CN108276553A - 一种室温固化聚氨酯材料及其制备方法与应用 - Google Patents

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Abstract

一种室温固化聚氨酯材料及其制备方法与应用，属于高分子材料技术领域。解决了如何提供一种绿色环保、可室温固化、流动性好、寿命长、强度高、耐湿热、操作工艺简单、固化时间可调控、与金属粘接性强的聚氨酯材料的问题。本发明的制备方法，先将预先脱水的多元醇与异氰酸酯混合，反应，得到NCO封端的聚氨酯预聚体，即A组分；然后将多元醇与小分子扩链剂共混脱水，加入催化剂，搅拌均匀，得到B组分；最后按照扩链系数为0.95称取A组分和B组分，密封分装，得到聚氨酯材料。该材料绿色环保、储存期长，易于均匀混合，流动性好，与金属粘粘结性好，可室温固化，固化时间灵活可调控，固化后强度高，耐湿热好，适用于金属管道浇注成型。

Description

一种室温固化聚氨酯材料及其制备方法与应用
技术领域
本发明属于高分子材料技术领域，具体涉及一种室温固化聚氨酯材料及其制备方法与应用。
背景技术
随着节能环保意识的普及，越来越多的聚氨酯材料无论从原料的选择与制备生产过程都在朝着绿色节能的方向发展，相比于高耗能的热固化方式，室温固化逐渐成为聚氨酯材料的优选工艺。一般情况下，室温固化的聚氨酯材料强度要低于高温固化的材料，因此为增加材料的强度，往往会添加各式各样的补强剂，专利CN106632973A所公开的室温固化型聚氨酯需要在A组分中添加炭黑、硅粉、硫酸盐类来增强材料的强度，但填料研磨时间长，并且需要升温分散，这些都不利于生产操作。在室温固化成型中，催化剂的种类对聚氨酯材料性能的影响很大，选择合适的催化剂可以加快固化的速率，提高固化强度。专利CN101613453A所公开的室温固化型聚氨酯材料，其催化剂为有机锡类，毒性大、不环保，并且催化剂不能与原料混装，不方便存储与施工；专利CN101633719A所公开的室温固化型聚氨酯材料使用了大量的机铋类催化剂，毒性较大、成本高。
在管道浇注的工艺中，很多管道可达几米甚至几十米，这就要求原料在搅拌混合之后，浇注的操作空间要充裕，在一定时间内要保持很好的流动性。专利CN101544740A所公开的室温固化型聚氨酯材料，强度较好，但A组分粘度大，流动性低，不利于工艺操作，需加入大量的增塑剂以改善流动性。聚氨酯材料在与钢材器件配合使用时，良好的粘接性是使用的关键，专利CN101544740A公开的室温固化型聚氨酯与金属的粘接强度较低，只有2MPa。
综上，现有技术中的聚氨酯材料虽种类较多，但却没有一种绿色环保，可室温固化、流动性好、强度高、操作工艺简单且粘接性强的聚氨酯材料，因此亟需一种综合性能良好的聚氨酯材料。
发明内容
本发明解决的技术问题是如何提供一种绿色环保、可室温固化、流动性好、寿命长、强度高、耐湿热、操作工艺简单、固化时间灵活可调控、与金属粘接性强的室温固化聚氨酯材料及其制备方法与应用。
本发明解决上述技术问题采取的技术方案如下。
室温固化聚氨酯材料的制备方法，步骤如下：
步骤一、将预先脱水的多元醇与异氰酸酯按质量比1:(0.5-4)混合，反应，得到NCO封端的聚氨酯预聚体，即A组分；
所述异氰酸酯为芳香族二异氰酸酯，多元醇为聚烯烃多元醇或聚醚多元醇中的一种或两种，数均分子量为200-3000；
步骤二、将多元醇与小分子扩链剂按质量比1:(0.05-0.2)共混脱水，然后加入催化剂，搅拌均匀，得到B组分；
所述多元醇为聚烯烃多元醇或聚醚多元醇中的一种或两种，数均分子量为200-3000，催化剂为三亚乙基二胺、N,N二甲基苄胺、五甲基二亚乙基三胺、三甲基羟乙基丙二胺中的一种或两种，催化剂的质量为多元醇与小分子扩链剂总质量的0.03-0.35％；
步骤三、按照扩链系数为0.95称取A组分和B组分，密封分装，得到室温固化聚氨酯材料；
