CN109661417B - 聚酯-环氧聚合物组合物 - Google Patents
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Abstract
本发明公开了聚酯‑环氧聚合物(PEEP)组合物。该PEEP组合物包括聚环氧化合物(当量在125‑250g/eq.之间)和聚酯多元醇化合物的反应产物。环氧当量与羟基当量的比值在0.8‑3.5之间。所述PEEP组合物的Tg在‑40℃至60℃之间。本发明还公开了制备PEEP组合物的高温固化和低温固化方法。通过简单而创新的方法,采用易得的起始材料而不依赖于多异氰酸酯或多胺,本发明组装了可用于胶黏剂、涂层、弹性体和其它有价值产品的新型聚合物。与传统环氧树脂产品相比,所述PEEP组合物具有较高的伸长率和较低的Tg。
Description
技术领域
本发明涉及聚酯-环氧聚合物(polyester-epoxide polymer,PEEP)组合物及其在聚氨酯应用中的用途。
背景技术
环氧-官能组合物长期以来被认为是制备环氧树脂的结构单元。例如,双酚和环氧氯丙烷的反应产物,是环氧树脂工业的支柱,并且作为树脂(瀚森特种化学公司(Hexion Specialty Chemicals))已经销售多年。环氧树脂与“固化剂”或其它交联剂(通常是多胺、多羧酸或多硫醇)发生反应以生成用于胶黏剂和其它终端用途的固化高聚物。
环氧树脂也常与丙烯酸或甲基丙烯酸反应以生产“乙烯基酯”树脂。乙烯基酯具有羟基和丙烯酸官能团,并被视为“高端”的不饱和聚酯树脂品种。与不饱和聚酯树脂一样,乙烯基酯树脂用苯乙烯和自由基引发剂固化,但它们可以使塑料具有通用不饱和聚酯树脂不易实现的性能。
羟基封端的聚酯多元醇占据另一个不同的领域。这些是脂肪族或芳香族中间体,其与多异氰酸酯反应生成聚氨酯。芳香族聚酯多元醇通常用来制造用于建筑产品的硬质聚氨酯泡沫,而脂肪族聚酯多元醇更常见于聚氨酯涂层或弹性体的应用中,例如鞋底。
尽管羟基官能材料可以至少在理论上应用于固化环氧树脂,传统实践表明,与环氧基团更快反应的多胺更加适合这个目的。在已经与环氧树脂反应的聚酯中,大多数用羧酸基团封端。
因此,尽管环氧树脂和羟基封端的聚酯多元醇长期存在,但关于这些反应产物可能存在的好处的报道相对较少。一般来说,当聚酯多元醇已经与环氧树脂反应,多元醇具有特别高的羟基官能度(>4)或羟基值(>500mg KOH/g),如树枝状或超支化聚酯多元醇的情况。在其它变体中,环氧反应性基团与羟基反应性基团的摩尔比超过约4:1。
大多数环氧基产品所面临的挑战是使产品在以低成本生产时具有所需的弹性,同时保持其它重要性能。大多数环氧基产品具有相对高的玻璃化转变温度(Tg>80℃)和低的极限伸长率(<10%)。
该行业将会受益于这样的环氧基产品的实用性,其具有提高的伸长率、降低的Tg值,以及在胶黏剂、涂层、弹性体和其它类似产品中的良好整体性能平衡。理想的是,产品可以采用市售或易于制备的起始原料、常规设备和普通方法条件下制备。理想情况下,不使用价格昂贵且需要特殊处理的聚异氰酸酯,也不需要使用造成环境或其它挑战的聚氨类固化剂,就可以实现具有优异物理和机械性能的环氧树脂产品。
发明内容
一方面,本发明涉及聚酯-环氧聚合物(PEEP)组合物。该PEEP组合物包括聚环氧化合物和多元醇组合物的反应产物。所述聚环氧化合物的当量在125-250g/eq之间。所述多元醇组合物包括聚酯多元醇,该聚酯多元醇的羟基值在50-400mg KOH/g之间,平均羟基官能度在1.5-4.0之间且酸值小于5mg KOH/g。所述聚环氧化合物的环氧当量与多元醇组合物的羟基当量的比值在0.8-3.5之间。采用差示扫描热量法测定,所述PEEP组合物的玻璃化转变温度在-40℃至60℃之间。
本发明包括制备上述PEEP组合物的方法。这样的一种方法包括在50℃至100℃的温度范围内加热混合物,该混合物包括前述聚环氧化合物和多元醇组合物,所述多元醇组合物包括聚酯多元醇。所述聚环氧化合物的环氧当量与多元醇组合物的羟基当量的比值在0.8-3.5之间,且所述PEEP组合物的Tg在-40℃至60℃之间。
另一种制备PEEP组合物的方法包括将聚环氧化合物和多元醇组合物在催化剂存在下进行反应,优选在0℃至45℃的温度范围内,所述催化剂包括碱或路易斯酸化合物,所述多元醇组合物包括聚酯多元醇。同样,所述聚环氧化合物的环氧当量与多元醇组合物的羟基当量的比值在0.8-3.5之间,且所得到的PEEP组合物的Tg在-40℃至60℃之间。
我们发现,从不同聚合物技术(氨基甲酸乙酯、环氧树脂、UPR)中所提取的众所周知的结构单元可以被组装成一类新的聚合物(“PEEP”或“聚酯-聚环氧化合物”),这类聚合物可用于胶黏剂、涂层、弹性体、密封剂和其它有价值的产品。令人惊讶的是,这些PEEP产品不用依赖需要聚氨酯反应物的聚异氰酸酯或最广泛使用的环氧固化剂多胺,就可以满足工业需求。PEEP组合物保留了传统环氧聚合物产品的许多优点,但是它们具有增加的伸长率和提高的弹性。采用商购或容易合成的材料可以制备优良的产品;没有必要求助于特殊的多元醇(例如树枝状大分子),采用高的环氧与羟基的比例,或依赖其它深奥的手段来获得良好的效果。总的来说,本发明创造了一类新的聚合物并邀请配方设计师进一步探索这种简单而创新的方法来合成热固性聚合物。
