CN108017771A - 一种通过超重力反应器制备水性聚氨酯纳米乳液的方法 - Google Patents
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Abstract
本发明公开了一种通过超重力反应器制备水性聚氨酯纳米乳液的方法，本方法以多异氰酸酯和多元醇为原料进行预聚，扩链，并加入丙酮降低预聚体粘度后，将聚氨酯预聚体溶液与去离子水一起喷入超重力反应器，利用超重力反应器强化分子混合效应，在超重力环境下进行聚氨酯预聚体同步乳化和脱挥，从而制备水性聚氨酯乳液。以多异氰酸酯和多元醇为原料进行预聚，获得聚氨酯预聚体，加入丙酮降低体系粘度后，将聚氨酯预聚体溶液与去离子水一起喷入超重力反应器，在超重力环境下进行聚氨酯预聚体同步乳化和脱挥，从而制备水性聚氨酯乳液。本发明所得水性聚氨酯纳米乳液粒径更小且分布均匀，具有生产流程简单，产品固含量高，易于工业化的优点。
Description
技术领域
本发明属于化工、高分子材料交叉领域，涉及一种通过超重力反应器制备水性聚氨酯乳液的方法。
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，具有无污染、安全可靠、机械性能优良、相容性好、易于改性等优点。已逐步取代溶剂型，成为聚氨酯工业发展的重要方向。水性聚氨酯可广泛应用于涂料、胶粘剂、织物涂层与整理剂、皮革涂饰剂、纸张表面处理剂和纤维表面处理剂。水性聚氨酯预聚阶段主要原料为低聚物多元醇和多异氰酸酯。后续反应还有小分子扩链剂、成盐剂以及去离子水等。大多数水性聚氨酯的制备方法都釆用外乳化法和自乳化法。外乳化法又称强制乳化法是早期用来制备水性聚氨酯的主要方法，自乳化法是在在水中进行分散，制备的聚氨酯乳液稳定性好且操作简单。目前公开的通过自乳化制备水性聚氨酯的方法包括以下几种：(1)溶剂法；(2)预聚体法；(3)熔融分散法。最常用的方法是预聚体分散法和丙酮法。丙酮法属于溶液法，是以有机溶剂稀释或溶解聚氨酯(或预聚体)，再进行乳化的方法。在溶剂存在下，预聚体与亲水性扩链剂进行扩链反应，生成较高分子量的聚氨酯，反应过程可根据需要加人溶剂以降低聚氨酯溶液粘度，使之易于搅拌，然后加水进行分散，形成乳液，最后蒸去溶剂。溶剂以丙酮、甲乙酮居多，故称为丙酮法。丙酮法的缺点是整个工艺过程需消耗大量的溶剂,生产成本高,不利于工业化生产。预聚体分散法是通过制备预聚体以及引入亲水扩链剂，然后通过小分子扩链，在高速搅拌下分散于水中，当预聚体粘度过大时加入少量有机溶剂例如丙酮、N-甲基吡咯烷酮等降低粘度，然后加入多元胺水溶液进行扩链，生成高分子量的水性聚氨酯。此方法的缺点是预聚体的粘度比较难控制，普遍存在颗粒尺寸较大且粒径分布不均等缺点，还可能会导致预聚体在水中乳化分散困难。因此提出一种新的乳化方法来克服上述缺点非常重要。
超重力是指在比地球重力加速度(9.8m/s2)大得多的环境下，物质所受到的力。在超重力环境下分子扩散和相间传质过程比常规条件下快的多，巨大的剪切力将液体撕裂成微米至纳米级的膜、丝和液滴，
微观混合和传质过程得到极大的强化，分子的混合特征时间小于成核诱导时间，颗粒成核生长的过程在微观均匀的理想环境中进行，非常适合于制备粒径小分布窄的纳米颗粒。超重力技术可以通过超重力设备来实现，典型的超重力设备为旋转填充床。超重力技术的原理为：
利用超重力条件下多相流体的独特流动现象，强化不同或相同相间的相对速度及相互接触，从而实现高效率的质量传递过程、热量传递过程、动量传递过程和化学反应过程。实际过程中主要是通过转动设备的整体或部件形成离心力场从而获得超重力环境。由于超重力技术的工业化应用，精馏、吸收和解吸、和萃取等常规化工单元操作中两相相对速度大幅度提高。超重力技术可使相界面能更快速地更新，同时在很大程度上增加了液泛速率，生产强度能够成倍提高。简而言之，超重力技术是利用离心力场强化传递过程及微观混合过程的高效多相反应与分离技术。
