CN105111404A - 一种聚氨酯弹性体的制备方法 - Google Patents

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Abstract

一种聚氨酯弹性体的制备方法，涉及聚合物。提供具有优良抗冲击性能和机械加工特性，尤其适于制备具有高产率、低缺陷的透明聚氨酯眼镜框制品的一种聚氨酯弹性体的制备方法。1)制备预聚物：将异氰酸酯与多元醇混合反应，得到预聚物；2)制备固化剂，具体方法如：将多元醇、催化剂、抗老化剂脱水至按质量百分比水分小于0.05％，降温后，加入扩链剂，得到固化剂；3)将预聚物和固化剂混合，再真空脱泡，将真空脱泡后的反应性混合物注入模具中，再将模具放入微波环境中加热，脱模后即得聚氨酯弹性体。工艺性能好、物料操作温度低、操作时间可控；生产效率高和成品率高。

Description

一种聚氨酯弹性体的制备方法
技术领域
本发明涉及聚合物，尤其是涉及一种聚氨酯弹性体的制备方法。
背景技术
具有良好光学性能和高抗冲击性能的聚合物材料可以广泛应用在建筑玻璃、车辆玻璃窗、防爆盾牌和眼镜等领域。目前具有实际应用价值的塑料材料主要有聚甲基丙酸树脂、聚苯乙烯树脂、聚碳酸酯树脂、二甘醇二(烯丙基碳酸酯)树脂、透明尼龙和聚氨酯树脂等多种材料。其中，聚碳酸酯树脂具有优良的透明性、耐热性和机械强度，但是其耐候性差；聚苯乙烯树脂在成型加工性、刚性、透明性等方面性能优异，但是其耐弯折性能差；聚甲基丙烯酸树脂具有良好的透明性和耐候性，但是其抗冲击性能特别是较低温度下的抗冲击性能差；二甘醇二(烯丙基碳酸酯)树脂质轻且不易碎，作为镜片材料应用广泛，但不适合作为镜框材料；特殊的透明尼龙材料具有较高的透光率和物理机械性能，但是作为镜框材料使用，镜框若发生变形时，材料的弹性回复能力不好。此外，通过注塑成型的镜框需要进行二次机械加工，以上材料的加工性能又不尽如人意，往往成品率较低。
透明聚氨酯材料通常具有优异的力学性能和良好的耐候性，近些年来引起广泛关注。
中国专利CN1314922公开了一种制造光学透明和高硬度抗冲击聚氨酯材料的方法，其中只对配方进行了详细说明，采用脂肪族异氰酸酯和芳香胺类固化剂反应得到聚氨酯材料，但是并未提及明确的物料可操作时间和脱模时间，因此材料性能和成型工艺等条件对后续透明制品加工性能的影响是不可预测的。
中国专利CN102918073公开了一种改善抗冲击性能和光学性质的聚氨酯组合物，其制造方法：异氰酸酯组分采用1,3-双(异氰酸基甲基)和1,4-双(异氰酸基甲基)与两种分子量的异氰酸酯反应性化合物反应，合成NCO含量为8-15％的预聚物，与芳香族胺类固化剂反应，物料注入预热到115℃的模具中固化，脱模时间小于25min，但是材料的操作时间未有详细说明，对于复杂产品的成型和后加工问题尚未可知。
中国专利CN103443659公开了一种制备高产率、高透明度、非常低的浊度和低流线的聚硫氨酯透镜的制备方法，其制造方法：合成含有硫醇化合物的反应性组分A与含有硫醚官能的低聚多硫醇和芳香胺固化剂的反应性组分B，将两个组分引入混合室中混合至少70s，而后注入至多130℃的模具中，经过合适的时间后脱模。
以上几篇专利均采用普通的芳香胺类固化剂，异氰酸酯组分和固化剂组分混合后，由于反应活性较高，物料的操作时间较短，通常只有1～2min左右，因而材料在成型过程中容易出现缺陷(如气泡、流线等)，严重影响制品的成品率；尤其是对于一些复杂的透明制件，成型后需要进行复杂的二次机械加工，材料较低的物理机械性能也会影响产品的加工成品率。此外，传统的加热方式导致单个制品较长的成型周期，又影响着批量制品的生产成本。因此，需要开发工艺性能好，物料固化和脱模时间可控，生产效率高，成品率高并且节省能源的透明制品的制备方法。
发明内容
