CN114773573A - 一种阻燃改性聚氨酯树脂及其制备方法和应用 - Google Patents
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Abstract
本发明提供一种阻燃改性聚氨酯树脂及其制备方法和应用,所述阻燃改性聚氨酯树脂的制备原料包括聚氨酯预聚体、聚氨酯树脂、亲水扩链剂、封端剂、中和剂、水合肼和有机磷酸酯阻燃剂的组合;通过在制备原料中引入有机磷酸酯阻燃剂,搭配添加亲水扩链剂和水合肼作为后扩链剂,最大程度地发挥了聚氨酯树脂本身的特性,使得到的阻燃改性聚氨酯树脂具有更好的阻燃性、耐水性、耐醇性、耐热性和机械性能,且干燥速度较快,进而使固化后的聚氨酯产品的阻燃性更加优异。
Description
技术领域
本发明属于聚氨酯技术领域,具体涉及一种阻燃改性聚氨酯树脂及其制备方法和应用。
背景技术
聚氨酯广泛应用于机电、化工、土木建筑、轻工以及纺织等部门,产品与品种逐年递增,在材料工业中占有相当重要的比例,且聚氨酯树脂的产量/消费量,仅次于聚乙烯(PE)、聚氯乙烯(PVC)、聚丙烯(PP)、聚苯乙烯(PS)等塑料品种位居第五。并且其产品包括从基本原料到制品和机械设备,已具有相当的规模。
溶剂型聚氨酯树脂产品在制备过程中仍需要大量的有机溶剂进行稀释,进而会导致大量挥发性有机化合物(VOC)的排放,对环境和人体健康造成极大的威胁,而水性聚氨酯树脂产品,也称水分散聚氨酯、水系聚氨酯或水基聚氨酯溶剂型聚氨酯相比,具有无毒、节能、成本低、安全、不污染环境等优点。但是水性聚氨酯树脂成膜后的相对分子质量较低,且主链多为线性结构并含有一定的亲水基团,成膜后往往表现出耐水性以及阻燃性不理想的问题,在使用时存在易燃的风险,对人生和财产安全造成威胁,因此,对水性聚氨酯产品进行阻燃处理,以弥补该产品的技术缺点和问题,是目前本领域研究的重点问题。
CN113061418A公开了一种阻燃聚氨酯水性乳液,由包括以下组分的原料制得:聚己二酸己二醇酯15~20wt%;甲苯二异氰酸酯10~15wt%;2,2-二羟甲基丙酸5~10wt%;阻燃填料1~5wt%;氧化石墨烯0.1~0.5wt%;杀菌剂0.5~1wt%;消泡剂0.1~0.5wt%;余量的水。该发明提供的阻燃聚氨酯水性乳液采用特定含量组分,实现整体较好的相互作用,降低材料燃烧热、阻止涂层热交换,在保证涂层粘结力的同时提高阻燃能力,因此提高了现有聚氨酯涂层的阻燃性能,降低燃烧热释放速率;同时完全水性的配方几乎不会有任何残留,符合环保、易用、稳定的市场要求;并且,该阻燃型聚氨酯乳液实现氧化石墨烯的高效利用,即可以用很少的添加量高效提高阻燃能力,降低了因石墨烯价格问题而造成无法大批量使用的市场风险。CN108976370A公开了一种疏水阻燃的聚氨酯弹性体的制备方法,涉及聚氨酯制备技术领域,包括以下步骤:将季戊四醇加入三氯氧磷中,升温反应,得物料a,加入甲苯、三乙胺,升温,滴加双羟甲基甲基氧化磷,反应得物料b;将十六烷基三甲基溴化铵加入水中,加入碳纳米管、白炭黑、纳米碳酸钙,超声,球磨处理,得物料c;向聚己内酯二元醇中加入物料b、4,4’-二苯基甲烷二异氰酸酯,搅拌反应,得聚氨酯预聚体;向预聚体中加入二丁基锡二月桂酸酯、1,4-丁二醇、聚醚多元醇330N、季戊四醇、羟基氟丙乳液、物料c、邻苯二甲酸二甲酯,搅拌反应,倒入模具,干燥,熟化,即得聚氨酯弹性体;该发明制得的聚氨酯弹性体具有优异的阻燃、耐水性能,综合力学性能好。但是,现有技术中提供的阻燃水性聚氨酯树脂产品在阻燃性和耐水性能仍有待提高,不能满足现有需求。
因此,开发一种具有优异的阻燃性和耐水性的阻燃改性聚氨酯树脂,是本领域急需解决的技术问题。
