CN104004449A - 一种耐光与阻燃性水性聚氨酯涂料的制备方法 - Google Patents
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Abstract
本发明公开了一种耐光与阻燃性水性聚氨酯涂料的制备方法，在二月桂酸二丁基锡催化剂存在的条件下，将聚四氢呋喃醚二醇与异佛尔酮二异氰酸酯混合，于80~100℃下反应1~3h，加入环磷酰胺，反应时间1h，反应温度80℃，得到聚氨酯预聚体A；向预聚体A加入为预聚体重量1.2~3.2％的扩链剂和预聚体A重量12~25％的1，1，2-三氟三氯乙烷，于65~85℃条件下反应1.5~3.5h，加入发酵物料C和山梨醇，反应温度65~85℃，反应时间1~2h，按预聚体重量为10~15%的三乙胺进行中和反应30~50min，加水进行乳化，得到耐光与阻燃性水性聚氨酯，所制备的耐光与阻燃性聚氨酯环保、价格低廉，广泛应用于墙体、家具、金属器具表面，作为塑料、玻璃、造纸、纺织的粘合剂。
Description
技术领域
本发明涉及涂料的制备方法，特别涉及一种耐光与阻燃性水性聚氨酯涂料的制备方法。
背景技术
聚氨酯主要应用于皮革涂饰、纺织印染、造纸业、建筑涂料、胶粘剂等方面，喷涂于内外墙体、家具、金属器具表面的涂料和油漆，每时每刻都在与人类直接或间接接触，有毒、有害涂料已也时刻威胁着人们的健康。由于使用的领域常接触太阳光，由于太阳光线中含有大量对有色物体有害的紫外光，其波长约290～460nm，这些有害的紫外光通过化学上的氧化还原作用，使涂料发生颜色的变化。
聚氨酯进行聚合常采用二月桂酸二丁基锡做催化剂，但由于重金属锡在随着聚氨酯的降解而对环境造成危害，环磷酰胺对二月桂酸二丁基锡对催化残余的锡进行固定，降低聚氨酯涂料残余物对环境的危害。
聚氨酯树脂的耐光性常采用加入紫外线吸收剂和抗氧化剂提高耐光性，但传统的合成抗氧化剂有叔丁基羟基茴香醚、过氧化氢叔丁基、叔丁基对苯二酚等, 具有较大的毒副作用和致癌性，而用传统的加入有机硅材料提高防水性的效果也不佳，因此需要寻找高效环保的防水、耐光技术。
“EM”是英语Effective 和microorganisms 的缩写，意为有益微生物群，是日本琉球大学比嘉夫教授于1983 年研制成功的微生物工程技术中综合性最强的新技术。它是由光合细菌、乳酸菌、放线菌、酵母菌、发酵型丝状菌等多种好氧性和厌氧性微生物组成的多种有益的优良微生物菌群，这些微生物组合互相促进，共同组成一个复杂而稳定的具有多元功能的微生物生态系统。EM 菌群发酵液是河南农富康生物科技有限责任公司的EM 菌群发酵液。
其他大多数高分子材料一样，聚氨酯不耐热，容易被点燃，产生毒性气体，危害人身财产安全。使聚氨酯制品具有一定的阻燃性，添加阻燃剂是最常用的方法，常见添加的磷酸酯和卤代磷酸酯的阻燃剂，但上述阻燃剂使聚氨酯的阻燃性能不能大幅提高。
发明内容
本发明所要解决的技术问题是，提供一种耐光与阻燃性水性聚氨酯涂料的制备方法，选择二月桂酸二丁基锡作催化剂，聚四氢呋喃醚二醇与异佛尔酮二异氰酸酯进行反应，利用环磷酰胺对二月桂酸二丁基锡进行固定，用耐光性材料作为扩链剂，同时加入具有耐光性的发酵物料，来提高聚氨酯的耐光性，同时在环磷酰胺与山梨醇的作用下，提高了聚氨酯的阻燃性。
一种耐光与阻燃性水性聚氨酯涂料的制备方法，其特征在于：
(1)一种发酵物料的制备步骤如下：
（a）将青木瓜粉70g、海蕴40g搅拌混合成一种混合物，然后往所述混合物中添加水62g，再用氢氧化钠将其混合物的pH调节至10，得到一种天然发酵物料A为170g；
(b)将2g的EM菌群发酵液、0.7g糖与20g水混合，装入密闭容器中存放360h，得到一种EM发酵菌群储存液22g；
(c)用水50g将制备的EM发酵菌储存液22g稀释得到EM发酵菌群储存稀释液，然后将70g所述的EM发酵群储存稀释液喷洒到170g制备的天然发酵物料A，搅拌混合均匀后在室温下堆制发酵100d，得到一种发酵物料B为230g；
