CN111471174B - 一种自干型水性非异氰酸酯聚氨酯 - Google Patents

一种自干型水性非异氰酸酯聚氨酯 Download PDF

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Abstract

本发明属于高分子材料领域。本发明涉及一种自干型水性非异氰酸酯聚氨酯及其涂料，该方法甘油环碳酸酯(A)、均苯四酸酐(B)、辛基‑2‑丙烯基环氧辛酸酯(C)和二元胺(D)作为原料，经多步反应制备新型自干型水性非异氰酸酯聚氨酯并将其制漆。该新型自干型水性非异氰酸酯聚氨酯不仅有效解决了现有水性聚氨酯合成过程中使用有毒性异氰酸酯或水性聚氨酯涂料耐水性不佳等问题，还具有优异的物理性能，且施工操作方便。可以预见，该材料将会迎来广阔的市场空间，尤其适用家具木器漆、厨卫涂层等领域。

Description

一种自干型水性非异氰酸酯聚氨酯
技术领域
本发明涉及一种自干型水性非异氰酸酯聚氨酯及其涂料。本发明属于高分子材料领域。
背景技术
聚氨酯具有良好的耐磨、耐低温和耐油等性能，广泛应用于泡沫、涂料、粘合剂等领域。传统聚氨酯一般由异氰酸酯与聚醚多元醇反应制备，这使得聚氨酯中不可避免的含有游离异氰酸酯。常用的异氰酸酯，如甲苯二异氰酸酯(TDI)，挥发性大，反应快，毒性也较大，严重的将导致死亡。
针对传统聚氨酯的缺点，各国非常重视非异氰酸酯聚氨酯(NIPU)的合成研究，NIPU是由环碳酸酯寡聚体与伯胺寡聚体反应而成的新一代环保型聚氨酯，它不以异氰酸酯为原料，可彻底改变聚氨酯行业高危、高毒、高污染的现状，在保留了传统聚氨酯材料的优良力学性能，而且由于其主链结构上存在分子内氢键，极大降低了产物的可水解性和亲水性，使这种材料的抗化学介质性能比传统聚氨酯材料高1.5-2倍。目前NIPU的研究以溶剂型为主，随着各国对有机溶剂排放的严格限制，实现NIPU的水性化势在必行。
鉴于上述因素，科研人员需要积极研发水性NIPU材料，同时考虑到涂料的施工方式受限于不同环境、基材等因素，开发一种自干型水性NIPU材料，解决传统聚氨酯材料的缺陷显得更有意义。
发明内容
本发明的目的是针对现有水性聚氨酯合成过程中使用有毒性异氰酸酯或水性聚氨酯涂料耐水性不佳等问题，提供了一种自干型水性非异氰酸酯聚氨酯及其涂料，其使用甘油环碳酸酯(A)、均苯四酸酐(B)、辛基-2-丙烯基环氧辛酸酯(C)和二元胺(D)作为原料，经多步反应制备新型自干型水性非异氰酸酯聚氨酯，在具有高光泽度、施工方便的同时，具有优异的物理性能，可以预见，该材料将会迎来广阔的市场前景，尤其适用家具木器漆、厨卫涂层等领域。
本发明解决其技术问题所采用的技术方案是：
一种自干型水性非异氰酸酯聚氨酯，其结构式如下所示：
Figure BDA0002492428620000021
其中，-R-为-C2H4-、-C4H9N-、-C6H14N2-、-C6H10O2-或-C10H20-。
一种自干型水性非异氰酸酯聚氨酯的制备方法，其特征在于：包含以下步骤：
(1)将2-2.2mol甘油环碳酸酯(A)、1mol均苯四酸酐(B)、2wt％对甲苯磺酸溶解在50mol二氯甲烷加入反应瓶中，75-95℃下回流反应6-9h；静置冷却，用无水硫酸钠干燥，旋蒸，得到中间产物I；
所述对甲苯磺酸用量为甘油环碳酸酯(A)、均苯四酸酐(B)总质量的百分比；