具体实施方式
在一方面,本发明涉及一种聚酯-环氧聚合物(PEEP)组合物,该组合物包括聚环氧化合物和多元醇组合物的反应产物,该多元醇组合物包括聚酯多元醇。
聚环氧化合物
合适的聚环氧化合物每分子具有两个或更多的环氧基团,且当量在125-250g/eq.之间,或在一些方面在150-240g/eq.之间或在190-235g/eq.之间。
在优选的方面,所述聚环氧化合物每分子平均具有2-4个环氧基团(“平均环氧官能度”)。在一些方面,所述平均环氧官能度为2-3、2.0-2.8、或大约2。
一些合适的环氧化合物可以商购得到,而另一些很容易由环氧氯丙烷和合适的多元醇或多胺前体反应合成,优选由环氧氯丙烷和芳香族或脂环族多元醇或多胺合成。
在一些方面,所述聚环氧化合物是双酚(例如双酚A、双酚AP、双酚BP、双酚C、双酚F、双酚S、双酚Z等)和环氧氯丙烷的反应产物。在其它方面,所述聚环氧化合物是氢化双酚和环氧氯丙烷的反应产物。换句话说,在一些情况下,所述聚环氧化合物是双酚或氢化双酚的“二缩水甘油醚”。许多的这些材料可以商购得到。例如,合适的聚环氧化合物包括800系列的环氧树脂(瀚森特种化学公司的产品),主要来自双酚A或双酚F,例如树脂825、826、828、830、834、862等。合适的双酚F基树脂还包括CVC热固性特种公司(CVC Thermoset Specialties)的产品8220、8230和8240。
合适的环氧化合物包括芳环已经氢化的双酚二缩水甘油醚,例如5000和5001,或用烷基或官能团改性,例如7200。合适的聚环氧化合物包括二-、三-或四官能度的芳香聚环氧化合物,例如间苯二酚缩水甘油醚(作为CVC热固性特种公司的ERISYSTM RDGE可获得)、三(羟基苯基)乙烷的三缩水甘油醚(作为例如9000可获得)和间二甲苯基醚的间二缩水甘油醚(作为ERISYSTM GA 240可获得)。合适的聚环氧化合物还包括芳香族和脂环族的缩水甘油酯,例如间苯二甲酸、邻苯二甲酸或对苯二甲酸及其氢化形式的二缩水甘油酯,比如六氢邻苯二甲酸二缩水甘油酯(作为例如5200可获得)。
在一些方面,所述聚环氧化合物为脂肪族二缩水甘油醚,特别是具有平均环氧官能度为至少2、优选为至少3的脂肪族二缩水甘油醚。合适的脂肪族二缩水甘油醚例如包括1,4-丁二醇二缩水甘油醚、1,4-环己二醇二缩水甘油醚、新戊二醇二缩水甘油醚、乙二醇二缩水甘油醚、2-甲基-1,3-丙二醇二缩水甘油醚、1,6-己二醇二缩水甘油醚、二丙二醇二缩水甘油醚、甘油三缩水甘油醚、三羟甲基丙烷三缩水甘油醚、季戊四醇四缩水甘油醚等,以及它们的混合物。通过将多元醇与过量的环氧氯丙烷反应容易制备这类合适的聚环氧化合物;许多可以从ERISYSTM商标下的CVC热固性特种公司或其它供应商处商购获得。
可以使用各种类型的聚环氧化合物的混合物。在优选方面,所述聚环氧化合物包括至少50wt%、至少60wt%或至少70wt%的芳香族聚环氧化合物、脂环族聚环氧化合物或其组合。
所述聚环氧化合物的用量使聚环氧化合物的环氧当量与多元醇组合物的羟基当量的比值(此处也称为“环氧/OH当量比值”)在0.8-3.5之间。在其它方面,环氧与羟基当量的比值在0.9-3.2、1.0-3.0或1.5-3.0之间。此处的“环氧/OH指数”或“环氧/羟基指数”指环氧/OH当量比值乘以100。
所使用聚环氧化合物的量可以变化,并且将取决于许多因素,包括聚环氧化合物的性质、多元醇组合物的性质、所需的化学计量和其它因素。然而,通常情况下,根据PEEP组合物的量,所述聚环氧化合物的量将在20-80wt%、30-70wt%或35-65wt%之间。
多元醇组合物
所述聚酯-环氧聚合物包括上述聚环氧化合物和多元醇组合物的反应产物。所述多元醇组合物包括聚酯多元醇。
合适的聚酯多元醇是众所周知的,且包括芳香族和脂肪族的聚酯多元醇。这些多元醇以羟基基团封端且通常有低酸值(即低于5mg KOH/g)。合适的聚酯多元醇很容易由二羧酸、酯或酸酐与低分子量的二元醇、多元醇或其混合物缩聚而成。合适的二羧酸、酯或酸酐例如包括邻苯二甲酸酐、间苯二甲酸、对苯二甲酸、对苯二甲酸二甲酯、偏苯三酸酐、马来酸酐、琥珀酸酐、琥珀酸、琥珀酸二甲酯、己二酸二乙酯、戊二酸、己二酸、癸二酸、辛二酸等及其组合。合适的适用于制备聚酯多元醇的二元醇和多元醇例如包括乙二醇、丙二醇、2-甲基-1,3-丙二醇、1,4-丁二醇、1,6-己二醇、二乙二醇、二丙二醇、三乙二醇、三丙二醇、新戊二醇、1,4-环己烷二甲醇、甘油、三羟甲基丙烷、三羟甲基乙烷、季戊四醇等及其组合。
此处所用的许多合适的聚酯多元醇可以从斯捷潘公司(Stepan Company)或其它多元醇供应商商购。实施例包括斯捷潘产品的PS-、PC-、PD-、PH-、PHN-、PN-和AA-系列多元醇。特别的实施例包括PS-2402、PS-3021、PS-3524、PC-1028-210和PC-1028-110(芳香族聚酯多元醇)和AA-58、PC-102-110、PC-102-210、PC-105-110、PC-1040-55和PC-5080-110(脂肪族聚酯多元醇)。其它可商购的产品包括英伟达(INVISTA)的和TERRINTM多元醇、亨茨曼(Huntsman)的多元醇、巴斯夫(BASF)的多元醇、科思创(Covestro)的多元醇、科聚亚(Chemtura)的多元醇和科因(Coim)的DIEXTERTM多元醇。