本发明的目的在于针对现有的透明制品制备方法中存在的上述问题，提供具有优良抗冲击性能和机械加工特性，尤其适于制备具有高产率、低缺陷的透明聚氨酯眼镜框制品的一种聚氨酯弹性体的制备方法。
本发明包括以下步骤：
1)制备预聚物，具体方法如下：将异氰酸酯与多元醇混合反应，得到预聚物；
2)制备固化剂，具体方法如下：将多元醇、催化剂、抗老化剂脱水至按质量百分比水分小于0.05％，降温后，加入扩链剂，得到固化剂；
3)将预聚物和固化剂混合，再真空脱泡，将真空脱泡后的反应性混合物注入模具中，再将模具放入微波环境中加热，脱模后即得聚氨酯弹性体。
在步骤1)中，所述异氰酸酯与多元醇的质量比可为异氰酸酯40～75，多元醇25～60；所述反应的温度可为80～100℃，反应的时间可为3～4h，所得预聚物中异氰酸酯基的含量可为8％～19％；所述异氰酸酯可选自脂环族异氰酸酯、脂肪族异氰酸酯等中的至少一种，所述脂肪族异氰酸酯可为异佛尔酮二异氰酸酯(IPDI)，脂环族异氰酸酯可为4,4′-亚甲基二(环己基异氰酸酯)(H12MDI)，它至少包含20％4,4′-亚甲基二(环己基异氰酸酯)的反式异构体，其中IPDI的存在量按质量百分比最好为异氰酸酯组分的至少10％；所述多元醇可采用至少一种重均分子量为150～4500的含羟基的中间体，所述中间体选自聚酯二醇、聚己内酯二醇、聚醚二醇、聚碳酸酯二醇等中的至少一种，包括(1)己二酸与一种或多种选自1,4-丁二醇、1,6-己二醇、新戊二醇、1,10-癸二醇的二元醇的酯化产物；(2)己内酯与一种或多种选自1,4-丁二醇、1,6-己二醇、新戊二醇、1,10-癸二醇的二元醇的反应产物；(3)聚四氢呋喃二醇；(4)脂族聚碳酸酯二醇；(5)这些多元醇的混合物，优选聚己内酯二醇。
在步骤2)中，所述多元醇、催化剂、抗老化剂、扩链剂的质量比可为(0.5～40)∶(0～5)∶(0～5)∶(60～95)；所述多元醇可为至少一种重均分子量为150～4500的含羟基的中间体，所述中间体选自聚酯二醇、聚己内酯二醇、聚醚二醇和聚碳酸酯二醇及其混合物，包括(1)己二酸与一种或多种选自1,4-丁二醇、1,6-己二醇、新戊二醇、1,10-癸二醇的二元醇的酯化产物；(2)己内酯与一种或多种选自1,4-丁二醇、1,6-己二醇、新戊二醇、1,10-癸二醇的二元醇的反应产物；(3)聚四氢呋喃二醇；(4)脂族聚碳酸酯二醇；(5)这些多元醇的混合物，优选聚己内酯二醇；所述催化剂可选自有机锡、有机铋、有机锌、有机锆等中的至少一种；所述抗老化剂可选自UV-328(2-(2′-羟基-3′，5′-二叔戊基苯基)苯并三唑)、1010(四亚甲基(3，5-二-叔丁基-4-羟基苯丙酸)甲酯)、BHT(2，6-二叔丁基对甲酚)、1076(3，5-二叔丁基-4-羟基苯基丙酸十八碳醇酯)等中的至少一种；所述扩链剂可选自亚甲基二苯胺(MDA)、氯化钠络合物等中的至少一种；所述脱水的条件可在100～110℃、-0.095MPa下脱水；所述降温，可降温至50～60℃；
在步骤3)中，所述预聚物和固化剂的质量比可为1∶(0.5～2)；所述混合的温度可为30～60℃，混合的时间可为2～10min；所述微波环境中加热的温度可为70～150℃，微波环境中加热的时间可为1～10min。
预聚物和固化剂按质量比1∶(0.5～2)混合固化所得聚氨酯弹性体的性能如表1所示。
表1
邵D硬度 66～68 78～80 74～76
拉伸强度/MPa 45～52 53～58 50～55
透光率/％ 85～88 85～88 85～88
冲击强度/J/m2 60～70 73～80 65～75
脱模时间/min 3～10 3～10 3～10
本发明通过选用封闭氨基的芳香胺类固化剂，能够通过控制加热温度来实现对物料固化时间和脱模时间的控制，降低了成型过程中容易出现的缺陷，提高了成品率；并采用微波加热固化，能够使材料在短时间内迅速固化成型，避免了厚壁制品固化过程中内外固化不同步所形成的材料内应力，降低制品的脱模时间，提高制品的生产效率高。