发明内容
针对现有技术的不足,本发明的目的在于提供一种阻燃改性聚氨酯树脂及其制备方法和应用,所述阻燃改性聚氨酯树脂具有优异的阻燃性、耐水性、耐醇性、耐热性和机械性能,能够降低其在使用过程中产生的火灾隐患。
为达到此发明目的,本发明采用以下技术方案:
第一方面,本发明提供一种阻燃改性聚氨酯树脂,所述阻燃改性聚氨酯树脂的制备原料按照重量份包括如下组分:
其中,所述聚氨酯树脂可以为11重量份、12重量份、13重量份、14重量份、15重量份、16重量份、17重量份、18重量份或19重量份等。
所述亲水性扩链剂可以为5.5重量份、6重量份、6.5重量份、7重量份、7.5重量份、8重量份、8.5重量份、9重量份或9.5重量份等。
所述封端剂可以为1.5重量份、2重量份、2.5重量份、3重量份、3.5重量份、4重量份或4.5重量份等。
所述中和剂可以为6重量份、7重量份、8重量份、9重量份、10重量份或11重量份等。
所述水合肼可以为4.2重量份、4.4重量份、4.6重量份、4.8重量份、5重量份、5.2重量份、5.4重量份、5.6重量份或5.8重量份等。
所述有机磷酸酯阻燃剂可以为4.5重量份、5重量份、5.5重量份、6重量份、6.5重量份、7重量份或7.5重量份等。
本发明提供的阻燃改性聚氨酯树脂通过在制备原料中添加有机磷酸酯阻燃剂,进而对聚氨酯树脂进行了有效的阻燃改性,使得到的阻燃改性聚氨酯树脂具有优异的阻燃安全性及优良的电气性能;搭配加入亲水性扩链剂以及水合肼作为后扩链剂,结合水性聚氨酯本身具有的刚性连段和柔性连段的特点,最大程度发挥了聚氨酯树脂本身的特性;最后搭配加入聚氨酯树脂,中和并降低聚氨酯预聚体中的异氰酸根的比例,从而能大大增加最终得到的聚氨酯树脂的储存稳定性,使最终得到的阻燃改性聚氨酯树脂具有更好的阻燃性、耐水性、耐醇性、耐热性和机械性能,且干燥速度较快,进而固化后的产品的阻燃性更加优异。
优选地,所述聚氨酯预聚体通过聚醚二醇、聚丙二醇和二异氰酸酯反应得到。
优选地,所述聚醚二醇和聚丙二醇的质量比为1:(0.5~0.8),例如1:0.53、1:0.56、1:0.59、1:0.62、1:0.65、1:0.68、1:0.71、1:0.74或1:0.77等。
优选地,所述聚醚二醇和二异氰酸酯的质量比为1:(0.5~0.8),例如1:0.53、1:0.56、1:0.59、1:0.62、1:0.65、1:0.68、1:0.71、1:0.74或1:0.77等。
优选地,所述反应的温度为90~110℃,例如92℃、94℃、96℃、98℃、100℃、102℃、104℃、106℃或108℃等。
优选地,所述反应的时间为3~5h,例如3.2h、3.4h、3.6h、3.8h、4h、4.2h、4.4h、4.6h或4.8h等。
优选地,所述亲水扩链剂包括二羟甲基丙酸和/或二羟甲基丁酸。
优选地,所述封端剂包括丙烯酸、甲基丙烯酸羟乙酯或季戊四醇三丙烯酸酯中的任意一种或至少两种的组合。
有优选地,所述中和剂包括三乙胺。
优选地,所述有机磷酸酯阻燃剂包括磷酸三甲苯酯、磷酸三苯酯或磷酸三(2-氯乙基)酯中的任意一种或至少两种的组合。
第二方面,本发明提供一种如第一方面所述阻燃改性聚氨酯树脂的制备方法,所述制备方法包括如下步骤:
(1)将聚氨酯预聚体和聚氨酯树脂进行反应,加入亲水扩链剂进行反应,再加入封端剂进行反应,最后加入中和剂进行反应,得到聚氨酯乳液;
(2)将步骤(1)得到的聚氨酯乳液、水合肼溶液和有机磷酸酯阻燃剂进行反应,得到所述阻燃改性聚氨酯树脂。