超重力技术与传统利用离心力场进行密度差分离或多相分离有着本质的区别，超重力技术的核心在于通过离心力场(超重力场)的作用实现对传递过程和微观混合过程的极大强化。将超重力技术应用到水性聚氨酯乳液制备的优势如下：
(1)本发明首次使用超重力技术制备水性聚氨酯乳液。以往制备水性聚氨酯多采用丙酮法，丙酮用量大，处理困难且容易造成环境污染，由于聚合物通常都具有高黏性，聚合物脱挥操作过程中伴随发生的传热和传质影响了挥发份从聚合物中的脱除，使得脱挥过程极其复杂。本发明在采用预聚体法减少丙酮用量的同时，利用超重力反应器强化分子混合效应。在超重力作用下，高粘度聚合物流体变成极细的小液滴、液膜，增大比表面积且表面快速更新，从而促进挥发份的快速逸出。可以在乳化的同时同步脱挥，脱除聚氨酯乳液中的丙酮，简化工艺流程，实现了过程的高效节能，减少了污染排放，提高了产品质量。
(2)传递过程和微观混合得到极大强化，传质单元高度仅为1-3cm,相对于传统搅拌釜反应器制备过程所得水性聚氨酯纳米乳液粒径更小(50-200nm)、且分布均匀，具有生产流程简单，产品固含量高，易于工业化的优点。
(3)设备体积小、耗材量小、设备投资小,装置不怕振动和倾斜，可水平、垂直或任意方向安装，适用场所广泛,开、停车快捷容易，可在较短时间内达到稳定操作。
(4)转子内部的高剪切应力可方便处理聚氨酯预聚体类的高粘度物质，减少溶剂用量。
发明内容
本发明的目的在于针对现有技术的不足，利用超重力环境强化分子混合与传质的优势，提出了一种通过超重力反应器制备水性聚氨酯纳米乳液的方法。
一种通过超重力反应器制备水性聚氨酯纳米乳液的方法，本方法以多异氰酸酯和多元醇为原料进行预聚，扩链，并加入丙酮降低预聚体粘度后，将聚氨酯预聚体溶液与去离子水一起喷入超重力反应器，利用超重力反应器强化分子混合效应，在超重力环境下进行聚氨酯预聚体同步乳化和脱挥，从而制备水性聚氨酯乳液。
以多异氰酸酯和多元醇为原料进行预聚，获得聚氨酯预聚体，加入丙酮降低体系粘度后，将聚氨酯预聚体溶液与去离子水一起喷入超重力反应器，在超重力环境下进行聚氨酯预聚体同步乳化和脱挥，从而制备水性聚氨酯乳液，乳液中聚氨酯纳米颗粒尺寸为50～200nm，固含量为30～50％。
该方法的实现过程包括如下步骤：
步骤1将多异氰酸酯与多元醇混合于釜式反应器中加热预聚，并先后引入亲水基团、扩链剂，获得聚氨酯预聚体；
步骤2在所得预聚体溶液中加入丙酮降低体系粘度，并加入中和剂中和反应体系内过量的羧酸基团；
步骤3将聚氨酯预聚体溶液与去离子水一起喷入超重力反应器，在超重力环境下进行聚氨酯预聚体同步乳化和脱挥，从而制备水性聚氨酯乳液。
步骤1中的多异氰酸酯与多元醇摩尔比为2～4:1；其中，多异氰酸酯包括异佛尔酮二异氰酸酯、二苯基甲烷二异氰酸酯、甲苯二异氰酸酯；多元醇包括聚乙二醇、聚丙二醇、聚四氢呋喃醚二醇、蓖麻油。
步骤1中预聚反应温度为70～90℃，反应时间为1～3小时。
步骤1中加入亲水基团包括二羟甲基丙酸、二羟甲基丁酸；亲水基团与多异氰酸酯的摩尔比为0.1～0.25:1，反应温度为70～90℃，反应时间为2～4小时。
步骤1中加入扩链剂包括1,4-丁二醇和三羟甲基丙烷；扩链剂与多异氰酸酯的摩尔比为0～0.2:1，反应温度为70～85℃，反应时间为0.5～1.5小时。
步骤2中加入丙酮与聚氨酯预聚体的质量比为0.1～0.4:1。
步骤2中加入丙酮降低体系粘度的温度为20～50℃。
步骤2中中和剂包括三乙胺、氢氧化钠，中和剂与亲水基团的摩尔比为0.9～1.5:1。
步骤3中超重力反应器为外循环式旋转填充床或内循环式旋转填充床。
步骤3中去离子水与聚氨酯预聚体丙酮溶液打入外循环式超重力反应器的进料流量比例为1～4:1。