除聚酯多元醇外,所述多元醇组合物可以包括聚醚多元醇、聚碳酸酯多元醇或其它种类的多元醇。通常情况下,所述多元醇组合物包括至少50%、一些方面至少65%、其它方面至少80%的一种或多种聚酯多元醇。
在合适的多元醇组合物中,所述聚酯多元醇的羟基值将在50-400KOH/g之间。在一些方面,所述聚酯多元醇的羟基值将在60-350KOH/g之间或在80-150KOH/g之间。
所述聚酯多元醇的平均羟基官能度将在1.5-4.0之间,在一些方面,所述聚酯多元醇的平均羟基官能度将在1.8-3.8之间或2.0-3.5之间。
所述聚酯多元醇大多具有羟基端基,而非羧酸端基,因此其具有低酸值,即小于5mg KOH/g。在一些方面,所述聚酯多元醇的酸值小于3mg KOH/g、小于2mg KOH/g或小于1mgKOH/g。
如前所述,所述多元醇组合物的有效用量将使所述聚环氧化合物的环氧当量与多元醇组合物的羟基当量的比值在0.8-3.5、或0.9-3.2、或1.0-3.0或1.5-3.0之间。
所述多元醇组合物的用量可以变化并将取决于许多元素,包括聚环氧化合物的性质、多元醇组合物的性质、所需的化学计量和其它因素。然而,通常情况下,根据PEEP组合物的量,所述聚环氧化合物的量将在20-80wt%、30-70wt%或35-65wt%之间。
聚酯-环氧聚合物(PEEP)组合物
所述聚环氧化合物和包括聚酯多元醇的多元醇化合物的反应产物为聚酯-环氧聚合物,此处也可以描述为“PEEP”组合物。所述PEEP组合物与传统环氧树脂产品的区别在于其具有独特的性能平衡。
例如,采用差示扫描热量法(DSC)测定,所述PEEP组合物将具有在-40℃至60℃之间的相对较低的玻璃化转化温度(Tg)。在一些方面,所述PEEP组合物的Tg将在-30℃至35℃之间、或在-20℃至30℃之间或在-10℃至20℃之间。
与传统环氧树脂产品相比,所述PEEP组合物具有更高的极限伸长率(即“断裂伸长率”,以下简称“伸长率”)。在一些方面,所述PEEP组合物的伸长率(采用ASTM D412,方法A测定)至少在30%、至少在40%、至少在60%或至少在80%。在其它方面,所述PEEP组合物的伸长率在30%-500%之间、45%-300%之间或50%-200%之间。
所述PEEP组合物可包括添加剂,例如表面活性剂、填料、颜料、阻燃剂、催化剂、粘度调节剂、发泡剂、反应稀释剂等。所述添加剂的类型和用量将取决于特定最终用途的要求。
所述PEEP组合物可以配制为弹性体、微孔弹性体、涂层、密封剂、胶黏剂和其它产品。弹性体可以配制为具有宽范围的邵氏A(Shore A)或邵氏D(Shore D)的硬度值。一般来说,所述PEEP组合物相比于传统环氧树脂体系具有更低的硬度值。典型的硬度值在邵氏A40至邵氏A96之间,更典型的在邵氏A70至邵氏A90之间。
与传统环氧树脂体系相比,如下所述的弹性体PEEP组合物通常具有增加的总能量吸收(“T.E.A.”)值。所述T.E.A.值通常在10-500lb·in./in.2之间、10-300lb·in./in.2之间或20-200lb·in./in.2之间。
与传统环氧树脂体系相比,来自PEEP组合物的涂层可以展示出良好的交叉影线附着力、良好的耐磨性和一定改善的抗冲击性能(见下表1和表3)。
可以配制来自PEEP组合物的胶黏剂以获得各种不同的搭接剪切强度或其它所需的性质(见下表4-9)。
高温方法
一方面,本发明涉及一种制备聚酯-聚环氧聚合物组合物的高温方法。该方法包括在50℃至100℃的温度范围内加热混合物,该混合物包括前述聚环氧化合物和前述多元醇组合物,该多元醇组合物包括聚酯多元醇。所述聚环氧化合物的环氧当量与多元醇组合物的羟基当量的比值在0.8-3.5之间。采用差示扫描热量法测定,所得聚酯-环氧聚合物组合物的玻璃化转变温度在-40℃至60℃之间,或在某些方面,在-30℃-35℃之间。
在一些方面,所述方法在催化剂存在下进行,例如,叔胺,如1,4-二氮杂双环[2.2.2]辛烷、2,4,6-三(二甲基氨基苯基)苯酚、4-二甲基氨基吡啶、N,N-二甲基苄胺、(4-二甲基氨基甲基)苯酚、(2-二甲基氨基甲基)苯酚、2,4,6-三(4-吗啡基甲基)苯酚等。
在一些方面,所述聚环氧化合物和多元醇化合物的混合物被加热到60℃至90℃或65℃至80℃的温度范围内。
在一些方面,用于制备PEEP涂层组合物的多元醇化合物包括芳香族聚酯多元醇或者芳香族聚酯多元醇与脂肪族聚酯多元醇的组合物或由其组成。在其它方面,所述多元醇组合物包括脂肪族聚酯多元醇或由其组成。
低温方法