(2)将含有1mol I、2-2.2mol辛基-2-丙烯基环氧辛酸酯(C)、1wt％阻聚剂溶解在80mol DMF中，升温到80-90℃反应至酸值恒定，得到中间产物II；
所述阻聚剂用量为辛基-2-丙烯基环氧辛酸酯(C)质量的百分比；
(3)将含有1mol II、1-1.2mol二元胺(D)、溶解在80mol DMF中，升温到80-100℃反应6-8h，再升温到100-120℃反应1-2h，减压脱除溶剂得到产物III；将含有2-5％乳化剂的去离子水以5000r/min高速搅拌，将III缓慢加到去离子水中，滴加0.05-1％消泡剂，继续搅拌1h，得到固含45-60％的自干型水性非异氰酸酯聚氨酯乳液；
所述乳化剂、消泡剂a用量为总乳液质量的百分比。
作为优选，所述阻聚剂为甲基氢醌、对羟基苯甲醚、2-叔丁基对苯二酚或2,5-二叔丁基对苯二酚。
作为优选，所述二元胺为乙二胺、二乙烯三胺、三乙烯四胺、赖氨酸或癸二胺。
作为优选，所述乳化剂为：烷基酚聚氧乙烯醚、脂肪醇聚氧乙烯醚、聚乙二醇脂肪酸酯、烷基苯磺酸盐、α-烯烃磺酸盐或烷基磺酸盐。
作为优选，所述消泡剂a为水性有机硅消泡剂。
一种自干型水性非异氰酸酯聚氨酯涂料，由以下重量份的原料制成：45-60％固含自干型水性非异氰酸酯聚氨酯乳液70-90份，润湿剂0.1-0.5份，消泡剂b 0.2-1份，流平剂0.5-1.5份，成膜助剂1-4份，增稠剂0.5-2份，防霉剂0.2-1.5份，催干剂0.1-0.3份，去离子水5-25份；
准确称取自干型水性非异氰酸酯聚氨酯乳液置于分散机中，在600r/min下预分散15min；加入预混合的去离子水和成膜溶剂，然后按配方依次加入其他润湿剂、消泡剂b、流平剂、增稠剂、防霉剂、催干剂，继续搅拌20min，调节体系黏度适合喷涂，过滤，即得自干型水性非异氰酸酯聚氨酯涂料。
作为优选，所述成膜助剂为乙二醇丁醚、二乙二醇丁醚、丙二醇甲醚、二丙二醇甲醚、丙二醇丁醚或二丙二醇丁醚。
作为优选，所述防霉剂为4,5-二氯-N-心机-4-异噻唑啉-3-酮(DCOIT)、丁氨基甲酸-3-碘代-2-丙炔基酯(IPBC)、2-辛基-4-异噻唑啉-3-酮、苯并咪唑中的一种或几种。
本发明的提供的新型自干型水性非异氰酸酯聚氨酯，其制备流程如下：
Figure BDA0002492428620000031
本发明的有益效果：
(1)本发明提供了一种自干型水性非异氰酸酯聚氨酯的制备方法，采用甘油环碳酸酯(A)、均苯四酸酐(B)、辛基-2-丙烯基环氧辛酸酯(C)和二元胺(D)作为原料，制备新型自干型水性非异氰酸酯聚氨酯，解决了现有水性聚氨酯合成过程中使用有毒性异氰酸酯或水性聚氨酯涂料耐水性不佳等问题，同时反应步骤简单，易于操作。
(2)本发明提供了一种自干型水性非异氰酸酯聚氨酯及其涂料，目标产物含有长链环氧烯丙基醚结构。首先，环氧结构作为反应点进行接枝，并提供羟基；第二，烯丙基醚结构存在并达到一定数量，其乳液存在室温自干性的可能并进一步提高耐水性；第三，成膜后的漆膜由于脂肪酸长碳链结构而具有很好的耐水性。
(3)本发明提供了一种自干型水性非异氰酸酯聚氨酯及其涂料，目标产物中的二元胺结构。可根据涂料使用环境进行分子结构灵活设计，选择水溶性二胺、油溶性二胺或胍基抗菌二元胺等。
(4)本发明提供了一种自干型水性非异氰酸酯聚氨酯，通过分子设计，采用化学改性手段，解决了现有问题的同时，使材料具有高光泽度并且具有更好的物理性能。此外，该目标产物中的NIPU结构，形成分子内氢键，相比传统聚氨酯具有更好的耐水性。可以预见，该材料将会迎来广阔的市场前景。