(d)将230g的发酵物料B投入到三口瓶中，往其中加入质量浓度为30%的氢氧化钠溶液40g，再在温度60~90℃的条件下搅拌反应2~24h；然后使用压滤机进行压滤，得到的滤液进行蒸发浓缩，得到水分为10%的发酵物料C,即为所需的发酵物料为62g；
（2)、在二月桂酸二丁基锡催化剂存在的条件下，按NCO/OH 的摩尔比为1.6:1~4.8 :1，将聚四氢呋喃醚二醇与异佛尔酮二异氰酸酯混合，于80~100℃下反应1~3h，加入环磷酰胺，反应时间1h，反应温度80℃，得到聚氨酯预聚体A；所述催化剂用量为聚四氢呋喃醚二醇与异佛尔酮二异氰酸酯总重量的0.2 ~0.5％，环磷酰胺用量为聚四氢呋喃醚二醇、异佛尔酮二异氰酸酯、二月二月桂酸二丁基锡总重量的0.1 ~0.4％；
（3)、向预聚体A加入为预聚体重量1.2~3.2％的扩链剂和预聚体A重量12~25％的1，1，2-三氟三氯乙烷，于65~85℃条件下反应1.5~3.5h，加入预聚体A重量为0.5~1.2%的发酵物料C和预聚体A重量0.7~2.1%的山梨醇，反应温度65~85℃，反应时间1~2h，按预聚体A重量为10~15%的三乙胺进行中和反应30~50min，加水进行乳化，得到耐光与阻燃性水性聚氨酯。
糖为乳糖、葡萄糖、麦芽糖、蔗糖、海藻糖、棉子糖、麦芽低聚糖葡萄糖、异麦芽低聚糖葡萄糖、海藻糖葡萄糖中的任意一种；聚四氢呋喃醚二醇的分子量为1000；扩链剂为布罗波尔、表儿茶素、枸杞多糖、雌二醇中的任意一种。
本发明具有以下特点：
（1）环磷酰胺对催化剂进行固定，降低了聚氨酯的毒性，同时环磷酰胺可与山梨醇发挥相互协效，提高聚氨酯的耐光性；
（2）选择耐光材料为扩链剂，提高了耐光效率，且选择的耐光材料环保；
（3）发酵物料可以对太阳光进行吸收，提高了聚氨酯的耐光性。
具体实施方式下面结合实例进一步说明本发明。
实例一
(1)一种发酵物料的制备步骤如下：
（a）将青木瓜粉70g、海蕴40g搅拌混合成一种混合物，然后往所述混合物中添加水62g，再用氢氧化钠0.1g将其混合物的pH调节至10，得到一种天然发酵物料A为170g；
(b)将2g的EM菌群发酵液、0.7g海藻糖葡萄糖与20g水混合，装入密闭烧250ml瓶中存放360h，得到一种EM发酵菌群储存液22g；
(c)用水50g将制备的EM发酵菌储存液22g稀释得到EM发酵菌群储存稀释液，然后将70g所述的EM发酵群储存稀释液喷洒到170g制备的天然发酵物料A，搅拌混合均匀后在室温下堆制发酵100d，得到一种发酵物料B为230g；
(d)将230g的发酵物料B投入到三口瓶500ml中，往其中加入质量浓度为30%的氢氧化钠溶液40g，再在温度60℃的条件下搅拌反应2h；然后使用压滤机进行压滤，得到的滤液进行蒸发浓缩，得到水分为10%的发酵物料C，即为所需的发酵物料为62g；
(2) 在装有搅拌浆、温度计、冷凝管的500ml的四口烧瓶中，将聚四氢呋喃醚二醇50g与异佛尔酮二异氰酸酯17.6g混合，在二月桂酸二丁基锡催化剂0.14g存在的条件下，于80℃下反应1h，加入环磷酰胺0.07g，反应时间1h，反应温度80℃，得到68g聚氨酯预聚体A；
（3)、向预聚体A加入的布罗波尔0.82g和1，1，2-三氟三氯乙烷8.2g，于65℃反应1.5h，加入发酵物料C为0.34g和山梨醇0.48g，反应温度65℃，反应时间1h，加入三乙胺6.8g进行中和反应30min，加水130g进行乳化，得到耐光与阻燃性水性聚氨酯。
实例二
(1)一种发酵物料的制备步骤如下：
（a）将青木瓜粉70g、海蕴40g搅拌混合成一种混合物，然后往所述混合物中添加水62g，再用氢氧化钠0.1g将其混合物的pH调节至10，得到一种天然发酵物料A为170g；
(b)将2g的EM菌群发酵液、0.7g异麦芽低聚糖葡萄糖与20g水混合，装入密闭烧250ml瓶中存放360h，得到一种EM发酵菌群储存液22g；