在优选方面,所述PEEP组合物在0℃至45℃的温度范围内,更优选在环境条件下或不加热情况下制备。该方法包括使如前所述的聚环氧化合物和多元醇组合物在催化剂存在下进行反应,所述催化剂包括碱或路易斯酸化合物,所述多元醇组合物包括聚酯多元醇。所述聚环氧化合物的环氧当量与多元醇组合物的羟基当量的比值在0.8-3.5之间。采用差示扫描热量法测定,所得聚酯-环氧聚合物组合物的玻璃化转变温度在-40℃至60℃之间,或在一些方面,在-30℃至35℃之间。
一些合适的催化剂包括路易斯酸化合物。合适的路易斯酸化合物为电子对受体,包括例如氯化铝、溴化铝、氯化锌、三氯化硼、三氟化硼、四氯化锡、五氯化锑等。三氟化硼,特别是三氟化硼与电子给体(如醚、醇、羧酸、多元醇、胺、硫化物)的配合物是优选的路易斯酸化合物。实施例包括三氟化硼乙醚、三氟化硼四氢呋喃配合物、三氟化硼/醇配合物、三氟化硼/乙酸配合物、三氟化硼/磷酸配合物、三氟化硼二甲基硫醚配合物、三氟化硼胺配合物、三氟化硼多元醇配合物等及其组合。特别优选路易斯酸与醚、醇、多元醇和胺配合。合适的催化剂包括,例如,B-610和B-1310、三氟化硼与路易斯碱的配合物、利波西塑料公司(Leepoxy Plastics,Inc)的产品。
在其它方面,低温方法在碱性催化剂存在下进行。优选胺类催化剂。在一些优选方面,所述胺类催化剂包括胺类化合物、多胺、聚酰胺或其混合物。叔胺是优选的胺类化合物。合适的胺类催化剂包括例如1,4-二氮杂双环[2.2.2]辛烷、2,4,6-三(二甲基氨基甲基)苯酚(例如“DMP-30”)、4-二甲基氨基吡啶、N,N-二甲基苄胺、(4-二甲基氨基-甲基)苯酚、(2-二甲基氨基甲基)苯酚、2,4,6-三(4-吗啉基甲基)苯酚、1,3,5-三(3-(二甲基氨基)丙基)六氢-s-三嗪(例如来自空气化工产品公司(Air Products)的41或来自亨茨曼的TR-90)等及其混合物。
为了良好固化所需的路易斯酸或碱催化剂的用量取决于许多因素,这在技术人员的裁量范围之内,包括聚环氧化合物的性质、多元醇组合物的性质、所选的特殊催化剂、产品类型(例如涂层、胶黏剂、弹性体)、产品尺寸、所需的储存寿命、开罐时间和其它因素。然而,通常情况下,基于所生产PEEP化合物的量,催化剂的用量在0.01-10wt%、或0.1-8wt%、或1-5wt%之间。
所述低温方法在0℃至45℃、或10℃至30℃的温度范围内进行,或在许多情况下在室温下进行。
在一些方面,用于根据低温方法制备PEEP组合物的多元醇化合物包括芳香族聚酯多元醇或者芳香族聚酯多元醇与脂肪族聚酯多元醇的组合物或由其组成。在其它方面,所述多元醇组合物包括脂肪族聚酯多元醇或其组成。
在一些方面,所述低温方法在环氧/羟基指数为100-350之间进行。在其它方面,所述聚环氧化合物和多元醇组合物在环氧/羟基指数为135-330之间反应。高环氧比羟基指数可以有助于生产涂层、弹性体、密封剂、胶黏剂和其它具有良好理想的产品。
以下实施例仅用于说明本发明,技术人员在本发明的精神和权利要求范围内将认识到许多变化。
配方成分:
PolyTHF 1000(BASF):聚四氢呋喃二醇。OH值:112mg KOH/g。官能度:2.0。
PS-3021(斯捷潘公司):由对苯二甲酸、邻苯二甲酸酐、二乙二醇、2-甲基-1,3-丙二醇、甘油和大豆油合成的芳香族聚酯多元醇。OH值:300mg KOH/g。粘度:25℃时7500cP。官能度:2.1。
IPA-DEG多元醇:由间苯二甲酸和二乙二醇合成的芳香族聚酯多元醇。OH值:236mgKOH/g。粘度:25℃时28,200cP。官能度:2.0。
IPA-HDO-115多元醇:由间苯二甲酸和1,6-己二醇合成的芳香族聚酯多元醇。OH值:115mg KOH/g。官能度:2.0。
IPA-HDO-240多元醇:由间苯二甲酸和1,6-己二醇合成的芳香族聚酯多元醇。OH值:240mg KOH/g。官能度:2.0。
IPA-HDO-315多元醇:由间苯二甲酸和1,6-己二醇合成的芳香族聚酯多元醇。OH值:315mg KOH/g。官能度:2.0。
TPA-DEG多元醇:由对苯二甲酸和二乙二醇合成的芳香族聚酯多元醇。OH值:234mgKOH/g。粘度:25℃时16,600cP。官能度:2.0。
IPA-DEG多元醇的制备
将间苯二甲酸(652.7g)和二乙二醇(688.9g)加入装有机械搅拌、温度探头、氮气入口和具有侧臂冷凝器的填充冷凝柱的反应容器中。在约1h内将混合物加热至220℃。迅速去除馏出物,混合物变得透明。在8h后,酸值达到13mg KOH/g。在冷却过夜后,恢复加热。当温度达到200℃,加入钛酸四丁酯(0.36g)。羟基值为213mg KOH/g。加入二乙二醇(31g),并将混合物加热至220℃直至反应完成。最终羟基值(校正后):236mg KOH/g。
TPA-DEG多元醇的制备
将对苯二甲酸(652.7g)和二乙二醇(688.9g)加入装有机械搅拌、温度探头、氮气入口和具有侧臂冷凝器的填充冷凝柱的反应容器中。将混合物在约1h内加热至220℃。将馏出物慢慢去除使混合物保持浑浊和白色。在冷却过夜后,恢复加热至220℃并保持第二天和第三天。第三天结束时,加入钛酸四丁酯(0.36g)。透明产物的羟基值为210mg KOH/g。加入二乙二醇(37g),并将混合物加热至220℃直至反应完成。最终羟基值(校正后):234mg KOH/g。
