CN105906784A

CN105906784A - 一种无毒级亚光tdi三聚体固化剂及其制备方法

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Publication number: CN105906784A
Application number: CN201610305200.7A
Authority: CN
Inventors: 黄洪; 梁林姣; 司徒粤; 曹树坤
Original assignee: South China University of Technology SCUT
Current assignee: South China University of Technology SCUT
Priority date: 2016-05-10
Filing date: 2016-05-10
Publication date: 2016-08-31

Abstract

本发明属于固化剂的技术领域，公开了一种无毒级亚光TDI三聚体固化剂及其制备方法。制备方法包括：在氮气保护下，先将甲苯二异氰酸酯单体、抗氧化剂放入干燥的烧瓶中，在搅拌下将物料搅拌均匀，然后升温至40‑100℃并保温，加入催化剂和极性溶剂进行保温反应并每小时测量体系‑NCO百分含量；当到达一定‑NCO百分含量后添加一定量的TDI‑100，继续保温反应，每小时测量体系‑NCO百分含量，当体系达到目标‑NCO百分含量后加入适量阻聚剂，保温反应1h，冷却出料得到甲苯二异氰酸酯三聚体固化剂。本发明的制备方法简单，所制备的固化剂颜色浅、游离异氰酸酯单体含量低，并能很好地应用于亚光木器漆中。

Description

一种无毒级亚光 TDI 三聚体固化剂及其制备方法

技术领域

本发明涉及一种应用于涂料、粘合剂中的固化剂，特别是一种游离异氰酸酯单体含量低于0.5%的无毒级亚光TDI三聚体固化剂的制备方法。

背景技术

甲苯二异氰酸酯（TDI）三聚体固化剂与其他异氰酸酯固化剂相比，由于异氰脲酸酯环的存在，其具有官能度高、粘度低、较高热稳定性、耐腐蚀性好等众多优点，同时在异氰脲酸酯环的强吸电子效应作用下，-NCO基的反应活性较高，反应速度较快，使得TDI三聚体固化剂在与羟基组分结合时具有快固化、高硬度、易打磨抛光等特点，因此在家具木器漆，如快干型木器亚光漆、亮光漆中都得到广泛的应用。

由于甲苯二异氰酸酯三聚反应是在催化剂的作用下进行的，反应具有不彻底性，在一定程度上都残留了少量未反应的TDI单体。残留的单体不仅会影响产品的性能，而且还会污染环境、危害从业者与消费者人体健康，所以控制甲苯二异氰酸酯三聚体固化剂中的游离TDI单体含量尤为重要，国标GB18581-2009《室内装饰装修材料溶剂型木器涂料中有害物质限量》中严格规定游离二异氰酸酯单体（TDI、HDI）的含量总和要小于0.4％，而发达国家普遍将聚氨酯涂料中游离TDI质量分数低于0.5%的聚氨酯固化剂定为无毒产品。目前常见降低固化剂中未反应的异氰酸酯单体的工艺包括分子筛吸附、溶剂萃取、薄膜蒸发法及化学合成法。但是在实际应用中，分子筛吸附法存在吸附的TDI脱附困难、分子筛不能循环利用、TDI被大量浪费的缺点，而且分子筛的分离成本也很高。溶剂萃取法工艺路线长、效率低、能耗大、溶剂回收困难、残留溶剂会影响产品性能。薄膜蒸发法在发达国家已经广泛采用，同时国内在这方面也进行了大量的研究，但由于其设备精密、工艺管理要求严格、投资大，此技术还没有普遍的应用于国内工业生产中。化学合成法是利用添加高选择性催化剂或者其他优先与游离单体反应的试剂，使游离单体发生聚合或者被反应掉，达到降低游离单体的目的。但是在降低游离单体的同时，要保证活性异氰酸根的含量不能过低以及产品的粘度不能过大。