本发明尤其适合要求具有优良的抗冲击性能和机械加工特性，适于制备具有高产率、低缺陷的透明聚氨酯眼镜框制品。
本发明工艺性能好、物料操作温度低、操作时间可控；生产效率高和成品率高。
具体实施方式
下面结合实施对本发明做进一步说明。
实施例所用材料如下：
PCL-210：数均分子量1000，聚己内酯多元醇，日本大赛璐公司；
PCL-220：数均分子量2000，聚己内酯多元醇，日本大赛璐公司；
H12MDI：4,4′-亚甲基二(环己基异氰酸酯)，万华化学集团股份有限公司；
IPDI：异佛尔酮二异氰酸，赢创德固赛公司；
MDA及其氯化钠络合物：二氨基二苯基甲烷及其氯化钠络合物，万华化学集团股份有限公司；
有机铋催化剂：DABCOMB20，美国气体化工产品公司；
紫外线吸收剂UV-328：2-(2'-羟基-3',5'-二戊基苯基)苯并三唑，德国巴斯夫；
抗氧剂1076：β-(3,5-二叔丁基-4-羟基苯基)，丙酸正十八碳醇酯；
透明性测试方法：ASTMD2003-07；
抗冲击性能测试方法：ASTMD256-06A；
实施例1
(1)预聚物：60份的PCL210，常压下加入36份的H12MDI，4份的IPDI升温至80～100℃反应3～4h，得到异氰酸基含量为8％的预聚物。
(2)混合浇注：将62份的MDA的氯化钠络合物，1份催化剂DABCOMB20，1份抗氧剂1076,1份紫外线吸收剂UV-328，与温度为30～60℃的100份的预聚物组分在30～60℃条件下混合均匀，一起混合2～10min并通过真空脱出气泡；将该反应性混合物注入常温模具中；将模具放入微波环境中加热6min，控制温度在70～150℃；将该制品从模具中释放出来，放置7天后测试性能，产品邵氏D硬度68。测试数据见表2。
实施例2
(1)预聚物：25份的PCL210，常压下加入60份的H12MDI，15份的IPDI升温至80～100℃反应3～4h，得到异氰酸基含量为19％的预聚物。
(2)固化剂：将35份的PCL220，1.5份催化剂DABCOMB20，1.5份抗氧剂1076，1.5份紫外线吸收剂UV-328在100～110℃，-0.095MPa条件下脱水至水分小于0.05％，降温至50～60℃，加入133份的MDA的氯化钠络合物混合均匀，得到固化剂。
(3)混合浇注：将173份的固化剂和100份的预聚物，在30～60℃条件下混合均匀，一起混合2～10min并通过真空脱出气泡；将该反应性混合物注入常温模具中；将模具放入微波环境中加热10min，控制温度在70～150℃；将该制品从模具中释放出来，放置7天后测试性能，产品邵氏D硬度80。测试数据见表2。
实施例3
(1)预聚物：25份的PCL210，常压下加入60份的H12MDI，15份的IPDI升温至80～100℃反应3～4h，得到异氰酸基含量为19％的预聚物。
(2)固化剂：将50份的PCL210，1.5份催化剂DABCOMB20，1.5份抗氧剂1076，1.5份紫外线吸收剂UV-328在100～110℃，-0.095MPa条件下脱水至水分小于0.05％，降温至50～60℃，加入114份的MDA的氯化钠络合物混合均匀，得到固化剂。
(3)混合浇注：将169份的固化剂和100份的预聚物，在30～60℃条件下混合均匀，一起混合2～10min并通过真空脱出气泡；将该反应性混合物注入常温模具中；将模具放入微波环境中加热9min，控制温度在70～150℃；将该制品从模具中释放出来，放置7天后测试性能，产品邵氏D硬度75。测试数据见表2。
表2
项目 实施例1 实施例2 实施例3
邵D硬度 68D 80D 75D
拉伸强度/MPa 51 56 53
透光率/％ 85 87 87
冲击强度/J/m2 67 78 70