具体实施方式：
以下结合实施例对本发明进行详细说明。但应理解，以下实施例仅是对本发明实施方式的举例说明，而非是对本发明的范围限定。
实施例1
自干型水性非异氰酸酯聚氨酯的制备步骤如下：
(1)将2.1mol甘油环碳酸酯(A)、1mol均苯四酸酐(B)、2wt％对甲苯磺酸溶解在50mol二氯甲烷加入反应瓶中，95℃下回流反应6h；静置冷却，用无水硫酸钠干燥，旋蒸，得到中间产物I；
所述对甲苯磺酸用量为甘油环碳酸酯(A)、均苯四酸酐(B)总质量的百分比；
其红外特征吸收峰数据如下：IR：1801cm-1：环碳酸酯-C＝O存在；1744cm-1：酯-C＝O存在；3450cm-1：-OH存在。
(2)将含有1mol I、2.2mol辛基-2-丙烯基环氧辛酸酯(C)、1wt％甲基氢醌溶解在80mol DMF中，升温到80℃反应至酸值恒定，得到中间产物II；
所述甲基氢醌用量为辛基-2-丙烯基环氧辛酸酯(C)质量的百分比；
其红外特征吸收峰数据如下：IR：1802cm-1：环碳酸酯-C＝O存在；1744cm-1：酯-C＝O存在；1620cm-1：-C＝C-存在；911cm-1：环氧基消失；3450cm-1：-OH存在。
(3)将含有1mol II、1.1mol乙二胺(D)、溶解在80mol DMF中，升温到100℃反应6h，再升温到120℃反应1h，减压脱除溶剂得到产物III；将含有3％烷基酚聚氧乙烯醚的去离子水以5000r/min高速搅拌，将III缓慢加到去离子水中，滴加0.5％水性有机硅消泡剂，继续搅拌1h，得到固含50％的自干型水性非异氰酸酯聚氨酯乳液；
所述烷基酚聚氧乙烯醚、水性有机硅消泡剂用量为总乳液质量的百分比。
其红外特征吸收峰数据如下：IR：1802cm-1：环碳酸酯-C＝O消失；1744cm-1：酯-C＝O存在；1731cm-1：氨酯键-C＝O肩峰存在；3447cm-1：-OH存在；3394cm-1：氨基存在。
其特征峰核磁共振数据如下：1H NMR(400MHz，CDCl3,δppm)：1.25(m，52H，-CH2-)；2.27(t，12H，-CH2CO-)；1.01(t，6H，-CH3)；3.73(m，4H，-CH-)；4.36(2H，-CHOO-)；3.20(q，4H，-CH2-)；4.74(s，4H，-OH)；7.41(s，2H，-NH-)；8.11(s，2H，苯环)；6.95(2H，-CHO-)；5.21,5.26(4H，＝CH2)。
自干型水性非异氰酸酯聚氨酯涂料制备配方及工艺如下：
本发明中所涉及助剂如无特别标注，均为以下所述：润湿剂为Tego 500；消泡剂b为Tego901W；流平剂为BYK-380N；增稠剂为SN-603；催干剂为JK-S01B。
一种自干型水性非异氰酸酯聚氨酯涂料，由以下重量份的原料制成：50％固含自干型水性非异氰酸酯聚氨酯乳液90份，润湿剂0.3份，消泡剂b 0.5份，流平剂1份，成膜助剂乙二醇丁醚2份，增稠剂0.5份，4,5-二氯-N-心机-4-异噻唑啉-3-酮(DCOIT)防霉剂1份，催干剂0.2份，去离子水10份；
准确称取自干型水性非异氰酸酯聚氨酯乳液置于分散机中，在600r/min下预分散15min；加入预混合的去离子水和成膜溶剂，然后按配方依次加入其他润湿剂、消泡剂b、流平剂、增稠剂、防霉剂、催干剂，继续搅拌20min，调节体系黏度适合喷涂，过滤，即得自干型水性非异氰酸酯聚氨酯涂料。
