中软段部分全部或部分采用了可与异氰酸酯基反应的生物基多元醇。
实施例1、2
（1）配方
| 名称 | 规格 | 质量（g） |
| IPDI（异氟尔酮二异氰酸酯） | 工业级 | 35.0 |
| 生物基聚1，3丙二醇 | H1000 | 40.0 |
| DMPA（二羟甲基丙酸） | 工业级 | 7.0 |
| NMP（N-甲基吡咯烷酮） | 工业级 | 10.0 |
| 1，3-丙二醇 | 生物基 | 5.0 |
| 三乙胺 | 工业级 | 5.0 |
| 水 | 去离子水 | 170 |
（2）预聚物的合成工艺
在装有温度计、搅拌器、回流冷凝器的干燥反应釜中加入分子量1000的生物基二元醇，升温至120oC，真空下搅拌脱水半小时，降温至85℃，加入IPDI，反应至异氰酸酯基含量达到14wt％，加入溶解在NMP中的DMPA继续反应1h，再加入生物基1，3-丙二醇反应至完全，降温至40oC左右，加入三乙胺中和得到预聚物。
（3）水分散体的制备
实施事例一：将预聚物倒入去离子水中，高速搅拌分散，出料。
实施事例二：将去离子水倒入预聚物中，高速搅拌分散，出料。
经检测，该产品的固含量32wt％，pH8，粘度<400cps的水性聚氨酯。
实施事例3
（1）配方
（2）合成工艺
在装有温度计、搅拌器、回流冷凝器的干燥反应釜中加入分子量2000的生物基聚醚二元醇和分子量3000的聚酯二元醇，升温至120oC，真空下搅拌脱水半小时，降温至85℃，加入IPDI和HDI，反应至异氰酸酯基含量达到2.1wt％，降温到50℃并保持恒定，缓慢加入丙酮并搅拌均匀，加入溶解在水中的AS盐(N-(2-氨基乙基）-2-氨基乙磺酸)和EA分散均匀，10min后加水分散得到聚氨酯分散体。真空脱除丙酮，过滤得到最终产品，该产品的固含量45wt％，pH7.2，粘度<400cps。
实施例5
配方4
其合成工艺与实施例4类似。
需要说明的是，本发明所提供技术方案中，所述的二异氰酸酯并不限于上述实施里中所提供的异佛尔酮二异氰酸酯等，还包括脂肪族二异氰酸酯，具体为1，6－己二异氰酸酯（HDI）。作为脂环族二异氰酸酯可以是异佛尔酮二异氰酸酯（IPDI）、4，4`－二环己基二异氰酸酯（HMDI）、1，4－环己基二异氰酸酯（CDI）、甲基环己基二异氰酸酯（HTDI）等。作为芳香族二异氰酸酯，可以是甲苯二异氰酸酯（TDI）、4，4`－二苯基二异氰酸酯（MDI）、1，5－萘二异氰酸酯（NDI）、苯二亚甲基二异氰酸酯（XDI）、四甲基苯二亚甲基二异氰酸酯（TMXDI）等。
本发明所述的生物基多元醇为生物基1，3-丙二醇的聚合物，其分子量为200-3000的聚（1，3-丙二醇）和分子量400-5000的聚酯多元醇。生物基聚醚多元醇由AllessaGmbH提供。聚酯多元醇由1，3-丙二醇和二元酸缩聚制得，其中二元酸可以为生物基二元酸、己二酸、壬二酸、葵二酸、对苯二甲酸、间苯二甲酸、领苯二甲酸、对苯二甲酸二甲酯和苯酐等，该生物基多元醇由旭川化学提供。
本发明所述的常规聚醚多元醇和聚酯多元醇，也可以为聚丙二醇、聚四氢呋喃醚二醇、聚乙二醇、由二元酸和与二元醇（或二元醇与三元醇的化合物）脱水缩聚而成的端羟基聚酯多元醇等、聚己内酯多元醇，聚碳酸酯多元醇，其分子量为400-5000。
本发明所用的亲水性扩链剂也为二羟甲基丙酸、二羟甲基丁酸、（N-(2-氨基乙基）-2-氨基乙磺酸、乙二胺基乙磺酸钠、1，4-丁二醇-2-磺酸钠的任意组合或者其中之一。
本发明所用的二元醇扩链剂也并不限于1，3－丙二醇，可以为含碳原子2～10的脂肪族多元醇中的至少一种，如乙二醇、1，3－丙二醇、1，2－丙二醇、1，4－丁二醇、1，3－丁二醇、1、5－戊二醇、新戊二醇、1，6－己二醇、1，8－辛二醇、一缩二乙二醇、氢醌－二（β－羟乙基）醚、三羟甲基丙烷、甘油的其中之一，其中二元氨胺扩链剂也并不限于水合肼和乙二胺，可以为含碳原子2～10的脂肪族多元胺的至少一种，如乙二胺、1，3－丙二胺、1，4－丁二胺、1，5－戊二胺、1，6－己二胺、1，8－辛二胺、1，4－环己基二胺、二乙烯三胺的其中之一，或者聚醚胺。
本发明提供的技术方案大量使用可再生的生物基原材料，通过生物基材料含量和结构的选取，可以制得不同生物降解速度、不同性能的水性聚氨酯，可以满足不同行业的需求。.