目前，在合成甲苯二异氰酸酯三聚体中用的比较多的是TDI-80（TDI-80是由80%的2,4-甲苯二异氰酸酯和20%的2,6-甲苯二异氰酸酯组成），在用TDI-80合成甲苯二异氰酸酯三聚体的时候，由于空间位阻效应的存在，2,4-甲苯二异氰酸酯甲基对位-NCO活性大于2,6-甲苯二异氰酸酯甲基两个邻位-NCO活性，所以2,4-甲苯二异氰酸酯会在催化剂作用下优先参与三聚反应，而由2,6-甲苯二异氰酸酯完全参与合成TDI三聚体相对来说比较困难，这也就导致最后合成的TDI三聚体中游离单体大多为2,6-甲苯二异氰酸酯。为了能降低三聚体中的2,6-甲苯二异氰酸酯单体会考虑添加一定质量TDI-100（TDI-100是100%的2,4-甲苯二异氰酸酯），添加的2,4-甲苯二异氰酸酯虽然增加了体系中甲苯二异氰酸酯单体含量，但是实际上加入的2,4-甲苯二异氰酸酯在自身接近完全三聚的同时能够与游离2,6-甲苯二异氰酸酯在催化剂作用下继续反应生成三聚体，从而达到了降低产品游离TDI的目的。但是单独使用TDI-80与TDI-100制备无毒级亚光TDI三聚体的过程中，由于TDI-100的引入，产品分子量会相对单独使用TDI-80的小，主要原因是室温下由于受空间位阻效应和诱导效应的影响，2,4-甲苯二异氰酸酯中甲基的对位-NCO的活性是其邻位-NCO的8倍左右，即使升高温度至100℃，甲基的对位-NCO活性还是其邻位-NCO的3倍左右，分子官能度相对较低，因而影响反应活性，进而影响干速和其他漆膜性能。

发明内容

为了克服现有技术中的缺点和不足，本发明的首要目的提供一种生产成本低、工艺设备简单能够在涂料、粘合剂等领域中应用的低游离TDI三聚体固化剂的制备方法。通过本发明的制备方法，无需后续处理，即可获得固含量在50±2%，-NCO含量在8.0±2%，粘度低于1800mPa.s（25℃），游离单体含量低于0.5%的无毒级亚光TDI三聚体固化剂。

本发明的另一目的在于提供由上述方法制备得到的TDI三聚体固化剂。

本发明的目的通过以下技术方案实现。

无毒级亚光TDI三聚体固化剂，以重量份计，包括以下组分：

甲苯二异氰酸酯 50~51

极性溶剂 48~50

抗氧化剂 0.1~0.3

催化剂 0.1~0.5

阻聚剂 0.1~0.2。

一种低游离TDI的聚氨酯三聚体固化剂的制备方法，包括如下步骤：

（1）在惰性气体保护下，先将甲苯二异氰酸酯单体、抗氧化剂放入装有温度计、搅拌桨的干燥四口烧瓶中，在140-160r/min的搅拌速度下将物料搅拌均匀，然后升温至40-100℃并保温，加入催化剂和极性溶剂，进行保温反应并每小时测量体系-NCO百分含量；

（2）当-NCO百分含量达到10.1-15.5%后，添加TDI-100继续保温反应，每小时测量体系-NCO百分含量，当体系-NCO百分含量达到7.8-8.2%后加入阻聚剂，保温反应0.5-1.5h，冷却出料得到甲苯二异氰酸酯三聚体固化剂，其中游离异氰酸酯单体含量低于0.5%。

进一步实施地，步骤（1）中所述甲苯二异氰酸酯单体为2,4-甲苯二异氰酸酯或者2,4-甲苯二异氰酸酯与2,6-甲苯二异氰酸酯混合物，其中优选为TDI-80和TDI-65（TDI-65是由65%的2,4-甲苯二异氰酸酯和35%的2,6-甲苯二异氰酸酯组成）的混合物，其中TDI-65质量占混合物物料总质量的20-100%。

步骤（1）中所述的极性溶剂为酯类溶剂或芳香烃类溶剂，例如乙酸乙酯、乙酸丁酯、甲苯、二甲苯的一种或多种，其中优选为乙酸丁酯。

步骤（1）中所述抗氧化剂为2,6-对二叔丁基对甲酚（BHT）、亚磷酸钠、次亚磷酸钠、亚磷酸钠三苯酯、抗氧化剂1010的一种或多种。

步骤（1）中所述的催化剂为乙酸锂、三乙烯二胺、曼尼希碱、DMP-30、三正丁基磷的一种或多种。其中优选为DMP-30、曼尼希碱2,2-二（3,5-二（（二甲基氨基）甲基-4-羟基苯基）丙烷。