具体实施例2-6，其他同具体实施例1，不同之处在于下表：
Figure BDA0002492428620000051
Figure BDA0002492428620000061
对比例1-3均与具体实施例1的自干型水性非异氰酸酯聚氨酯涂料进行对比。
对比例1
一种自干型水性聚氨酯涂料，包含以下重量份原料：
常用水性自干型聚氨酯乳液(50％) 90份；
润湿剂 0.3份；
消泡剂b 0.5份；
流平剂 1份；
成膜助剂乙二醇丁醚 2份
增稠剂 0.5份
防霉剂DCOIT 1份；
催干剂 0.2份；
去离子水 10份。
对比例2
一种自干型水性非异氰酸酯聚氨酯涂料，包含以下重量份原料：
常用自干型水性非异氰酸酯聚氨酯(50％) 90份；
润湿剂 0.3份；
消泡剂b 0.5份；
流平剂 1份；
成膜助剂乙二醇丁醚 2份
增稠剂 0.5份
防霉剂DCOIT 1份；
催干剂 0.2份；
去离子水 10份。
对比例3
一种自干型水性非异氰酸酯聚氨酯涂料，包含以下重量份原料：
常用自干型水性非异氰酸酯聚氨酯(50％) 90份；
润湿剂 0.3份；
消泡剂b 0.5份；
流平剂 1份；
成膜助剂乙二醇丁醚 2份
增稠剂 0.5份
防霉剂DCOIT 1份；
疏水剂AD3105 3份；
催干剂 0.2份；
去离子水 10份。
将上述具体实施例1-6及对比例1-3按以下工艺进行应用：
将原材料按重量份混合，喷涂于马口铁上，再放在80℃的烘箱中烘10min，取出自干成膜。
分别测定本发明具体实施例1-6、实施对比例1-3制备的涂料的物理性能，包括光泽、附着力、冲击、铅笔硬度、耐水性、干燥性、抗菌性，结果如表1所示。
表1各实施例物理测试性能
Figure BDA0002492428620000081
首先，从表1中可以看出，本发明的自干型水性非异氰酸酯聚氨酯与常用水性聚氨酯相比，本发明产品含有酯基长碳链结构具有较好的疏水性及柔性，故具有较好的耐水性、光泽和冲击等物理性能；
第二，本发明的自干型水性非异氰酸酯聚氨酯与常用水性聚氨酯相比，本发明产品含有NIPU结构，形成分子内氢键，故具有更加优异的耐水性和硬度等物理性能；
第三，本发明的自干型水性非异氰酸酯聚氨酯与常用水性聚氨酯相比，本发明产品侧基还有烯丙基醚结构，具有较好的自干性，同时交联密度的增大，进一步提高材料的耐水性。
综合而言，与现有同类水性聚氨酯相比，本发明的自干型水性非异氰酸酯聚氨酯不仅解决了现有水性聚氨酯合成过程中使用有毒性异氰酸酯或水性聚氨酯涂料耐水性不佳等问题，同时具有更好的物理性能，且自干型涂料施工操作方便。可以预见，该材料将会迎来广阔的市场前景，尤其适用家具木器漆、厨卫涂层等领域。
其中测试方法如下：
(1)光泽：按照GB/T9754-2007标准测定铅笔硬度。
(2)附着力：按照GB/T 9286-1998标准采用划格法对清漆涂层的附着力进行测试。
(3)冲击：按照GB/T1732-93标准进行测试。
(4)硬度：按照GB/T 6739-2006标准进行测试。
(5)耐水性：按照HG/T 3655-2012标准进行测试。耐水性表示方法：5为最优(无异常)，1为最差。
(6)干燥时间：按照GB/T 1728-1989标准进行测试。
(7)抗霉菌性：按照HG/T 3950-2007《抗菌涂料》标准进行测试。