或者，按照扩链系数为0.95称取A组分和B组分，将A组分和B组分混合，搅拌均匀，抽真空后，倒入模具中室温固化成型，得到室温固化聚氨酯材料。
优选的是，步骤一中和步骤二中，脱水的过程为：将待脱水物升温至110-130℃，在真空度为20-400Pa的条件下抽真空1-3h，然后降温至60-80℃。
优选的是，步骤一中，反应温度为60-80℃，反应时间为1-3h。
优选的是，所述芳香族二异氰酸酯为甲苯二异氰酸酯(TDI)、二苯基甲烷二异氰酸酯(MDI)、1,5-萘二异氰酸酯(NDI)中的一种或两种。
优选的是，所述聚烯烃多元醇为聚丁二烯多元醇，聚醚多元醇为聚丙二醇或聚四亚甲基醚二醇。
优选的是，步骤二中，所述小分子扩链剂为乙二醇、1,4-丁二醇(BDO)、2-乙基-1,3-己二醇、1,2-丙二醇、3,5-二甲硫基甲苯二胺、3,3′-二氯-4,4′二氨基二苯甲胺中的一种或两种。
优选的是，步骤三中，所述抽真空后，真空度为20-400Pa，抽真空时间为1min。
优选的事，步骤三中，所述固化时间为3-15天。
本发明还提供上述室温固化聚氨酯材料的制备方法制备的室温固化聚氨酯材料。
本发明还提供上述室温固化聚氨酯材料在金属管道浇注成型中的应用。
与现有技术相比，本发明的有益效果：
本发明的室温固化聚氨酯材料不含各种助剂，不含金属类催化剂，储存期长，易于均匀混合，流动性好，粘结性好，可室温固化，固化时间灵活可调控，经实验检测，粘结强度为5.3MPa-6.4MPa。
本发明的室温固化聚氨酯材料固化后强度高，耐湿热好，经实验检测，拉伸强度为11.0MPa-16.5MPa，断裂伸长率为420％-680％，撕裂强度为43KN/m-57KN/m，85℃下水中后浸泡7天，拉伸强度的增长率为28.5％-41.6％。
具体实施方式
为了进一步了解本发明，下面结合具体实施方式对本发明的优选实施方案进行描述，但是应当理解，这些描述只是为进一步说明本发明的特征和优点而不是对本发明专利要求的限制。
室温固化聚氨酯材料的制备方法，步骤如下：
步骤一、将预先脱水的多元醇与异氰酸酯按质量比1:(0.5-4)混合，60-80℃，搅拌反应1-3h，搅拌转速为200-1200rpm/min，得到NCO封端的聚氨酯预聚体，即A组分，反应完成后滴定其NCO值，优选NCO值范围为12-23％；
步骤二、将多元醇与小分子扩链剂按质量比1:(0.05-0.2)共混脱水，然后加入催化剂，搅拌均匀，得到B组分；
步骤三、按照扩链系数为0.95称取A组分和B组分，密封分装，得到室温固化聚氨酯材料；
也可以进一步的，将按照扩链系数为0.95称量好的A组分和B组分混合，搅拌均匀，抽真空后，倒入模具中室温固化成型，得到室温固化聚氨酯材料；
具体根据需要使用的室温固化聚氨酯材料的状态确定。
本发明的室温固化聚氨酯材料的制备方法，异氰酸酯为芳香族二异氰酸酯，如TDI、MDI、NDI等，可以为一种或两种，优选MDI；步骤一和步骤二中的多元醇相同或不同，为聚烯烃多元醇或聚醚多元醇中的一种或两种，数均分子量为200-3000，聚烯烃多元醇为聚丁二烯，如HTPB-1000、HTPB-2000、HTPB-3000，聚醚多元醇为聚丙二醇或聚四亚甲基醚二醇，如PPG-400、PPG-1000、PPG-2000、PTMEG-250、PTMEG-650、PTMEG-1000、PTMEG-2000，优选多元醇为HTPB-1000、PTMEG-650、PTMEG-1000、PPG-400或PPG-1000；催化剂为三亚乙基二胺、N,N二甲基苄胺、五甲基二亚乙基三胺、三甲基羟乙基丙二胺中的一种或两种，催化剂的质量为多元醇与小分子扩链剂总质量的0.03-0.35％；小分子扩链剂可以选择乙二醇、2-乙基-1,3-己二醇、1,4-丁二醇、1,2-丙二醇、3,5-二甲硫基甲苯二胺、3,3′-二氯-4,4′二氨基二苯甲胺中的一种或两种，优选1,4-丁二醇、1,2-丙二醇或2-乙基-1,3-己二醇。上述物质皆可通过本领域技术人员熟知方式获得。