步骤（2）中所述到达一定-NCO百分含量，其值为10.1-15.5%。

步骤（2）中所述添加一定量的TDI-100，可以分批加入，也可以一次性加入，添加的2,4-甲苯二异氰酸酯的质量为步骤（1）中甲苯二异氰酸酯总质量的20-65%。

步骤（2）中所述的阻聚剂可以为磷酸、苯甲酰氯、对甲苯磺酸甲酯的一种或多种，当-NCO百分含量为7.8%-8.2%时，一次性加入阻聚剂。

本发明是以化学法制备低游离TDI三聚体型聚氨酯固化剂，从两个方面来达到降低游离TDI的目的。一方面采取高效催化剂进行三聚反应，所采用的催化剂是分子中带有二烷胺基甲基和酚羟基的物质，有关资料表明该种类催化剂即使在高温下对于2,4-甲苯二异氰酸酯和2,6-甲苯二异氰酸酯也具有很好的选择性，催化效率较高；另一方面，在三聚反应过程中，由于空间位阻效应的存在，最后合成的TDI三聚体中主要会残留少量未参与反应的2,6-甲苯二异氰酸酯单体，本发明采用添加TDI-100的方法能够将体系游离TDI中的2,6-甲苯二异氰酸酯继续转化为三聚体，从而达到了降低游离TDI的目的。

同时，本发明在合成TDI三聚体中使用了部分TDI-65，这是因为一方面根据市场上三种甲苯二异氰酸酯价格比较：TDI-100的价格高于TDI-80，而TDI-80的价格又高于TDI-65，所以用TDI-65可以达到降低制备成本的目的；另一方面，在体系中引入TDI-65，适当的增加了2,6-甲苯二异氰酸酯单体含量，其甲基的两个邻位-NCO活性接近，可以弥补在用TDI-80合成三聚体的时候所添加的TDI-100带来的分子官能度降低导致涂膜干速变慢、打磨时间变长以及硬度下降的问题，从而使得最后得到的产品达到最佳性能。

与现有技术相比，本发明具有如下优点：

1．本发明采用化学合成法制备低游离TDI三聚体型聚氨酯固化剂，无需后续分离反应产物，简化了操作工艺，设备要求不高，大大降低了成本。

2．本发明用部分TDI-65取代比较常用的TDI-80，一方面由于TDI-65市场价格较TDI-80低，相比较而言节约了成本；另一方面在保证低游离的前提下，也可以提高漆膜性能，同时控制TDI-80、TDI-100和TDI-65的比例还可以做不同性能产品，实现产品多元化。

3．本发明所述方法制备的聚氨酯固化剂具有颜色浅、粘度低、漆膜干速快等特点。

具体实施方式

下面结合实施例对本发明作进一步详细的描述，但本发明的实施方式并不限于此。

下面实施例中，除非特别说明，百分比(%)均是质量百分数。游离单体含量按GB/T18446-2009测定，NCO的百分含量按照HG/T2409-1992测定，固含量按照GB/T2793-1995测定。

实例 1

在氮气保护下，将183g TDI-65、0.6g BHT、0.6g抗氧化剂1010放入装有温度计、搅拌桨的1000ml干燥四口圆底烧瓶中，在150r/min的搅拌速度下将物料搅拌均匀，然后升温至90℃，加入1.8g的DMP-30和300g乙酸丁酯进行保温反应，每小时测量体系-NCO百分含量。

当-NCO百分含量为10.1%时，一次性添加116g的TDI-100，继续在85℃下进行保温反应，每小时测量体系-NCO百分含量，当体系达到目标-NCO百分含量为7.8-8.2%时后加入0.8g的苯甲酰氯阻聚剂，保温反应1h，冷却出料得到甲苯二异氰酸酯三聚体固化剂。

上述制备方法得到的聚氨酯固化剂的物化性能数据如下：

水白透明液体，固含量50.14%，NCO值为8.05，粘度为1260mPa·s，游离甲苯二异氰酸酯含量为0.46%。

实例 2

在氮气保护下，将207gTDI-65、0.6gBHT、0.6g抗氧化剂1010放入装有温度计、搅拌桨的1000ml干燥四口圆底烧瓶中，在150r/min的搅拌速度下将物料搅拌均匀，然后升温使温度保持在90℃，加入2.1g的DMP-30和300g乙酸丁酯进行保温反应，每小时测量体系-NCO百分含量。