IPA-HDO-240多元醇的制备
将间苯二甲酸(1960g)和1,6-己二醇(2465g)加入装有机械搅拌、温度探头、氮气入口和具有侧臂冷凝器的填充冷凝柱的反应容器中。将混合物在约1h内加热至220℃。将蒸馏液慢慢去除使混合物保持浑浊和白色。在冷却过夜后,继续加热至220℃并保持第二天和第三天。第三天结束时,加入钛酸四丁酯(1.17g)。羟基值:242mg KOH/g。酸值:0.6mg KOH/g。
IPA-HDO-115多元醇的制备
采用制备IPA-HDO-240的流程,调整间苯二甲酸(2354g)和1,6-己二醇(2156g)的用量来改变。羟基值:116mg KOH/g。酸值:0.4mg KOH/g。
IPA-HDO-315的制备
采用制备IPA-HDO-240的流程,调整间苯二甲酸(1777g)和1,6-己二醇(2608g)的用量来改变。羟基值:318mg KOH/g。酸值:0.4mg KOH/g。
实施例1-7
聚酯-环氧聚合物(PEEP)的制备:高温方法
下述的PEEP材料通过将环氧树脂、多元醇和约3wt%的胺类催化剂(共100-200g)在小纸杯中在室温下手动搅拌1-2分钟来制备。反应缓慢,从而允许混合物倒入模具中采用加热进行最终的加速固化。由这些材料所制备的铸造弹性体和涂层的性质见表1。
实施例1
将828(50.0g,0.26eq.)与PS-2402(62.4g,0.26eq.)和2,4,6-三(二甲基氨基甲基)苯酚(“DMP-30”,3.0g)在室温下在小纸杯中进行手动搅拌。几秒钟之后,混合物变透明。将杯子置于70℃的烘箱中2-3h直至聚合物完全固化。
实施例2
将828(50.0g,0.26eq.)与1:1(w/w)混合的PC-1040-55和上述IPA-DEG多元醇(55.5g,0.144eq.)以及DMP-30(3.0g)在室温下在小纸杯中进行手动搅拌。在搅拌1分钟后,将杯子置于70℃的烘箱中2-3h直至聚合物完全固化。
实施例3
将828(50.0g,0.26eq.)与上述IPA-DEG多元醇(61.9g,0.26eq.)和DMP-30(3.0g)在室温下在小纸杯中进行手动搅拌。在搅拌1分钟后,将杯子置于70℃的烘箱中2-3h直至聚合物完全固化。
实施例4
将828(50.0g,0.26eq.)与上述TPA-DEG多元醇(62.1g,0.26eq.)和DMP-30(3.0g)在室温下在小纸杯中进行手动搅拌。在搅拌1分钟后,将杯子置于70℃的烘箱中2-3h直至聚合物完全固化。
实施例5
将830(50.4g,0.26eq.)与PS-2402(62.4g,0.26eq.)和DMP-30(3.0g)在室温下在小纸杯中进行手动搅拌。在搅拌1分钟后,将杯子置于70℃的烘箱中2-3h直至聚合物完全固化。
实施例6
将826(47.3g,0.26eq.)与PS-2402(62.4g,0.26eq.)和DMP-30(3.0g)在室温下在小纸杯中进行手动搅拌。在搅拌1分钟后,将杯子置于70℃的烘箱中2-3h直至聚合物完全固化。
实施例7
将828(50.2g,0.26eq.)与重量比94:6的PS-2402和1,4-丁二醇(49.8g混合物,0.26eq.)的混合物以及DMP-30催化剂(3.0g)在室温下在小纸杯中进行手动搅拌。在搅拌1分钟后,将杯子置于70℃的烘箱中2-3h直至聚合物完全固化。
实施例8-14:
由芳香族聚酯多元醇制备PEEP组合物:低温方法
实施例8
将PS-3021多元醇(43.2g)在室温下快速与5000(50.9g)和B-1310催化剂(6.0g)混合。混合物在几秒钟后变得透明。持续混合30秒。在约0.5-2h后材料变硬形成固化的聚合物。采用该材料所制备的铸造弹性体的性质见表2。
实施例9-14
实施例15-21:
由芳香族聚酯多元醇和脂肪族聚酯多元醇的混合物制备PEEP组合物:低温方法
实施例15
制备50:50(w/w)的PS-3021(芳香族聚酯多元醇,18.4g)和PC-1040-55(脂肪族聚酯多元醇,18.4g)的混合物。该聚酯多元醇混合物在室温下与5000(55.2g)和B-1310催化剂(8.0g)快速混合。环氧/OH指数为216。混合物在几秒后变得澄清。持续搅拌30s。在约1h后材料变硬并生产大量的热量。采用该材料所制备的铸造弹性体和涂层的性质见表3。
实施例16-21
实施例22-28:
由芳香族聚酯多元醇制备PEEP组合物:低温方法
实施例29-34:
由脂肪族聚酯多元醇制备PEEP组合物:低温方法
实施例35-39:
由芳香族聚酯多元醇制备PEEP组合物:低温方法。环氧/OH指数的影响
基本采用实施例8的流程,使用PC-1028-210(由1,6-己二醇和邻苯二甲酸酐制备的芳香族聚酯多元醇)、828和B-610催化剂同时改变环氧比OH指数以制备铸造弹性体、涂层和胶黏剂样品。配方和测试结果见表6。
实施例40-47:
低温方法制备PEEP组合物。Tg>0℃