本发明的室温固化聚氨酯材料的制备方法，步骤一和步骤二中，脱水的过程为：将待脱水物升温110-130℃，200-400rpm/min搅拌下在真空度为20-400Pa的条件下抽真空1-3h，然后降温至60-80℃。
本发明的室温固化聚氨酯材料的制备方法，步骤三中，为保证称取物的均匀性，可在称取前将A组分和B组分分别摇晃1min；搅拌在高速搅拌机下搅拌，转速为200-1200rpm/min，搅拌时间为20-200s，优选400-700rpm/min，搅拌40-60s；抽真空后的真空度为20-400Pa，抽真空时间为1min；固化时间为3-15天。
上述室温固化聚氨酯材料在金属管道浇注成型中的应用，应用方式没有特殊限制，和现有聚氨酯材料在金属管道浇注成型中的应用方式相同。
以下结合实施例进一步说明本发明。
实施例1
步骤一、在1L的三口烧瓶中加入200g的PTMEG-1000，将烧瓶置于120℃的油浴锅内，三口分别配制温度计、搅拌桨、双排管。确保气密性后，在200rpm/min搅拌下抽真空，2h后确保瓶内压力稳定在400pa以下，然后降温至70℃，加入400g的MDI，400rpm/min搅拌2h，冷却后，得到A组分，取样滴定NCO含量值为19.60％，倒出并密封保存。
步骤二、在1L的单口烧瓶中加入500g的PPG-1000和28.0g的BDO，将烧瓶置于120℃的油浴锅内，在400rpm/min搅拌下抽真空，2h后确保瓶内压力稳定在400pa以下，冷却到室温后，加入0.35gN,N二甲基苄胺，搅拌2min，得到B组分，倒出并密封保存。
步骤三、摇晃密封保存的A组分和B组分，分别称取50g的A组分、82g的B组分，分装，密封保存，得到室温固化聚氨酯材料。
步骤四、将B组分倒入A组分中，以400rpm/min的速度搅拌1min，然后放入真空度为300Pa的条件下抽真空1min，取出倒入相应的模具中，25℃固化5天。
实施例2
步骤一、在1L的三口烧瓶中加入240g的PTMEG-1000，将烧瓶置于120℃的油浴锅内，三口分别配制温度计、搅拌桨、双排管。确保气密性后，在200rpm/min搅拌下抽真空，2h后确保瓶内压力稳定在400pa以下，然后降温至70℃，加入321g的MDI，400rpm/min搅拌2h，冷却后，得到A组分，取样分析NCO含量值为15.63％，倒出并密封保存。
步骤二、在1L的单口烧瓶中加入400g的PTMEG-650和71.5g的BDO，将烧瓶置于120℃的油浴锅内，在400rpm/min搅拌下抽真空，2h后确保瓶内压力稳定在400pa以下，冷却到室温后，加入0.37gN,N二甲基苄胺，搅拌2min，得到B组分，倒出并密封保存。
步骤三、摇晃密封保存的A组分和B组分，分别称取50g的A组分、29.6g的B组分，分装，密封保存，得到室温固化聚氨酯材料。
步骤四、将B组分倒入A组分中，以600rpm/min的速度搅拌1min，然后放入真空度为300Pa的条件下抽真空1min，取出倒入相应的模具中，25℃固化5天。
实施例3
步骤一、在1L的三口烧瓶中加入130g的PTMEG-650，将烧瓶置于120℃的油浴锅内，三口分别配制温度计、搅拌桨、双排管。确保气密性后，在200rpm/min搅拌下抽真空，2h后确保瓶内压力稳定在400pa以下，然后降温至70℃，加入350g的MDI，400rpm/min搅拌2h，冷却后，得到A组分，取样分析NCO含量值为21.0％，倒出并密封保存。
步骤二、在1L的单口烧瓶中加入200g的PTMEG-650、307g的PPG-1000和69.3g的BDO，将烧瓶置于120℃的油浴锅内，在400rpm/min搅拌下抽真空，2h后确保瓶内压力稳定在400pa以下，冷却到室温后，加入0.45gN,N二甲基苄胺，搅拌2min，得到B组分，倒出并密封保存。
步骤三、摇晃密封保存的A组分和B组分，分别称取50g的A组分、68.8g的B组分，分装，密封保存，得到室温固化聚氨酯材料。