脱模时间/min 6 10 9
本发明尤其适合要求具有优良的抗冲击性能和机械加工特性，适于制备具有高产率、低缺陷的透明聚氨酯镜框制品。

Claims (10)

1.一种聚氨酯弹性体的制备方法，其特征在于包括以下步骤：
1)制备预聚物，具体方法如下：将异氰酸酯与多元醇混合反应，得到预聚物；
2)制备固化剂，具体方法如下：将多元醇、催化剂、抗老化剂脱水至按质量百分比水分小于0.05％，降温后，加入扩链剂，得到固化剂；
3)将预聚物和固化剂混合，再真空脱泡，将真空脱泡后的反应性混合物注入模具中，再将模具放入微波环境中加热，脱模后即得聚氨酯弹性体。
2.如权利要求1所述一种聚氨酯弹性体的制备方法，其特征在于在步骤1)中，所述异氰酸酯与多元醇的质量比为异氰酸酯40～75，多元醇25～60。
3.如权利要求1所述一种聚氨酯弹性体的制备方法，其特征在于在步骤1)中，所述反应的温度为80～100℃，反应的时间为3～4h。
4.如权利要求1所述一种聚氨酯弹性体的制备方法，其特征在于在步骤1)中，所述异氰酸酯选自脂环族异氰酸酯、脂肪族异氰酸酯中的至少一种，所述脂肪族异氰酸酯可为异佛尔酮二异氰酸酯，脂环族异氰酸酯可为4,4′-亚甲基二(环己基异氰酸酯)。
5.如权利要求1所述一种聚氨酯弹性体的制备方法，其特征在于在步骤1)中，所述多元醇采用至少一种重均分子量为150～4500的含羟基的中间体，所述中间体选自聚酯二醇、聚己内酯二醇、聚醚二醇、聚碳酸酯二醇中的至少一种，包括(1)己二酸与一种或多种选自1,4-丁二醇、1,6-己二醇、新戊二醇、1,10-癸二醇的二元醇的酯化产物；(2)己内酯与一种或多种选自1,4-丁二醇、1,6-己二醇、新戊二醇、1,10-癸二醇的二元醇的反应产物；(3)聚四氢呋喃二醇；(4)脂族聚碳酸酯二醇；(5)这些多元醇的混合物，优选聚己内酯二醇。
6.如权利要求1所述一种聚氨酯弹性体的制备方法，其特征在于在步骤2)中，所述多元醇、催化剂、抗老化剂、扩链剂的质量比为(0.5～40)∶(0～5)∶(0～5)∶(60～95)。
7.如权利要求1所述一种聚氨酯弹性体的制备方法，其特征在于在步骤2)中，所述多元醇为至少一种重均分子量为150～4500的含羟基的中间体，所述中间体选自聚酯二醇、聚己内酯二醇、聚醚二醇和聚碳酸酯二醇及其混合物，包括(1)己二酸与一种或多种选自1,4-丁二醇、1,6-己二醇、新戊二醇、1,10-癸二醇的二元醇的酯化产物；(2)己内酯与一种或多种选自1,4-丁二醇、1,6-己二醇、新戊二醇、1,10-癸二醇的二元醇的反应产物；(3)聚四氢呋喃二醇；(4)脂族聚碳酸酯二醇；(5)这些多元醇的混合物，优选聚己内酯二醇。
8.如权利要求1所述一种聚氨酯弹性体的制备方法，其特征在于在步骤2)中，所述催化剂选自有机锡、有机铋、有机锌、有机锆中的至少一种；所述抗老化剂选自UV-328(2-(2′-羟基-3′，5′-二叔戊基苯基)苯并三唑)、1010(四亚甲基(3，5-二-叔丁基-4-羟基苯丙酸)甲酯)、BHT(2，6-二叔丁基对甲酚)、1076(3，5-二叔丁基-4-羟基苯基丙酸十八碳醇酯)中的至少一种；所述扩链剂选自亚甲基二苯胺、氯化钠络合物中的至少一种；所述脱水的条件可在100～110℃、-0.095MPa下脱水；所述降温，可降温至50～60℃。
9.如权利要求1所述一种聚氨酯弹性体的制备方法，其特征在于在步骤3)中，所述预聚物和固化剂的质量比为1∶(0.5～2)。
10.如权利要求1所述一种聚氨酯弹性体的制备方法，其特征在于在步骤3)中，所述混合的温度为30～60℃，混合的时间为2～10min；所述微波环境中加热的温度为70～150℃，微波环境中加热的时间为1～10min。
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