基本采用实施例8的流程,在200-300的环氧比OH指数下,使用芳香族聚酯多元醇或者芳香族聚酯多元醇与脂肪族聚酯多元醇的混合物、828或8240、和三氟化硼/多元醇催化剂制备铸造弹性体或胶黏剂样品。在每个实施例中,PEEP组合物的玻璃化转变温度(Tg)都大于0℃(1.1℃至56℃)。配方和测试结果见表7。
实施例48-53:
低温方法制备PEEP组合物。Tg<0℃
基本采用实施例8的流程,在125或300的环氧比OH指数下,使用脂肪族聚酯多元醇或者芳香族聚酯多元醇与脂肪族聚酯多元醇的混合物、828或8240、三氟化硼/多元醇催化剂制备铸造弹性体或胶黏剂样品。在每个实施例中,PEEP组合物的Tg小于0℃(-3.2℃至-37℃)。配方和测试结果见表8。
实施例54-57:
固化条件对搭接剪切强度的影响
基本采用实施例8的流程,在200或300的环氧比OH指数下和如表9所示的各种不同的固化和后固化条件下,使用芳香族聚酯多元醇、828或8240、三氟化硼/多元醇催化剂制备胶黏剂样品。在每个实施例中,PEEP组合物的Tg都大于35℃(37℃至51℃)。配方和测试结果见表9。
制备涂层和弹性体样品
通常情况下,将反应产物倒入模具中或将其下拉到表面以分别提供弹性体或涂层样品用于测试。通过在开始混合后约90s将100g反应混合物倒入7”×7”×0.1”的模具(环境条件下,涂有脱模剂)中来制备弹性体样品。使材料铺展约30秒,然后覆盖上。将压舌板定位在模具的边缘以提供约0.07”的周边排气。在物理测试之前,切出狗骨样品(dogbonesamples)(5.5”×0.5”)并置于25℃和50%相对湿度下保持12h。在测试之前,采用低温方法制备的模塑件或涂层在室温下固化至少5天。
机械性能
采用通用测试机(MTS ReNewTM系统)和4.11软件进行样品测试和分析。狗骨样品的中心测试部分为0.5”宽和1.65”长。将样品放置在间隔2.25”的夹具中。用1000lb.的测力传感器以2”/分钟的拉伸拉力速率测量样品性能直至样品断裂。抗拉强度、模量、断裂伸长率和总能量吸收至少测量两次并取平均值。
总能量吸收(“T.E.A.”)由通用测试机软件(Testworks 4.11)计算,并通过将应力-应变曲线下的面积与狗骨样品中心测试部分(锥形部分)的表面积进行归一化后获得。应力-应变曲线下的面积由产生样品延伸所需的总力(磅)与破损量(英寸)的乘积计算得到。对于每个样品,表面积为0.825in.2。总能量吸收是允许比较每个测试样品相对韧性的测量值。T.E.A.的单位为lb·in./in.2。
硬度
固化聚合物样品的硬度采用A型硬度计(太平洋传感器(Pacific Transducer),型号为306L)根据ASTM 2240-85测定。使用前述的狗骨样品。
机械性能和硬度测试在23℃±1℃和50%相对湿度下进行。
玻璃化转变温度
玻璃化转变温度(Tg)采用TA仪器探索系列(Instruments Discovery Series)差示扫描热量计和TA仪器的Trios(V3.2)软件测定。通过从用于机械性能测试的狗骨样品中切下10-20mg的片来制备样品。将样品精确称量、卷曲在测试盘中,并与参考盘一起放入仪器的样品座中。将样品冷却至-50℃,然后从-50℃以每分钟5℃的速度升温至150℃。聚酯-环氧聚合物样品通常表现出强Tg信号,该信号的中点在-40℃至60℃之间。
涂层:采用高温方法制备样品
将反应物在纸杯中在室温下混合1min,得到样品。然后用移液管施加反应系统以在基底上涂覆一条横穿的细线。光面莱纳塔纸(Form 7B,莱纳塔公司(Leneta Co.))用于测量泰伯尔(Taber)磨损性能。用50#刮涂棒(BYK Co.)在光面纸上施加一层薄薄的液体,然后转移至烘箱中固化(2h,70℃)。在室温下另外固化一周后,在测试前将样品粘在方形安装卡上并在方形安装卡上切割。
涂层性能测试
根据ASTM D 4060采用5139泰伯尔工业磨具进行泰伯尔磨损测试。对某些样品采用更细的CS-17和更粗的H-18磨损测试轮(泰伯尔工业)进行单独的实验。测试轮以1000g的重量压在表面上。在1000次循环后测试样品的重量损失。
根据ASTM D 3359在处理后的钢上进行交叉影线附着力测试。使用交叉影线胶带试剂盒(Paul N.Gardner Co.)。在涂层上粘贴测试胶带然后撕下测试胶带后,基于视觉观察涂层的损伤来判断粘接质量。5B级表示涂层没有损伤,数字越低则说明损伤逐渐增大。
通过Gardner冲击试验机(来自BYK)测定冲击强度。使用4lb.弹丸,涂层钢样品受到基于弹丸高度释放的不同冲击力。冲击强度(磅/英寸)是造成视觉涂层破坏所需要的力。进行直接冲击(涂层面冲击)和间接冲击(涂层反面冲击)的测试。
胶黏剂的制备和测试
通常遵循ASTM D-1002步骤。使用所提供的1in×4in×0.063in冷轧钢(CRS)测试基板(Q-Lab Corp.)在环境温度或高温下制备和固化测试样品。将聚酯-环氧聚合物组合物(100g)在敞口杯中搅拌30秒。在约1分钟之后,将反应液体材料涂在一个CRS试样末端的一英寸区域上。第二试样置于第一试样的顶部以形成1-in2的夹着反应液体胶黏剂的重叠区域。将胶黏剂夹固定在重叠区域上,并去除过多的胶黏剂。在搭接抗剪切强度测试前,将组件在环境温度下的平坦表面上至少固化5天。类似地,另外的样品采用未处理的铝试样(Q-Lab Corp.)进行制备。