步骤3中超重力反应器转子转速为500～2500转/分钟，温度为10～30℃，循环时间为10-60分钟，所得水性聚氨酯纳米乳液的固含量为30～50％。
本发明相对于传统通过搅拌釜反应器制备过程所得水性聚氨酯纳米乳液粒径更小且分布均匀，具有生产流程简单，产品固含量高，易于工业化的优点。本发明制备的水性聚氨酯纳米乳液中聚氨酯纳米颗粒尺寸为50～200nm，固含量为30～50％。
附图说明
图1为实施例1产物的激光粒度仪测试粒径分布结果。
图2位实施例1的产物数码照片。
图3为实施例2产物的激光粒度仪测试粒径分布结果。
图4位实施例2的产物数码照片。
图5为实施例3产物的激光粒度仪测试粒径分布结果。
图6位实施例3的产物数码照片。
图7为本发明实施的流程图。
具体实施方式
下面结合具体实施方式，进一步阐述本发明。应理解，这些实施例仅用于说明本发明而不用于限制本发明的范围。此外应理解，在阅读了本发明讲授的内容之后，本领域技术人员可以对本发明作各种改动或修改，这些等价形式同样落于本申请所附权利要求书所限定的范围。
实施例1
分别称量14.45克异佛尔酮二异氰酸酯和24.7克聚丙二醇(摩尔比为2.63:1)加入四口烧瓶，在加热套中升温至90℃，然后反应2小时进行预聚；随后加入2.12克2,2-双羟甲基丙酸(双羟甲基丙酸与多异氰酸酯的摩尔比为0.24:1)，在85℃下继续反应2小时，引入亲水基团；继续降温至80℃后，加入0.84克三羟甲基丙烷(三羟甲基丙烷与多异氰酸酯的摩尔比为0.15:1)扩链1小时；然后降温至50℃，加入10毫升丙酮(丙酮与聚氨酯预聚体质量比为0.18:1)降低体系的粘度，并加入1.6克三乙胺(三乙胺与双羟甲基丙酸的摩尔比为1:1)反应0.5小时以中和体系内的羧酸基团；在室温下将获得的预聚体溶液与90克水一起通入外循环式旋转填充床，调节转速为1500转/分钟，设置水和聚氨酯预聚体的进料流量比为2:1，将预聚体全部通入外循环式旋转填充床后继续循环15分钟，得到水性聚氨酯乳液。
实施例2
分别称量14.45克异佛尔酮二异氰酸酯和24.7克聚丙二醇(摩尔比为2.63:1)加入四口烧瓶，在加热套中升温至90℃，然后反应2小时进行预聚；随后加入2.12克2,2-双羟甲基丙酸(双羟甲基丙酸与多异氰酸酯的摩尔比为0.24:1)，在85℃下继续反应2小时，引入亲水基团；继续降温至80℃后，加入0.84克三羟甲基丙烷(三羟甲基丙烷与多异氰酸酯的摩尔比为0.15:1)扩链1小时；然后降温至50℃，加入10毫升丙酮(丙酮与聚氨酯预聚体质量比为0.18:1)降低体系的粘度，并加入1.6克三乙胺(三乙胺与双羟甲基丙酸的摩尔比为1:1)以中和体系内的羧酸基团；在室温下将获得的预聚体溶液与90克水一起通入外循环式旋转填充床，调节转速为2000转/分钟，设置水和聚氨酯预聚体的进料流量比为2:1，将预聚体全部通入外循环式旋转填充床后继续循环15分钟，得到水性聚氨酯乳液。
实施例3
分别称量14.45克异佛尔酮二异氰酸酯和24.7克聚丙二醇(摩尔比为2.63:1)加入四口烧瓶，在加热套中升温至90℃，然后反应2小时进行预聚；随后加入2.12克2,2-双羟甲基丙酸(双羟甲基丙酸与多异氰酸酯的摩尔比为0.24:1)，在85℃下继续反应2小时，引入亲水基团；继续降温至80℃后，加入0.84克三羟甲基丙烷(三羟甲基丙烷与多异氰酸酯的摩尔比为0.15:1)扩链1小时；然后降温至50℃，加入10毫升丙酮(丙酮与聚氨酯预聚体质量比为0.18:1)降低体系的粘度，并加入1.6克三乙胺(三乙胺与双羟甲基丙酸的摩尔比为1:1)以中和体系内的羧酸基团；在室温下将获得的预聚体溶液与90克水一起通入外循环式旋转填充床，调节转速为2500转/分钟，设置水和聚氨酯预聚体的进料流量比为2:1，将预聚体全部通入外循环式旋转填充床后继续循环15分钟，得到水性聚氨酯乳液。