(c)用水50g将制备的EM发酵菌储存液22g稀释得到EM发酵菌群储存稀释液，然后将70g所述的EM发酵群储存稀释液喷洒到170g制备的天然发酵物料A，搅拌混合均匀后在室温下堆制发酵100d，得到一种发酵物料B为230g；
(d)将230g的发酵物料B投入到三口瓶500ml中，往其中加入质量浓度为30%的氢氧化钠溶液40g，再在温度90℃的条件下搅拌反应24h；然后使用压滤机进行压滤，得到的滤液进行蒸发浓缩，得到水分为10%的发酵物料C，即为所需的发酵物料为62g；
（2）、在装有搅拌浆、温度计、冷凝管的500ml的四口烧瓶中，将聚四氢呋喃醚二醇50g与异佛尔酮二异氰酸酯53.3g混合，在二月桂酸二丁基锡催化剂0.52g存在的条件下，于100℃下反应3h，加入环磷酰胺0.42g，反应时间1h，反应温度80℃，得到83g聚氨酯预聚体A；
（3)、向预聚体A加入的表儿茶素2.7g和1，1，2-三氟三氯乙烷20.8g，于85℃反应3.5h，加入发酵物料C为1g和山梨醇1.7g，反应温度85℃，反应时间2h，加入三乙胺12.5g进行中和反应50min，加水160g进行乳化，得到耐光与阻燃性水性聚氨酯。
实例三
(1)一种发酵物料的制备步骤如下：
（a）将青木瓜粉70g、海蕴40g搅拌混合成一种混合物，然后往所述混合物中添加水62g，再用氢氧化钠0.1g将其混合物的pH调节至10，得到一种天然发酵物料A为170g；
(b)将2g的EM菌群发酵液、0.7g麦芽低聚糖葡萄糖与20g水混合，装入密闭烧250ml瓶中存放360h，得到一种EM发酵菌群储存液22g；
(c)用水50g将制备的EM发酵菌储存液22g稀释得到EM发酵菌群储存稀释液，然后将70g所述的EM发酵群储存稀释液喷洒到170g制备的天然发酵物料A，搅拌混合均匀后在室温下堆制发酵100d，得到一种发酵物料B为230g；
(d)将230g的发酵物料B投入到三口瓶500ml中，往其中加入质量浓度为30%的氢氧化钠溶液40g，再在温度75℃的条件下搅拌反应13h；然后使用压滤机进行压滤，得到的滤液进行蒸发浓缩，得到水分为10%的发酵物料C,即为所需的发酵物料为62g；
（2）、在装有搅拌浆、温度计、冷凝管的500ml的四口烧瓶中，将聚四氢呋喃醚二醇50g与异佛尔酮二异氰酸酯35.5g混合，在二月桂酸二丁基锡催化剂0.3g存在的条件下，于90℃下反应2h，加入环磷酰胺0.21g，反应时间1h，反应温度80℃，得到86g聚氨酯预聚体A；
（3)、向预聚体A加入的枸杞多糖1.9g和1，1，2-三氟三氯乙烷16g，于75℃条件下反应2.5h，加入发酵物料C为0.73g和山梨醇1.2g，反应温度75℃，反应时间1.5h，加入三乙胺10.8g进行中和反应40min，加水140g进行乳化，得到耐光与阻燃性水性聚氨酯。
实例四
(1)一种发酵物料的制备步骤如下：
（a）将青木瓜粉70g、海蕴40g搅拌混合成一种混合物，然后往所述混合物中添加水62g，再用氢氧化钠将其混合物的pH调节至10，得到一种天然发酵物料A为170g；
(b)将2g的EM菌群发酵液、0.7g棉子糖、20g、组胺0.3g水混合，装入密闭烧250ml瓶中存放360h，得到一种EM发酵菌群储存液22g；
(c)用水50g将制备的EM发酵菌储存液22g稀释得到EM发酵菌群储存稀释液，然后将70g所述的EM发酵群储存稀释液喷洒到170g制备的天然发酵物料A，搅拌混合均匀后在室温下堆制发酵100d，得到一种发酵物料B为230g；
(d)将230g的发酵物料B投入到三口瓶500ml中，往其中加入质量浓度为30%的氢氧化钠溶液40g，再在温度70℃的条件下搅拌反应21h；然后使用压滤机进行压滤，得到的滤液进行蒸发浓缩，得到水分为10%的发酵物料C，即为所需的发酵物料为62g；