步骤四、将B组分倒入A组分中，以400rpm/min的速度搅拌1min，然后放入真空度为300Pa的条件下抽真空1min，取出倒入相应的模具中，25℃固化5天。
实施例4
步骤一、在1L的三口烧瓶中加入180g的PTMEG-650，将烧瓶置于120℃的油浴锅内，三口分别配制温度计、搅拌桨、双排管。确保气密性后，在200rpm/min搅拌下抽真空，2h后确保瓶内压力稳定在400pa以下，然后降温至70℃，加入415.4g的MDI，400rpm/min搅拌2h，冷却后，得到A组分，取样分析NCO含量值为19.53％，倒出并密封保存。
步骤二、在1L的单口烧瓶中加入200g的PTMEG-1000、200g的PPG-1000和28g的BDO，将烧瓶置于120℃的油浴锅内，在400rpm/min搅拌下抽真空，2h后确保瓶内压力稳定在400pa以下，冷却到室温后，加入0.15g N,N二甲基苄胺，搅拌2min，得到B组分，倒出并密封保存。
步骤三、摇晃密封保存的A组分和B组分，分别称取50gA的组分、29.6g的B组分，分装，密封保存，得到室温固化聚氨酯材料。
步骤四、将B组分倒入A组分中，以400rpm/min的速度搅拌1min，然后放入真空度为300Pa的条件下抽真空1min，取出倒入相应的模具中，25℃固化5天。
实施例5
步骤一、在1L的三口烧瓶中加入200g的HTPB-1000和80g的PPG-400，将烧瓶置于110℃的油浴锅内，三口分别配制温度计、搅拌桨、双排管。确保气密性后，在200rpm/min搅拌下抽真空，3h后确保瓶内压力稳定在400pa以下，然后降温至60℃，加入261g的TDI，200rpm/min搅拌3h，冷却后，得到A组分，取样分析NCO含量值为17.07％，倒出并密封保存。
步骤二、在1L的单口烧瓶中加入400g的HTPB-2000和30.4g的1,2-丙二醇，将烧瓶置于130℃的油浴锅内，在400rpm/min搅拌下抽真空，2h后确保瓶内压力稳定在100pa以下，冷却到室温后，加入0.03g三亚乙基二胺，搅拌2min，得到B组分，倒出并密封保存。
步骤三、摇晃密封保存的A组分和B组分，分别称取50g的A组分和69.6g的B组分，分装，密封保存，得到室温固化聚氨酯材料。
步骤四、将B组分倒入A组分中，以200rpm/min的速度搅拌200s，然后放入真空度为500Pa的条件下抽真空1min，取出倒入相应的模具中，25℃固化5天。
实施例6
步骤一、在1L的三口烧瓶中加入200g的PPG-2000和25gPTMEG-250，将烧瓶置于120℃的油浴锅内，三口分别配制温度计、搅拌桨、双排管。确保气密性后，在200rpm/min搅拌下抽真空，1h后确保瓶内压力稳定在20pa以下，然后降温至80℃，加入174g的TDI，1200rpm/min搅拌1h，冷却后，得到A组分，取样分析NCO含量值16.84％，倒出并密封保存。
步骤二、在1L的单口烧瓶中加入400g的PTMEG-2000和58.4g的2-乙基-1,3-己二醇，将烧瓶置于110℃的油浴锅内，在300rpm/min搅拌下抽真空，3h后确保瓶内压力稳定在200pa以下，冷却到室温后，加入0.45g五甲基二亚乙基三胺，搅拌2min，得到B组分，倒出并密封保存。
步骤三、摇晃密封保存的A组分和B组分，分别称取50g的A组分、17.2g的B组分，分装，密封保存，得到室温固化聚氨酯材料。
步骤四、将B组分倒入A组分中，以600rpm/min的速度搅拌200s，然后放入真空度为400Pa的条件下抽真空1min，取出倒入相应的模具中，25℃固化4天。
实施例7
步骤一、在1L的三口烧瓶中加入300g的PPG-2000和37.5g的PTMEG-250，将烧瓶置于120℃的油浴锅内，三口分别配制温度计、搅拌桨、双排管。确保气密性后，在200rpm/min搅拌下抽真空，1h后确保瓶内压力稳定在100pa以下，然后降温至70℃，加入261g的TDI，1000rpm/min搅拌2h，冷却后，得到A组分，取样分析NCO含量值为16.83％，倒出并密封保存。