实施例4
分别称量14.45克异佛尔酮二异氰酸酯和24.7克聚丙二醇(摩尔比为2.63:1)加入四口烧瓶，在加热套中升温至90℃，然后反应2小时进行预聚；随后加入2.12克2,2-双羟甲基丙酸(双羟甲基丙酸与多异氰酸酯的摩尔比为0.24:1)，在85℃下继续反应2小时，引入亲水基团；继续降温至80℃后，加入0.84克三羟甲基丙烷(三羟甲基丙烷与多异氰酸酯的摩尔比为0.15:1)扩链0.5小时；然后降温至50℃，加入10毫升丙酮(丙酮与聚氨酯预聚体质量比为0.18:1)降低体系的粘度，并加入1.6克三乙胺(三乙胺与双羟甲基丙酸的摩尔比为1:1)以中和体系内的羧酸基团；在室温下将获得的预聚体溶液与80克水一起通入外循环式旋转填充床，调节转速为1000转/分钟，设置水和聚氨酯预聚体的进料流量比为3:1，将预聚体全部通入外循环式旋转填充床后继续循环30分钟，得到水性聚氨酯乳液。
实施例5
分别称量14.45克异佛尔酮二异氰酸酯和24.7克聚丙二醇(摩尔比为2.63:1)加入四口烧瓶，在加热套中升温至90℃，然后反应2小时进行预聚；随后加入2.12克2,2-双羟甲基丙酸(双羟甲基丙酸与多异氰酸酯的摩尔比为0.24:1)，在90℃下继续反应2小时，引入亲水基团；继续降温至85℃后，加入0.84克三羟甲基丙烷(三羟甲基丙烷与多异氰酸酯的摩尔比为0.15:1)扩链1.5小时；然后降温至50℃，加入10毫升丙酮(丙酮与聚氨酯预聚体质量比为0.18:1)降低体系的粘度，并加入1.6克三乙胺(三乙胺与双羟甲基丙酸的摩尔比为1:1)以中和体系内的羧酸基团；在室温下将获得的预聚体溶液与70克水一起通入外循环式旋转填充床，调节转速为500转/分钟，设置水和聚氨酯预聚体的进料流量比为4:1，将预聚体全部通入外循环式旋转填充床后继续循环60分钟，得到水性聚氨酯乳液。
实施例6
分别称量13.34克异佛尔酮二异氰酸酯和20克聚四氢呋喃醚二醇(摩尔比为3:1)加入四口烧瓶，在加热套中升温至85℃，然后反应2小时进行预聚；随后加入2.01克2,2-双羟甲基丙酸(双羟甲基丙酸与多异氰酸酯的摩尔比为0.25:1)，在80℃下继续反应3小时，引入亲水基团；继续降温至75℃后，加入0.536克三羟甲基丙烷(三羟甲基丙烷与多异氰酸酯的摩尔比为0.1:1)扩链1小时；然后降温至50℃，加入9毫升丙酮(丙酮与聚氨酯预聚体质量比为0.15:1)降低体系的粘度，并加入1.37克三乙胺(三乙胺与双羟甲基丙酸的摩尔比为0.9:1)以中和体系内的羧酸基团；在室温下将获得的预聚体溶液与80克水一起通入内循环式旋转填充床，调节转速为500转/分钟，设置水和聚氨酯预聚体的进料流量比为2:1，将预聚体全部通入内循环式旋转填充床后继续循环10分钟，得到水性聚氨酯乳液。
实施例7
分别称量13.34克异佛尔酮二异氰酸酯和30克聚四氢呋喃醚二醇(摩尔比为2:1)加入四口烧瓶，在加热套中升温至85℃，然后反应3小时进行预聚；随后加入2.12克2,2-双羟甲基丙酸(双羟甲基丙酸与多异氰酸酯的摩尔比为0.25:1)，在80℃下继续反应3小时，引入亲水基团；继续降温至80℃后，加入0.536克三羟甲基丙烷(三羟甲基丙烷与多异氰酸酯的摩尔比为0.1:1)扩链1.5小时；然后降温至50℃，加入9毫升丙酮(丙酮与聚氨酯预聚体质量比为0.15:1)降低体系的粘度，并加入1.37克三乙胺(三乙胺与双羟甲基丙酸的摩尔比为0.9:1)以中和体系内的羧酸基团；在室温下将获得的预聚体溶液与75克水一起通入内循环式旋转填充床，调节转速为1000转/分钟，设置水和聚氨酯预聚体的进料流量比为1:1，将预聚体全部通入内循环式旋转填充床后继续循环15分钟，得到水性聚氨酯乳液。
实施例8