(2) 在装有搅拌浆、温度计、冷凝管的500ml的四口烧瓶中，将聚四氢呋喃醚二醇50g与异佛尔酮二异氰酸酯17.6g混合，在二月桂酸二丁基锡催化剂0.14g存在的条件下，于80℃下反应1h，加入环磷酰胺0.07g，反应时间1h，反应温度80℃，得到68g聚氨酯预聚体A；
（3)、向预聚体A加入的雌二醇0.82g和1，1，2-三氟三氯乙烷8.2g，于65℃反应1.5h，加入发酵物料C为0.34g、山梨醇0.48g和二苯基(三甲基硅基)膦0.6g，反应温度65℃，反应时间1h，加入草酸钠6.8g进行中和反应30min，加水130g进行乳化，得到耐光与阻燃性水性聚氨酯。
实例五
(1)一种发酵物料的制备步骤如下：
（a）将青木瓜粉70g、海蕴40g搅拌混合成一种混合物，然后往所述混合物中添加水62g，再用氢氧化钠0.1g将其混合物的pH调节至10，得到一种天然发酵物料A为170g；
(b)将2g的EM菌群发酵液、0.7g海藻糖、双三甲基硅基胺基锂0.2g与20g水混合，装入密闭烧250ml瓶中存放360h，得到一种EM发酵菌群储存液22g；
(c)用水50g将制备的EM发酵菌储存液22g稀释得到EM发酵菌群储存稀释液，然后将70g所述的EM发酵群储存稀释液喷洒到170g制备的天然发酵物料A，搅拌混合均匀后在室温下堆制发酵100d，得到一种发酵物料B为230g；
(d)将230g的发酵物料B投入到三口瓶500ml中，往其中加入质量浓度为30%的氢氧化钠溶液40g，再在温度80℃的条件下搅拌反应12h；然后使用压滤机进行压滤，得到的滤液进行蒸发浓缩，得到水分为10%的发酵物料C,即为所需的发酵物料为62g；
（2）、在装有搅拌浆、温度计、冷凝管的500ml的四口烧瓶中，将聚四氢呋喃醚二醇50g与异佛尔酮二异氰酸酯53.3g混合，在二月桂酸二丁基锡催化剂0.52g存在的条件下，于100℃下反应3h，加入环磷酰胺0.42g，反应时间1h，反应温度80℃，得到83g聚氨酯预聚体A；
（3)、向预聚体A加入的表儿茶素2.7g和1，1，2-三氟三氯乙烷20.8g，于70℃反应3.5h，加入发酵物料C为1g、山梨醇1.7g和乙烯基三(三甲基硅氧烷基)硅烷0.5g，反应温度70℃，反应时间2h，加入柠檬酸钠12.5g进行中和反应50min，加水160g进行乳化，得到耐光与阻燃性水性聚氨酯。
下面通过相关实验数据进一步说明本发明的有益效果：
为了定量描述涂料的耐光性能，采用分光光度仪进行检测，以得到反色差值△E，来描述涂料与面漆的耐光性。△E代表了颜色变化程度，△E越大，颜色改变越明显。一般来说，△E值为0～1.5属轻微变化；△E值为1.5～3.0属可感变化；△E值为3.0～6.0属明显变化（参见王芳，党高潮，王丽琴，几种有机文物保护聚合物涂料的光降解[J].西北大学学报，2005，35(5)：56~58）。
表一 耐光与阻燃性水性聚氨酯涂料所成膜耐光性
| 时间/min | 实例一 | 实例二 | 实例三 | 实例四 | 实例五 | 市场PU-1 |
| 90 | 0.3 | 0.2 | 0.4 | 0.2 | 0.1 | 0.3 |
| 150 | 0.7 | 0.5 | 0.3 | 0.3 | 0.2 | 0.4 |
| 270 | 0.9 | 0.5 | 0.5 | 0.3 | 0.2 | 0.5 |
| 330 | 0.9 | 0.6 | 0.6 | 0.4 | 0.3 | 0.8 |
| 390 | 1.0 | 0.9 | 0.8 | 0.8 | 0.3 | 1.0 |
| 450 | 1.1 | 0.9 | 0.8 | 0.8 | 0.3 | 1.2 |
| 510 | 1.1 | 1.2 | 0.9 | 0.9 | 0.6 | 1.8 |
| 540 | 11 | 1.2 | 1.0 | 1.0 | 0.9 | 2.0 |
| 600 | 1.1 | 1.2 | 1.2 | 1.2 | 0.9 | 2.5 |
从表一可以发现，实例一到实例五所制备的涂料耐光性均在轻微变化范围内，显示很好的耐光性，而市场PU-1在510min已经属于可感变化。