Claims (10)
1.一种水性聚氨酯，是由多元醇构成的软段、二异氰酸酯和扩链剂构成的硬段交替共聚而成，其特征在于，聚合过程中软段部分全部或部分采用了可与异氰酸酯基反应的生物基多元醇；各组分的含量为：二异氰酸酯5～40wt％，生物基多元醇10-55wt％，低聚物多元醇0-55wt％，亲水性扩链剂0.5-5wt％，二元醇或二元胺扩链剂0-15wt％，水40-80wt％，各组分之和为100wt％。
2.根据权利要求1所述的水性聚氨酯，其特征在于，所述的各组分含量为：二异氰酸酯8-20wt％，生物基多元醇20-50wt％，低聚物多元醇10-30wt％，亲水性扩链剂1-4wt％，二元醇或二元胺扩链剂2-13wt％，水50-70wt％，各组分之和为100wt％。
3.根据权利要求1所述的水性聚氨酯，其特征在于，所述的二异氰酸酯为脂肪族二异氰酸酯、脂环族二异氰酸酯或芳香族二异氰酸酯的任意组合或者其中之一。
4.根据权利要求1所述的水性聚氨酯，其特征在于，所述的生物基多元醇由生物基1，3-丙二醇均聚得到或生物基1,3-丙二醇与生物基二元酸、化学法二元、三元酸缩聚得到，分子量200-5000。
5.根据权利要求1所述的水性聚氨酯，其特征在于，所述的低聚物多元醇为分子量200-5000的聚醚多元醇或者分子量400-5000聚酯多元醇。
6.根据权利要求1所述的水性聚氨酯，其特征在于，所述的亲水性扩链剂为二羟甲基丙酸或者二羟甲基丁酸或者乙二胺基乙磺酸钠或者1，4-丁二醇-2-磺酸钠或者N-（2-氨基乙基）-2-氨基乙磺酸的任意组合或者其中之一。
7.据权利要求1所述的水性聚氨酯，其特征在于，所述的二元醇扩链剂为生物基的1，3－丙二醇或者乙二醇，或者1，2－丙二醇或者1，4－丁二醇或者1，3－丁二醇或者1、5－戊二醇或者新戊二醇或者1，6－己二醇或者1，8－辛二醇或者一缩二乙二醇或者氢醌－二（β－羟乙基）醚或者三羟甲基丙烷或者甘油的任意组合或者其中之一；所述的二元胺扩链剂为肼或者乙二胺或1，3－丙二胺或1，4－丁二胺或1，5－戊二胺或1，6－己二胺或1，8－辛二胺或1，4－环己基二胺或二乙烯三胺或者聚醚胺的任意组合或者其中之一。
8.制备利要求1所述的水性聚氨酯的方法，其特征在于，依次包括下述步骤：
1）按权利要求1所述的质量百分数称取各个组分；
2）在装有温度计、搅拌器、回流冷凝器的干燥反应釜中加入步骤1）称取的生物基多元醇和常规低聚物多元醇升温至100-150℃，真空脱水30min，降温至80-90℃，再加入多异氰酸酯，反应至异氰酸酯基含量至1～16wt％；
3）再加入羧酸盐性的亲水性扩链剂继续反应0.5-1.5h，再加入二元醇扩链剂，降温至40℃左右得到预聚体，加入三乙胺成盐，得到预聚体；
4）将步骤3）得到的预聚体分散在水中得到聚氨酯的水分散体或者在加水分散的同时加入胺类扩链剂进行扩链反应。
9.制备利要求1所述的水性聚氨酯的方法，其特征在于，依次包括下述步骤：
1）按权利要求1所述的质量百分数称取各个组分；
2）在装有温度计、搅拌器、回流冷凝器的干燥反应釜中加入步骤1）称取的生物基多元醇和低聚物多元醇升温至100-150℃，真空脱水30min，降温至80-90℃，再加入多异氰酸酯，反应至异氰酸酯基含量达到1～16wt％，降温到50℃，降温的过程加入丙酮降低粘度；
3)保温在50℃，加入溶解在水中的胺基磺酸盐反应10min；
4）加入水继续分散，脱除丙酮，过滤得到聚氨酯的水分散体。
10.权利要求1所述的水性聚氨酯用作涂料、涂饰剂或油墨的成膜物质或者胶粘剂或者织物整理剂或者包覆材料。
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