分别称量17.78克异佛尔酮二异氰酸酯和30克聚四氢呋喃醚二醇(摩尔比为4:1)加入四口烧瓶，在加热套中升温至90℃，然后反应1小时进行预聚；随后加入2.144克2,2-双羟甲基丙酸(双羟甲基丙酸与多异氰酸酯的摩尔比为0.2:1)，在70℃下继续反应3小时，引入亲水基团；然后降温至50℃，加入10毫升丙酮(丙酮与聚氨酯预聚体质量比为0.19:1)降低体系的粘度，并加入1.94克三乙胺(三乙胺与双羟甲基丙酸的摩尔比为1.2:1)以中和体系内的羧酸基团；在室温下将获得的预聚体溶液与60克水一起通入内循环式旋转填充床，调节转速为1500转/分钟，设置水和聚氨酯预聚体的进料流量比为2:1，将预聚体全部通入内循环式旋转填充床后继续循环30分钟，得到水性聚氨酯乳液。
实施例9
分别称量10.01克二苯基甲烷二异氰酸酯和20克聚四氢呋喃醚二醇(摩尔比为2:1)加入四口烧瓶，在加热套中升温至90℃，然后反应3小时进行预聚；随后加入0.536克2,2-双羟甲基丙酸(双羟甲基丙酸与多异氰酸酯的摩尔比为0.1:1)，在80℃下继续反应2小时，引入亲水基团；继续降温至75℃后，加入0.715克三羟甲基丙烷(三羟甲基丙烷与多异氰酸酯的摩尔比为0.2:1)扩链1小时；然后降温至50℃，加入15毫升丙酮(丙酮与聚氨酯预聚体质量比为0.37:1)降低体系的粘度，并加入0.526克三乙胺(三乙胺与双羟甲基丙酸的摩尔比为1.3:1)以中和体系内的羧酸基团；在室温下将获得的预聚体溶液与60克水一起通入内循环式旋转填充床，调节转速为2000转/分钟，设置水和聚氨酯预聚体的进料流量比为3:1，将预聚体全部通入内循环式旋转填充床后继续循环45分钟，得到水性聚氨酯乳液。
实施例10
分别称量15.01克二苯基甲烷二异氰酸酯和20克聚四氢呋喃醚二醇(摩尔比为3:1)加入四口烧瓶，在加热套中升温至90℃，然后反应2小时进行预聚；随后加入1.61克2,2-双羟甲基丙酸(双羟甲基丙酸与多异氰酸酯的摩尔比为0.2:1)，在80℃下继续反应4小时，引入亲水基团；继续降温至80℃后，加入1.072克三羟甲基丙烷(三羟甲基丙烷与多异氰酸酯的摩尔比为0.2:1)扩链1.5小时；然后降温至45℃，加入20毫升丙酮(丙酮与聚氨酯预聚体质量比为0.4:1)降低体系的粘度，并加入1.82克三乙胺(三乙胺与双羟甲基丙酸的摩尔比为1.5:1)以中和体系内的羧酸基团；在室温下将获得的预聚体溶液与50克水一起通入内循环式旋转填充床，调节转速为2500转/分钟，设置水和聚氨酯预聚体的进料流量比为4:1，将预聚体全部通入内循环式旋转填充床后继续循环60分钟，得到水性聚氨酯乳液。
实施例11
分别称量15.01克二苯基甲烷二异氰酸酯和15克聚乙二醇(摩尔比为4:1)加入四口烧瓶，在加热套中升温至70℃，然后反应3小时进行预聚；随后加入0.89克2,2-双羟甲基丁酸(双羟甲基丁酸与多异氰酸酯的摩尔比为0.1:1)，在70℃下继续反应4小时，引入亲水基团；然后降温至30℃，加入6毫升丙酮(丙酮与聚氨酯预聚体质量比为0.15:1)降低体系的粘度，并加入0.22克氢氧化钠(氢氧化钠与双羟甲基丁酸的摩尔比为0.9:1)以中和体系内的羧酸基团；在室温下将获得的预聚体溶液与100克水一起通入内循环式旋转填充床，调节转速为500转/分钟，设置水和聚氨酯预聚体的进料流量比为1:1，将预聚体全部通入外循环式旋转填充床后继续循环10分钟，得到水性聚氨酯乳液。
实施例12