步骤二、在1L的单口烧瓶中加入500g的PTMEG-2000，46.5g的乙二醇，将烧瓶置于120℃的油浴锅内，在300rpm/min搅拌下抽真空，2h后确保瓶内压力稳定在200pa以下，冷却到室温后，加入1.1g三甲基羟乙基丙二胺，搅拌2min，得到B组分，倒出并密封保存。
步骤三、摇晃密封保存的A组分和B组分，分别称取50g的A组分、52g的B组分，分装，密封保存，得到室温固化聚氨酯材料。
步骤四、将B组分倒入A组分中，以600rpm/min的速度搅拌200s，然后放入真空度为50Pa的条件下抽真空2min，取出倒入相应的模具中，25℃固化3天。
对实施例1-7固化后的聚氨酯材料进行检测，检测结果如表1所示。其中，凝胶时间在模具中测得，模具尺寸为200mm×200mm×2mm。
表1实施例1-7的室温固化聚氨酯材料的性能
从表1可以看出，本发明的室温固化聚氨酯材料固化时间灵活可控；强度高，拉伸强度为11.0MPa-16.5MPa，断裂伸长率为420％-680％，撕裂强度为43KN/m-57KN/m；粘结性好，粘结强度为5.3MPa-6.4MPa；耐湿热好，85℃下水中后浸泡7天，拉伸强度的增长率为28.5％-41.6％。

Claims (10)

1.一种室温固化聚氨酯材料的制备方法，其特征在于，步骤如下：
步骤一、将预先脱水的多元醇与异氰酸酯按质量比1:(0.5-4)混合，反应，得到NCO封端的聚氨酯预聚体，即A组分；
所述异氰酸酯为芳香族二异氰酸酯，多元醇为聚烯烃多元醇或聚醚多元醇中的一种或两种，数均分子量为200-3000；
步骤二、将多元醇与小分子扩链剂按质量比1:(0.05-0.2)共混脱水，然后加入催化剂，搅拌均匀，得到B组分；
所述多元醇为聚烯烃多元醇或聚醚多元醇中的一种或两种，数均分子量为200-3000，催化剂为三亚乙基二胺、N,N二甲基苄胺、五甲基二亚乙基三胺、三甲基羟乙基丙二胺中的一种或两种，催化剂的质量为多元醇与小分子扩链剂总质量的0.03-0.35％；
步骤三、按照扩链系数为0.95称取A组分和B组分，密封分装，得到室温固化聚氨酯材料；
或者，按照扩链系数为0.95称取A组分和B组分，搅拌均匀，抽真空后，倒入模具中室温固化成型，得到室温固化聚氨酯材料。
2.根据权利要求1所述的一种室温固化聚氨酯材料的制备方法，其特征在于，步骤一中和步骤二中，脱水的过程为：将待脱水物升温至110-130℃，在真空度为20-400Pa的条件下抽真空1-3h，然后降温至60-80℃。
3.根据权利要求1所述的一种室温固化聚氨酯材料的制备方法，其特征在于，步骤一中，反应温度为60-80℃，反应时间为1-3h。
4.根据权利要求1所述的一种室温固化聚氨酯材料的制备方法，其特征在于，所述芳香族二异氰酸酯为甲苯二异氰酸酯、二苯基甲烷二异氰酸酯、1,5-萘二异氰酸酯中的一种或两种。
5.根据权利要求1所述的一种室温固化聚氨酯材料的制备方法，其特征在于，所述聚烯烃多元醇为聚丁二烯多元醇，聚醚多元醇为聚丙二醇或聚四亚甲基醚二醇。
6.根据权利要求1所述的一种室温固化聚氨酯材料的制备方法，其特征在于，步骤二中，所述小分子扩链剂为乙二醇、1,4-丁二醇、2-乙基-1,3-己二醇、1,2-丙二醇、3,5-二甲硫基甲苯二胺、3,3′-二氯-4,4′二氨基二苯甲胺中的一种或两种。
7.根据权利要求1所述的室温固化聚氨酯材料的制备方法，其特征在于，步骤三中，所述抽真空后，真空度为20-400Pa，抽真空时间为1min。
8.根据权利要求1所述的室温固化聚氨酯材料的制备方法，其特征在于，步骤三中，所述固化时间为3-15天。
9.权利要求1-8任何一项所述的室温固化聚氨酯材料的制备方法制备的室温固化聚氨酯材料。
10.权利要求9所述的室温固化聚氨酯材料在金属管道浇注成型中的应用。
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