阻燃性是通过烟密度法（最大烟密度、达到最大烟密度时间）、氧指数、垂直燃烧指标（有焰燃烧时间、无焰燃烧时间）来衡量。
表二 耐光与阻燃性水性聚氨酯涂料所成膜的阻燃性能
| 实例一 | 实例二 | 实例三 | 实例四 | 实例五 | 市场PU-1 | |
| 最大烟密度 | 44 | 40 | 34 | 38 | 32 | 68 |
| 达到最大烟密度时间/s | 160 | 160 | 185 | 160 | 160 | 120 |
| 氧指数 | 24.3 | 26.2 | 26.3 | 25.4 | 25.3 | 21 |
| 有焰燃烧时间/s | 36.3 | 25.4 | 11.2 | 23.7 | 16.3 | 39 |
| 无焰燃烧时间/s | 0 | 0 | 0 | 0 | 0 | 15 |
表二各项指标的检测分别依据如下标准：烟密度依据GB8323-2008来测定，氧指数采用GB/T5454-1997《纺织品 燃烧性能试验-氧指数法》测定；有焰燃烧时间和无焰燃烧时间是由GB/T 5455-1997《纺织品燃烧能试验-垂直法》来测定。
由表而可知，使用了本发明耐光与阻燃性水性聚氨酯后，最大烟密度显著降低，达到最大烟密度时间显著延长，氧指数明显提高，燃烧时间明显缩短。
Claims (4)
1.一种耐光与阻燃性水性聚氨酯涂料的制备方法，其特征在于：
(1)一种发酵物料的制备步骤如下：
（a）将青木瓜粉70g、海蕴40g搅拌混合成一种混合物，然后往所述混合物中添加水62g，再用氢氧化钠将其混合物的pH调节至10，得到一种天然发酵物料A为170g；
(b)将2g的EM菌群发酵液、0.7g糖与20g水混合，装入密闭容器中存放360h，得到一种EM发酵菌群储存液22g；
(c)用水50g将制备的EM发酵菌储存液22g稀释得到EM发酵菌群储存稀释液，然后将70g所述的EM发酵群储存稀释液喷洒到170g制备的天然发酵物料A，搅拌混合均匀后在室温下堆制发酵100d，得到一种发酵物料B为230g；
(d)将230g的发酵物料B投入到三口瓶中，往其中加入质量浓度为30%的氢氧化钠溶液40g，再在温度60~90℃的条件下搅拌反应2~24h；然后使用压滤机进行压滤，得到的滤液进行蒸发浓缩，得到水分为10%的发酵物料C，即为所需的发酵物料为62g；
(2)、在二月桂酸二丁基锡催化剂存在的条件下，按NCO/OH 的摩尔比为1.6:1~4.8 :1，将聚四氢呋喃醚二醇与异佛尔酮二异氰酸酯混合，于80~100℃下反应1~3h，加入环磷酰胺，反应时间1h，反应温度80℃，得到聚氨酯预聚体A；所述催化剂用量为聚四氢呋喃醚二醇与异佛尔酮二异氰酸酯总重量的0.2 ~0.5％，环磷酰胺用量为聚四氢呋喃醚二醇、异佛尔酮二异氰酸酯、二月二月桂酸二丁基锡总重量的0.1 ~0.4％；
(3)、向预聚体A加入为预聚体重量1.2~3.2％的扩链剂和预聚体A重量12~25％的1，1，2-三氟三氯乙烷，于65~85℃条件下反应1.5~3.5h，加入预聚体A重量为0.5~1.2%的发酵物料C和预聚体A重量0.7~2.1%的山梨醇，反应温度65~85℃，反应时间1~2h，按预聚体A重量为10~15%的三乙胺进行中和反应30~50min，加水进行乳化，得到耐光与阻燃性水性聚氨酯。
2.根据权利1所述的一种耐光与阻燃性水性聚氨酯涂料制备方法，其特征在于糖为乳糖、葡萄糖、麦芽糖、蔗糖、海藻糖、棉子糖、麦芽低聚糖葡萄糖、异麦芽低聚糖葡萄糖、海藻糖葡萄糖中的任意一种。
3.如权利要求1所述的一种耐光与阻燃性水性聚氨酯涂料的制备方法，其特征在于：聚四氢呋喃醚二醇的分子量为1000。
4.如权利要求1所述的耐光与阻燃性水性聚氨酯涂料，其特征在于：扩链剂为布罗波尔、表儿茶素、枸杞多糖、雌二醇中的任意一种。
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