分别称量15.01克二苯基甲烷二异氰酸酯和20克聚乙二醇(摩尔比为3:1)加入四口烧瓶，在加热套中升温至80℃，然后反应2小时进行预聚；随后加入1.33克2,2-双羟甲基丁酸(双羟甲基丁酸与多异氰酸酯的摩尔比为0.15:1)，在80℃下继续反应3小时，引入亲水基团；降温至70℃后，加入0.54克1,4丁二醇(1,4丁二醇与多异氰酸酯的摩尔比为0.1:1)扩链1.5小时；然后降温至40℃，加入10毫升丙酮(丙酮与聚氨酯预聚体质量比为0.21:1)降低体系的粘度，并加入0.36克氢氧化钠(氢氧化钠与双羟甲基丁酸的摩尔比为1:1)以中和体系内的羧酸基团；在室温下将获得的预聚体溶液与90克水一起通入内循环式旋转填充床，调节转速为1000转/分钟，设置水和聚氨酯预聚体的进料流量比为2:1，将预聚体全部通入外循环式旋转填充床后继续循环15分钟，得到水性聚氨酯乳液。
实施例13
分别称量15.01克二苯基甲烷二异氰酸酯和30克聚乙二醇(摩尔比为2:1)加入四口烧瓶，在加热套中升温至90℃，然后反应1小时进行预聚；随后加入1.78克2,2-双羟甲基丁酸(双羟甲基丁酸与多异氰酸酯的摩尔比为0.2:1)，在85℃下继续反应2小时，引入亲水基团；降温至75℃后，加入0.81克1,4丁二醇(1,4丁二醇与多异氰酸酯的摩尔比为0.15:1)扩链1小时；然后降温至40℃，加入15毫升丙酮(丙酮与聚氨酯预聚体质量比为0.25:1)降低体系的粘度，并加入0.53克氢氧化钠(氢氧化钠与双羟甲基丁酸的摩尔比为1.1:1)以中和体系内的羧酸基团；在室温下将获得的预聚体溶液与80克水一起通入内循环式旋转填充床，调节转速为1500转/分钟，设置水和聚氨酯预聚体的进料流量比为3:1，将预聚体全部通入外循环式旋转填充床后继续循环30分钟，得到水性聚氨酯乳液。
实施例14
分别称量13.06克甲苯二异氰酸酯和30克聚乙二醇(摩尔比为2.5:1)加入四口烧瓶，在加热套中升温至90℃，然后反应1小时进行预聚；随后加入1.67克2,2-双羟甲基丁酸(双羟甲基丁酸与多异氰酸酯的摩尔比为0.15:1)，在90℃下继续反应2小时，引入亲水基团；降温至80℃后，加入1.02克1,4丁二醇(1,4丁二醇与多异氰酸酯的摩尔比为0.2:1)扩链1.5小时；然后降温至50℃，加入20毫升丙酮(丙酮与聚氨酯预聚体质量比为0.35:1)降低体系的粘度，并加入0.54克氢氧化钠(氢氧化钠与双羟甲基丁酸的摩尔比为1.2:1)以中和体系内的羧酸基团；在室温下将获得的预聚体溶液与70克水一起通入内循环式旋转填充床，调节转速为2000转/分钟，设置水和聚氨酯预聚体的进料流量比为4:1，将预聚体全部通入外循环式旋转填充床后继续循环45分钟，得到水性聚氨酯乳液。
实施例15
分别称量12.19克甲苯二异氰酸酯和20克聚乙二醇(摩尔比为3.5:1)加入四口烧瓶，在加热套中升温至90℃，然后反应2小时进行预聚；随后加入2.07克2,2-双羟甲基丁酸(双羟甲基丁酸与多异氰酸酯的摩尔比为0.2:1)，在90℃下继续反应3小时，引入亲水基团；降温至85℃后，加入0.95克1,4丁二醇(1,4丁二醇与多异氰酸酯的摩尔比为0.15:1)扩链1.5小时；然后降温至35℃，加入10毫升丙酮(丙酮与聚氨酯预聚体质量比为0.22:1)降低体系的粘度，并加入0.73克氢氧化钠(氢氧化钠与双羟甲基丁酸的摩尔比为1.3:1)以中和体系内的羧酸基团；在室温下将获得的预聚体溶液与60克水一起通入内循环式旋转填充床，调节转速为2500转/分钟，设置水和聚氨酯预聚体的进料流量比为1:1，将预聚体全部通入外循环式旋转填充床后继续循环60分钟，得到水性聚氨酯乳液。
实施例16
分别称量10.45克甲苯二异氰酸酯和20克聚丙二醇(摩尔比为3:1)加入四口烧瓶，在加热套中升温至85℃，然后反应3小时进行预聚；随后加入2.22克2,2-双羟甲基丁酸(双羟甲基丁酸与多异氰酸酯的摩尔比为0.25:1)，在90℃下继续反应4小时，引入亲水基团；降温至80℃后，加入0.81克1,4丁二醇(1,4丁二醇与多异氰酸酯的摩尔比为0.15:1)扩链1小时；然后降温至40℃，加入8毫升丙酮(丙酮与聚氨酯预聚体质量比为0.19:1)降低体系的粘度，并加入0.84克氢氧化钠(氢氧化钠与双羟甲基丁酸的摩尔比为1.4:1)以中和体系内的羧酸基团；在室温下将获得的预聚体溶液与50克水一起通入内循环式旋转填充床，调节转速为500转/分钟，设置水和聚氨酯预聚体的进料流量比为1:1，将预聚体全部通入内循环式旋转填充床后继续循环60分钟，得到水性聚氨酯乳液。