搭接剪切强度采用英斯特朗(Instron)通用测试机(MTS ReNewTM系统)和4.11软件进行测量。取下胶黏剂夹,并将金属试样条的未粘附端固定于附着在测试设备上的Instron 30kN金属测试夹(型号#2716-015)中。然后以0.05in/min的速度在拉伸方向上拉动组件直到发生重叠区域粘合失效。对每种聚酯-环氧聚合物体系的破坏峰值应力测量两次并取平均值。
结果:
与典型的环氧树脂体系相比,表1所示的PEEP组合物为相对软的弹性体(邵氏A硬度为80-92),且具有较低的Tg(<50℃)、高模数、高总能量吸收和更高的极限延伸率(75-94%)。由这些PEEP组合物制备的2K烘烤涂层显示出良好的泰伯尔磨损性能和附着性能,尽管以100指数生产的组合物表现出比典型环氧涂层所预期的更低的冲击性能。然而,实施例2中显而易见的是,提高环氧/OH指数有效提高了抗冲击性。实施例7说明配方中可以成功地含有扩链剂(该实施例中为1,4-丁二醇)。从这些筛选实施例中的广泛性质可以明显看出,有很多机会可以微调配方以获得所需的性能。
表2示出了由两种商购芳香族聚酯多元醇(PS-3021和PS-3524)和环氧化氢化双酚A(5000)采用低温方法所制备的PEEP组合物。该表还提供了使用这些PEEP组合物所生产的室温固化铸造弹性体的性能。使用三氟化硼基的催化剂(B-1310)。总的来说,环氧/OH指数大于130时显然能够提供更好的弹性体。与典型环氧树脂体系相比,这些PEEP弹性体具有相对高的总能量吸收值和更高的极限延伸率。模量值取决于环氧/OH指数。
表3示出了采用低温方法由聚酯多元醇混合物制备的PEEP组合物。该混合物包括芳香族聚酯多元醇(PS-3021)和脂肪族聚酯多元醇(PC-1040-55)。多元醇混合物与环氧化氢化双酚A(5000或5001)反应。使用三氟化硼基的催化剂(B-1310)。该表还示出使用这些PEEP组合物所生产的室温固化铸造弹性体和涂层的性能。弹性体配制成具有相对高的环氧/OH指数(160-329)。总的来说,该弹性体具有合理的拉伸性能,并且与典型环氧树脂体系相比,具有更高的总能量吸收和更高的极限延伸率。与环氧树脂体系相比,该涂料展示出良好的耐磨性、附着性和抗冲击性。
表4示出了通过芳香族聚酯多元醇(羟基指数为240mg KOH/g)在中等环氧/OH指数(124-161)下所制备的PEEP组合物。产品在室温下采用三氟化硼基催化剂和5000或828制备且在室温下进行后固化。总的来说,弹性体具有合理的硬度、抗拉强度和模量。与典型环氧树脂体系相比,这些材料具有更高的总能量吸收和更高的极限延伸率。观察到胶黏剂在冷轧钢(CRS)的搭接剪切强度大于1000psi。
表5说明了采用脂肪族聚酯多元醇在室温下在中高环氧比OH指数下制备和固化的PEEP组合物。伸长率较低,但是仍然远高于环氧树脂体系中<10%的典型值。可以生产具有广泛硬度、抗拉强度和刚度的产品。胶黏剂一般表现出超过1000psi的CRS搭接剪切强度。还可以制造具有良好抗冲击性和良好耐磨性的涂层。
表6说明了环氧/OH值在采用单一芳香族聚酯多元醇(基于邻苯二甲酸酐和1,6-己二醇)和828树脂所配制的体系中的影响。在高指数(200-300)下,具有高刚度和抗拉强度的产品是常态,而在较低指数(<200),可以制造具有良好能量吸收的较软弹性体、具有良好抗冲击性能的涂层和具有较好搭接剪切强度的胶黏剂。表6所示的广泛的性能和可以从一种聚酯多元醇和一种环氧反应试剂获得说明了PEEP组合物的多功能性。
表7和8说明了玻璃化转变温度对PEEP性能的影响。表7的实施例40-43中,Tg值在室温(30℃至56℃)以上,并且弹性体一般表现出在相对低的延伸率下的高硬度、抗拉强度和模量。表7的实施例44-47中,Tg值在室温(1.1℃至17℃)以下,并且产品刚度降低,伸长率提高。另外,具有较低Tg的材料似乎提供提高的粘结性能。表8示出了可以制备Tg值远低于0℃的PEEP组合物,特别是由脂肪族聚酯多元醇制备,该脂肪族聚酯多元醇一般提供更软的材料。
表9示出了一系列由PEEP组合物所制备的产品,该PEEP组合物衍生于芳香族聚酯多元醇且具有相对高的Tg(37℃至51℃)。该表示出了PEEP组合物的最终性能可以由固化和后固化条件所影响。在固化和/或后固化过程中的高温可以用于提高PEEP组合物的粘结强度。
前面的实施例仅用于说明;权利要求限定了本发明的主题。
Claims (30)
1.一种聚酯-环氧聚合物组合物,包括以下物质的反应产物:
(a)聚环氧化合物,当量在125-250g/eq.之间;和
(b)多元醇组合物,包括聚酯多元醇,其中所述聚酯多元醇的羟基值在50-400mg KOH/g之间,平均羟基官能度在1.5-4.0之间且酸值小于5mg KOH/g;
其中所述聚环氧化合物的环氧当量与所述多元醇组合物的羟基当量的比值在0.8-3.5之间,且采用差示扫描热量法测定的所述聚酯-环氧聚合物组合物的玻璃化转变温度在-40℃至60℃之间。