当-NCO百分含量为11.3%时，一次性添加93g的TDI-100，继续在90℃下进行保温反应，每小时测量体系-NCO百分含量，当体系达到目标-NCO百分含量为7.8-8.2%时后加入0.8g的苯甲酰氯阻聚剂，保温反应1h，冷却出料得到甲苯二异氰酸酯三聚体固化剂。

上述制备方法得到的聚氨酯固化剂的物化性能数据如下：

水白透明液体，固含量50.10%，NCO值为7.97，粘度为1470mPa·s，游离甲苯二异氰酸酯含量为0.44%。

实例 3

在氮气保护下，将247g TDI-65、0.6g BHT、0.6g抗氧化剂1010放入装有温度计、搅拌桨的1000ml干燥四口圆底烧瓶中，在150r/min的搅拌速度下将物料搅拌均匀，然后升温使温度保持在90℃，加入2.4g的DMP-30和300g乙酸丁酯进行保温反应，每小时测量体系-NCO百分含量。

当-NCO百分含量为12.5%时，一次性添加50g的TDI-100，继续在90℃下进行保温反应，每小时测量体系-NCO百分含量，当体系达到目标-NCO百分含量为7.8-8.2%时后加入0.8g的苯甲酰氯阻聚剂，保温反应1h，冷却出料得到甲苯二异氰酸酯三聚体固化剂。

上述制备方法得到的聚氨酯固化剂的物化性能数据如下：

水白透明液体，固含量50.12%，NCO值为8.01，粘度为1510mPa·s，游离甲苯0.45。

实例 4

在氮气保护下，将100g TDI-80、132g TDI-65的0.6g BHT、0.6g抗氧化剂1010放入装有温度计、搅拌桨的干燥四口圆底烧瓶中，在150r/min的搅拌速度下将物料搅拌均匀，然后升温使温度保持在85℃，加入2.0g的曼尼希碱2,2-二（3,5-二（（二甲基氨基）甲基-4-羟基苯基）丙烷和300g乙酸丁酯进行保温反应，每小时测量体系-NCO百分含量。

当-NCO百分含量为13.0%时，一次性添加66g的TDI-100，继续在90℃下进行保温反应，每小时测量体系-NCO百分含量，当体系达到目标-NCO百分含量为7.8-8.2%时后加入0.8g的苯甲酰氯阻聚剂，保温反应1h，冷却出料得到甲苯二异氰酸酯三聚体固化剂。

上述制备方法得到的聚氨酯固化剂的物化性能数据如下：

水白透明液体，固含量50.17%，NCO值为8.03，粘度为1320mPa·s，游离甲苯二异氰酸酯含量为0.42%。

实例 5

在氮气保护下，将190g TDI-80、55g TDI-65、0.6g BHT、0.6g抗氧化剂1010放入装有温度计、搅拌桨的干燥四口圆底烧瓶中，在150r/min的搅拌速度下将物料搅拌均匀，然后升温使温度保持在85℃，加入1.5g的曼尼希碱2,2-二（3,5-二（（二甲基氨基）甲基-4-羟基苯基）丙烷和300g乙酸丁酯进行保温反应，每小时测量体系-NCO百分含量。

当-NCO百分含量为12.4%时，一次性添加53g的TDI-100，继续在90℃下进行保温反应，每小时测量体系-NCO百分含量，当体系达到目标-NCO百分含量为7.8-8.2%时后加入0.8g的苯甲酰氯阻聚剂，保温反应1h，冷却出料得到甲苯二异氰酸酯三聚体固化剂。

上述制备方法得到的聚氨酯固化剂的物化性能数据如下：

水白透明液体，固含量50.13%，NCO值为8.05，粘度为1400mPa·s，游离甲苯二异氰酸酯含量为0.43%。

实例 6

在氮气保护下，将120g TDI-80、98g TDI-65、0.6g BHT、0.6g抗氧化剂1010放入装有温度计、搅拌桨的干燥四口圆底烧瓶中，在150r/min的搅拌速度下将物料搅拌均匀，然后升温使温度保持在85℃，加入1.7g的曼尼希碱2,2-二（3,5-二（（二甲基氨基）甲基-4-羟基苯基）丙烷和300g乙酸丁酯进行保温反应，每小时测量体系-NCO百分含量。