以上述依据本发明的理想实施例为启示，通过上述的说明内容，相关工作人员完全可以在不偏离本项发明技术思想的范围内，进行多样的变更以及修改。本项发明的技术性范围并不局限于说明书上的内容，必须要根据权利要求范围来确定其技术性范围。

Claims (7)

1.一种自干型水性非异氰酸酯聚氨酯，其特征在于，其结构式如下所示：
Figure DEST_PATH_IMAGE002
，
其中，-R-来源于二元胺的结构，所述二元胺为乙二胺、二乙烯三胺、三乙烯四胺、赖氨酸或癸二胺；
所述自干型水性非异氰酸酯聚氨酯的制备方法，包含以下步骤：
（1）将2-2.2moL甘油环碳酸酯、1moL均苯四酸酐、2wt％对甲苯磺酸溶解在50moL二氯甲烷加入反应瓶中，75-95℃下回流反应6-9h；静置冷却，用无水硫酸钠干燥，旋蒸，得到中间产物I；
所述对甲苯磺酸用量为甘油环碳酸酯、均苯四酸酐总质量的百分比；
（2）将含有1moL I、2-2.2moL辛基-2-丙烯基环氧辛酸酯、1wt％阻聚剂溶解在80moLDMF中，升温到80-90℃反应至酸值恒定，得到中间产物II；
所述阻聚剂用量为辛基-2-丙烯基环氧辛酸酯质量的百分比；
（3）将含有1moL II、1-1.2moL二元胺、溶解在80moL DMF中，升温到80-100℃反应6-8h，再升温到100-120℃反应1-2h，减压脱除溶剂得到产物III；将含有2-5％乳化剂的去离子水以5000r/min高速搅拌，将III缓慢加到去离子水中，滴加0.05-1％消泡剂a，继续搅拌1h，得到固含45-60％的自干型水性非异氰酸酯聚氨酯乳液；
所述乳化剂、消泡剂a用量为总乳液质量的百分比。
2.根据权利要求1所述的一种自干型水性非异氰酸酯聚氨酯的制备方法，其特征在于：所述阻聚剂为甲基氢醌、对羟基苯甲醚、2-叔丁基对苯二酚或2,5-二叔丁基对苯二酚。
3.根据权利要求1所述的一种自干型水性非异氰酸酯聚氨酯的制备方法，其特征在于：所述乳化剂为：烷基酚聚氧乙烯醚、脂肪醇聚氧乙烯醚、聚乙二醇脂肪酸酯、烷基苯磺酸盐、α-烯烃磺酸盐或烷基磺酸盐。
4.根据权利要求1所述的一种自干型水性非异氰酸酯聚氨酯的制备方法，其特征在于：所述消泡剂为水性有机硅消泡剂。
5.根据权利要求1所述的一种自干型水性非异氰酸酯聚氨酯制备的涂料，其特征在于：由以下重量份的原料制成：45-60％固含自干型水性非异氰酸酯聚氨酯乳液70-90份，润湿剂0.1-0.5份，消泡剂b 0.2-1份，流平剂0.5-1.5份，成膜助剂1-4份，增稠剂0.5-2份，防霉剂0.2-1.5份，催干剂0.1-0.3份，去离子水5-25份；
准确称取自干型水性非异氰酸酯聚氨酯乳液置于分散机中，在600r/min下预分散15min；加入预混合的去离子水和成膜助 剂，然后按配方依次加入其他润湿剂、消泡剂b、流平剂、增稠剂、防霉剂、催干剂，继续搅拌20min，调节体系黏度适合喷涂，过滤，即得自干型水性非异氰酸酯聚氨酯涂料。
6.根据权利要求5所述的一种自干型水性非异氰酸酯聚氨酯制备的涂料，其特征在于：所述成膜助剂为乙二醇丁醚、二乙二醇丁醚、丙二醇甲醚、二丙二醇甲醚、丙二醇丁醚或二丙二醇丁醚。
7.根据权利要求5所述的一种自干型水性非异氰酸酯聚氨酯制备的涂料，其特征在于：所述防霉剂为4,5-二氯-N-辛基-4-异噻唑啉-3-酮、丁氨基甲酸-3-碘代-2-丙炔基酯、2-辛基-4-异噻唑啉-3-酮、苯并咪唑中的一种或几种。
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