2.根据权利要求1所述的聚酯-环氧聚合物组合物,其中,所述聚环氧化合物为芳香族聚环氧化合物。
3.根据权利要求2所述的聚酯-环氧聚合物组合物,其中,所述芳香族聚环氧化合物为双酚与环氧氯丙烷的反应产物,且所述芳香族聚环氧化合物的当量在185-200g/eq范围内。
4.根据权利要求1所述的聚酯-环氧聚合物组合物,其中,所述聚环氧化合物为脂肪族聚环氧化合物或脂环族聚环氧化合物。
5.根据权利要求1-4中任意一项所述的聚酯-环氧聚合物组合物,其中,所述多元醇组合物包括芳香族聚酯多元醇或者芳香族聚酯多元醇与脂肪族聚酯多元醇的组合物。
6.根据权利要求1-4中任意一项所述的聚酯-环氧聚合物组合物,其中,所述多元醇组合物包括脂肪族聚酯多元醇。
7.根据权利要求1-4中任意一项所述的聚酯-环氧聚合物组合物,其中,所述聚酯多元醇的羟基值在60-350mg KOH/g之间且平均羟基官能度在1.8-3.5之间。
8.根据权利要求1-4中任意一项所述的聚酯-环氧聚合物组合物,其中,所述聚酯-环氧聚合物组合物的玻璃化转变温度在-30℃至35℃之间。
9.根据权利要求8所述的聚酯-环氧聚合物组合物,其中,所述聚酯-环氧聚合物组合物的玻璃化转变温度在-5℃至25℃之间。
10.根据权利要求1-4中任意一项所述的聚酯-环氧聚合物组合物,其中,采用ASTMD412方法A测定的所述聚酯-环氧聚合物组合物的断裂伸长率为至少30%。
11.根据权利要求10所述的聚酯-环氧聚合物组合物,其中,采用ASTM D412方法A测定的所述聚酯-环氧聚合物组合物的断裂伸长率为至少80%。
12.一种涂层,包括权利要求1-11中任意一项所述的聚酯-环氧聚合物组合物。
13.一种弹性体或微孔弹性体,包括权利要求1-11中任意一项所述的聚酯-环氧聚合物组合物。
14.一种胶黏剂或密封剂,包括权利要求1-11中任意一项所述的聚酯-环氧聚合物组合物。
15.一种方法,包括在50℃至100℃的温度范围内加热混合物以制备聚酯-环氧聚合物组合物,该混合物包括聚环氧化合物和多元醇组合物,所述聚环氧化合物的当量在125-250g/eq.之间,所述多元醇组合物包括聚酯多元醇,其中所述聚酯多元醇的羟基值在50-400mg KOH/g之间,平均羟基官能度在1.5-4.0之间且酸值小于5mg KOH/g,其中所述聚环氧化合物的环氧当量与所述多元醇组合物的羟基当量的比值在0.8-3.5之间,采用差示扫描热量法测定的所述聚酯-环氧聚合物组合物的玻璃化转变温度在-40℃至60℃之间。
16.根据权利要求15所述的方法,其中,所述聚酯-环氧聚合物组合物为涂层、胶黏剂、密封剂或弹性体。
17.根据权利要求15或16所述的方法,其中,所述加热在叔胺催化剂的存在下进行。
18.根据权利要求15或16所述的方法,其中,所述多元醇组合物包括芳香族聚酯多元醇或者芳香族聚酯多元醇与脂肪族聚酯多元醇的组合物。
19.根据权利要求15或16所述的方法,其中,所述多元醇组合物包括脂肪族聚酯多元醇。
20.根据权利要求15或16所述的方法,其中,所述聚酯-环氧聚合物组合物的玻璃化转变温度在-30℃至35℃之间。
21.一种方法,包括将聚环氧化合物和多元醇组合物在催化剂存在下进行反应以制备聚酯-环氧聚合物组合物,所述催化剂包括碱或路易斯酸化合物,所述聚环氧化合物的当量在125-250g/eq.之间,所述多元醇组合物包括聚酯多元醇;其中所述聚酯多元醇的羟基值在50-400mg KOH/g之间,平均羟基官能度在1.5-4.0之间且酸值小于5mg KOH/g,其中所述聚环氧化合物的环氧当量与所述多元醇组合物的羟基当量的比值在0.8-3.5之间,采用差示扫描热量法测定的聚酯-环氧聚合物组合物的玻璃化转变温度在-40℃至60℃之间。
22.根据权利要求21所述的方法,其中,所述催化剂包括路易斯酸化合物。
23.根据权利要求22所述的方法,其中,所述催化剂包括三氟化硼与胺、醚、醇、多元醇的配合物或其组合。
24.根据权利要求21-23中任意一项所述的方法,其中,所述反应在0℃至45℃的温度范围内进行。
25.根据权利要求21-23中任意一项所述的方法,其中,所述多元醇组合物包括芳香族聚酯多元醇或者芳香族聚酯多元醇与脂肪族聚酯多元醇的组合物。
26.根据权利要求21-23中任意一项所述的方法,其中,所述多元醇组合物包括脂肪族聚酯多元醇。
27.根据权利要求21-23中任意一项所述的方法,其中,所述聚酯-环氧聚合物组合物为涂层、胶黏剂、密封剂或弹性体。
28.根据权利要求21-23中任意一项所述的方法,其中,所述聚环氧化合物和多元醇化合物在环氧/羟基指数为100-350之间进行反应,所述环氧/羟基指数为环氧/OH当量比值乘以100,其中,所述环氧/OH当量比值为聚环氧化合物的环氧当量与多元醇组合物的羟基当量的比值。
29.根据权利要求28所述的方法,其中,所述聚环氧化合物和多元醇化合物在环氧/羟基指数为135-330之间进行反应。
30.根据权利要求21-23中任意一项所述的方法,其中,所述聚酯-环氧聚合物组合物的玻璃化转变温度在-30℃至35℃之间。
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