当-NCO百分含量为15.5%和10.3%时分别添加46g和34g的TDI-100，继续在90℃下进行保温反应，每小时测量体系-NCO百分含量，当体系达到目标-NCO百分含量为7.8-8.2%时后加入0.8g的苯甲酰氯阻聚剂，保温反应1h，冷却出料得到甲苯二异氰酸酯三聚体固化剂。

上述制备方法得到的聚氨酯固化剂的物化性能数据如下：

水白透明液体，固含量50.14%，NCO值为8.07，粘度为1530mPa·s，游离甲苯二异氰酸酯含量为0.41%。

Claims

1.一种无毒级亚光TDI三聚体固化剂的制备方法，其特征在于：包括如下步骤：

（1）在惰性气体保护下，先将甲苯二异氰酸酯单体、抗氧化剂放入装有温度计、搅拌桨的干燥四口烧瓶中，在140-160r/min的搅拌速度下将物料搅拌均匀，然后升温至40-100℃并保温，加入催化剂和极性溶剂，进行保温反应并每小时测量体系-NCO质量百分含量；

（2）当-NCO质量百分含量达到10.1-15.5%后，添加TDI-100继续保温反应，每小时测量体系-NCO质量百分含量，当体系-NCO质量百分含量达到7.8-8.2%后加入阻聚剂，保温反应0.5-1.5h，冷却出料得到甲苯二异氰酸酯三聚体固化剂，其中游离异氰酸酯单体含量低于0.5%。

2.根据权利要求1所述的无毒级亚光TDI三聚体固化剂的制备方法，其特征在于：步骤中（1）中所述甲苯二异氰酸酯单体为2,4-甲苯二异氰酸酯或者2,4-甲苯二异氰酸酯与2,6-甲苯二异氰酸酯混合物。

3.根据权利要求2所述的无毒级亚光TDI三聚体固化剂的制备方法，其特征在于：步骤中（1）中所述甲苯二异氰酸酯单体为TDI-80和TDI-65的混合物，其中TDI-65质量占混合物物料总质量的20-100%。

4.根据权利要求1所述的无毒级亚光TDI三聚体固化剂的制备方法，其特征在于：所述的极性溶剂为酯类溶剂或芳香烃类溶剂。

5.根据权利要求4所述的无毒级亚光TDI三聚体固化剂的制备方法，其特征在于：所述的极性溶剂为乙酸乙酯、乙酸丁酯、甲苯、二甲苯的一种或多种。

6.根据权利要求1所述的无毒级亚光TDI三聚体固化剂的制备方法，其特征在于：步骤（1）中所述抗氧化剂为2,6-对二叔丁基对甲酚（BHT）、亚磷酸钠、次亚磷酸钠、亚磷酸钠三苯酯、抗氧化剂1010的一种或多种。

7.根据权利要求1所述的无毒级亚光TDI三聚体固化剂的制备方法，其特征在于：所述的催化剂为乙酸锂、三乙烯二胺、曼尼希碱、DMP-30、三正丁基磷的一种或多种。

8.根据权利要求2所述的无毒级亚光TDI三聚体固化剂的制备方法，其特征在于：步骤（2）中所添加的TDI-100为分批加入或一次性加入，添加的2,4-甲苯二异氰酸酯的质量为步骤（1）中甲苯二异氰酸酯总质量的20-65%。

9.根据权利要求2所述的无毒级亚光TDI三聚体固化剂的制备方法，其特征在于：步骤（2）中所述的阻聚剂为磷酸、苯甲酰氯、对甲苯磺酸甲酯的一种或多种，阻聚剂一次性加入。

10.由权利要求1~9任一项所述制备方法制得的的无毒级亚光TDI三聚体固化剂，其特征在于，以重量份计，包括以下组分：

甲苯二异氰酸酯 50~51

极性溶剂 48~50

抗氧化剂 0.1~0.3

催化剂 0.1~0.5

阻聚剂 0.1~0.2；

无毒级亚光TDI三聚体固化剂中的游离异氰酸酯单体含量低于0.5%。