实施例17
分别称量8.71克甲苯二异氰酸酯和25克聚四氢呋喃醚二醇(摩尔比为2:1)加入四口烧瓶，在加热套中升温至90℃，然后反应2小时进行预聚；随后加入1.48克2,2-双羟甲基丁酸(双羟甲基丁酸与多异氰酸酯的摩尔比为0.2:1)，在85℃下继续反应3小时，引入亲水基团；降温至80℃后，加入0.45克1,4丁二醇(1,4丁二醇与多异氰酸酯的摩尔比为0.1:1)扩链1小时；然后降温至45℃，加入10毫升丙酮(丙酮与聚氨酯预聚体质量比为0.22:1)降低体系的粘度，并加入0.60克氢氧化钠(氢氧化钠与双羟甲基丁酸的摩尔比为1.5:1)以中和体系内的羧酸基团；在室温下将获得的预聚体溶液与60克水一起通入内循环式旋转填充床，调节转速为1000转/分钟，设置水和聚氨酯预聚体的进料流量比为2:1，将预聚体全部通入内循环式旋转填充床后继续循环45分钟，得到水性聚氨酯乳液。
实施例18
分别称量8.71克甲苯二异氰酸酯和23.23克蓖麻油(摩尔比为2.5:1)加入四口烧瓶，在加热套中升温至85℃，然后反应2小时进行预聚；随后加入1.11克2,2-双羟甲基丁酸(双羟甲基丁酸与多异氰酸酯的摩尔比为0.15:1)，在85℃下继续反应2小时，引入亲水基团；降温至80℃后，加入0.45克1,4丁二醇(1,4丁二醇与多异氰酸酯的摩尔比为0.1:1)扩链1小时；然后降温至50℃，加入10毫升丙酮(丙酮与聚氨酯预聚体质量比为0.27:1)降低体系的粘度，并加入0.76克三乙胺(三乙胺与双羟甲基丁酸的摩尔比为1:1)以中和体系内的羧酸基团；在室温下将获得的预聚体溶液与80克水一起通入内循环式旋转填充床，调节转速为1500转/分钟，设置水和聚氨酯预聚体的进料流量比为3:1，将预聚体全部通入内循环式旋转填充床后继续循环50分钟，得到水性聚氨酯乳液。
实施例19
分别称量11.12克异佛尔酮二异氰酸酯和23.23克蓖麻油(摩尔比为2:1)加入四口烧瓶，在加热套中升温至90℃，然后反应2小时进行预聚；随后加入1.34克2,2-双羟甲基丙酸(双羟甲基丙酸与多异氰酸酯的摩尔比为0.2:1)，在85℃下继续反应2小时，引入亲水基团；降温至80℃后，加入0.67克三羟甲基丙烷(三羟甲基丙烷与多异氰酸的摩尔比为0.15:1)扩链1小时；然后降温至50℃，加入10毫升丙酮(丙酮与聚氨酯预聚体质量比为0.27:1)降低体系的粘度，并加入1.11克三乙胺(三乙胺与双羟甲基丁酸的摩尔比为1.1:1)以中和体系内的羧酸基团；在室温下将获得的预聚体溶液与70克水一起通入内循环式旋转填充床，调节转速为2000转/分钟，设置水和聚氨酯预聚体的进料流量比为2:1，将预聚体全部通入内循环式旋转填充床后继续循环50分钟，得到水性聚氨酯乳液。
实施例20
分别称量13.89克异佛尔酮二异氰酸酯和23.23克蓖麻油(摩尔比为2.5:1)加入四口烧瓶，在加热套中升温至90℃，然后反应3小时进行预聚；随后加入1.68克2,2-双羟甲基丙酸(双羟甲基丙酸与多异氰酸酯的摩尔比为0.2:1)，在85℃下继续反应3小时，引入亲水基团；降温至80℃后，加入1.12克三羟甲基丙烷(三羟甲基丙烷与多异氰酸的摩尔比为0.2:1)扩链1小时；然后降温至50℃，加入10毫升丙酮(丙酮与聚氨酯预聚体质量比为0.27:1)降低体系的粘度，并加入1.52克三乙胺(三乙胺与双羟甲基丁酸的摩尔比为1.2:1)以中和体系内的羧酸基团；在室温下将获得的预聚体溶液与60克水一起通入内循环式旋转填充床，调节转速为2500转/分钟，设置水和聚氨酯预聚体的进料流量比为3:1，将预聚体全部通入内循环式旋转填充床后继续循环60分钟，得到水性聚氨酯乳液。
以下对本发明内容作进一步说明。
图1表明基于实施例1制备得到的产物的颗粒尺寸约105.1nm。
图2表明基于实施例2制备得到的产物的颗粒尺寸约94.67nm。
图3表明基于实施例3制备得到的产物的颗粒尺寸约97.82nm。
Claims (10)
1.一种通过超重力反应器制备水性聚氨酯纳米乳液的方法，其特征在于：本方法以多异氰酸酯和多元醇为原料进行预聚，扩链，并加入丙酮降低预聚体粘度后，将聚氨酯预聚体溶液与去离子水一起喷入超重力反应器，利用超重力反应器强化分子混合效应，在超重力环境下进行聚氨酯预聚体同步乳化和脱挥，从而制备水性聚氨酯乳液；
以多异氰酸酯和多元醇为原料进行预聚，获得聚氨酯预聚体，加入丙酮降低体系粘度后，将聚氨酯预聚体溶液与去离子水一起喷入超重力反应器，在超重力环境下进行聚氨酯预聚体同步乳化和脱挥，从而制备水性聚氨酯乳液，乳液中聚氨酯纳米颗粒尺寸为50～200nm，固含量为30～50％；
该方法的实现过程包括如下步骤：
步骤1将多异氰酸酯与多元醇混合于釜式反应器中加热预聚，并先后引入亲水基团、扩链剂，获得聚氨酯预聚体；
步骤2在所得预聚体溶液中加入丙酮降低体系粘度，并加入中和剂中和反应体系内过量的羧酸基团；
步骤3将聚氨酯预聚体溶液与去离子水一起喷入超重力反应器，在超重力环境下进行聚氨酯预聚体同步乳化和脱挥，从而制备水性聚氨酯乳液。
2.根据权利要求1所述的一种通过超重力反应器制备水性聚氨酯纳米乳液的方法，其特征在于：步骤1中的多异氰酸酯与多元醇摩尔比为2～4:1；其中，多异氰酸酯包括异佛尔酮二异氰酸酯、二苯基甲烷二异氰酸酯、甲苯二异氰酸酯；多元醇包括聚乙二醇、聚丙二醇、聚四氢呋喃醚二醇、蓖麻油。
3.根据权利要求1所述的一种通过超重力反应器制备水性聚氨酯纳米乳液的方法，其特征在于：步骤1中预聚反应温度为70～90℃，反应时间为1～3小时。
4.根据权利要求1所述的一种通过超重力反应器制备水性聚氨酯纳米乳液的方法，其特征在于：步骤1中加入亲水基团包括二羟甲基丙酸、二羟甲基丁酸；亲水基团与多异氰酸酯的摩尔比为0.1～0.25:1，反应温度为70～90℃，反应时间为2～4小时。
5.根据权利要求1所述的一种通过超重力反应器制备水性聚氨酯纳米乳液的方法，其特征在于：步骤1中加入扩链剂包括1,4-丁二醇和三羟甲基丙烷；扩链剂与多异氰酸酯的摩尔比为0～0.2:1，反应温度为70～85℃，反应时间为0.5～1.5小时。
6.根据权利要求1所述的一种通过超重力反应器制备水性聚氨酯纳米乳液的方法，其特征在于：步骤2中加入丙酮与聚氨酯预聚体的质量比为0.1～0.4:1。
7.根据权利要求1所述的一种通过超重力反应器制备水性聚氨酯纳米乳液的方法，其特征在于：步骤2中加入丙酮降低体系粘度的温度为20～50℃。
8.根据权利要求1所述的一种通过超重力反应器制备水性聚氨酯纳米乳液的方法，其特征在于：步骤2中中和剂包括三乙胺、氢氧化钠，中和剂与亲水基团的摩尔比为0.9～1.5:1。
9.根据权利要求1所述的一种通过超重力反应器制备水性聚氨酯纳米乳液的方法，其特征在于：步骤3中超重力反应器为外循环式旋转填充床或内循环式旋转填充床。
10.根据权利要求1所述的一种通过超重力反应器制备水性聚氨酯纳米乳液的方法，其特征在于：步骤3中去离子水与聚氨酯预聚体丙酮溶液打入外循环式超重力反应器的进料流量比例为1～4:1；
步骤3中超重力反应器转子转速为500～2500转/分钟，温度为10～30℃，循环时间为10-60分钟，所得水性聚氨酯纳米乳液的固含量为30～50％。
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