优选地,步骤(1)所述聚氨酯预聚体和聚氨酯树脂进行反应的反应温度为80~90℃,例如81℃、82℃、83℃、84℃、85℃、86℃、87℃、88℃或89℃等。
优选地,步骤(1)所述聚氨酯预聚体和聚氨酯树脂进行反应的反应时间为2~4h,例如2.2h、2.4h、2.6h、2.8h、3h、3.2h、3.4h、3.6h或3.8h等。
优选地,步骤(1)所述加入亲水扩链剂进行反应的反应时间为3~5h,例如3.2h、3.4h、3.6h、3.8h、4h、4.2h、4.4h、4.6h或4.8h等。
优选地,步骤(1)所述再加入封端剂进行反应的反应温度不高于50℃,例如45℃、40℃、35℃、30℃、25℃、20℃或15℃等。
优选地,步骤(1)所述最后加入中和剂进行反应的反应温度为20~30℃,例如21℃、22℃、23℃、24℃、25℃、26℃、27℃、28℃或29℃等。
优选地,步骤(1)所述最后加入中和剂进行反应的反应时间为2~4h,例如2.2h、2.4h、2.6h、2.8h、3h、3.2h、3.4h、3.6或3.8h等。
优选地,步骤(1)所述最后加入中和剂进行反应在搅拌的条件下进行,进一步优选为在转速为50~150r/min(例如60r/min、70r/min、80r/min、90r/min、100r/min、110r/min、120r/min、130r/min或140r/min等)的搅拌条件下进行。
优选地,步骤(2)所述反应的时间为3~5h,例如3.2h、3.4h、3.6h、3.8h、4h、4.2h、4.4h、4.6h或4.8h等。
优选地,步骤(2)所述反应的温度为85~100℃,例如87℃、89℃、91℃、93℃、95℃、97℃或99℃等。
优选地,所述制备方法包括如下步骤:
(1)将聚氨酯预聚体和聚氨酯树脂在80~90℃下反应2~4h,加入亲水扩链剂继续反应3~5h,再加入封端剂在不高于50℃下进行反应,最后加入中和剂在20~30℃下反应2~4h,得到聚氨酯乳液;
(2)将步骤(1)得到的聚氨酯乳液、水合肼溶液和有机磷酸酯阻燃剂在转速为50~150r/min的搅拌条件以及85~100℃下反应3~5h,得到所述阻燃改性聚氨酯树脂。
第三方面,本发明提供一种如第三方面所述的阻燃改性聚氨酯树脂在机电设备或土木建筑中的应用。
相对于现有技术,本发明具有以下有益效果:
本发明提供的阻燃改性聚氨酯树脂的制备原料包括聚氨酯预聚体、聚氨酯树脂、二异氰酸酯、亲水扩链剂、封端剂、中和剂、水合肼和有机磷酸酯阻燃剂的组合,通过在制备原料中添加有机磷酸酯阻燃剂搭配亲水封端剂和水合肼,有效提高了聚氨酯树脂的阻燃安全性及电气性能,最大程度地发挥了聚氨酯树脂本身兼具柔性和刚性链段的特性,使最终得到的阻燃改性聚氨酯树脂的阻燃性均可以达到V0级别,具有优异的阻燃性能;耐水性和耐醇性能测试均为合格,甚至达到优,具有优异的耐水性和耐醇性;耐热性测试显示可以耐92~120℃的高温,具有优异的耐热性;拉伸性能为163~185MPa,冲击强度为9.1~15kJ/m2,具有优异的机械性能,综合性能优异。
具体实施方式
下面通过具体实施方式来进一步说明本发明的技术方案。本领域技术人员应该明了,所述实施例仅仅是帮助理解本发明,不应视为对本发明的具体限制。
制备例1
一种聚氨酯预聚体,其制备方法包括:将聚醚二醇(南通市晗泰化工有限公司、PPG220)、聚丙二醇(广州恒宇化工有限公司、PPG600)和二异氰酸酯(山东凯斯通化学有限公司、二异氰酸酯DI)按照质量比1:0.7:0.7进行脱水反应,得到聚氨酯预聚体。
制备例2
一种聚氨酯预聚体,其制备方法包括:将聚醚二醇(南通市晗泰化工有限公司、PPG220)和二异氰酸酯(山东凯斯通化学有限公司、二异氰酸酯DI)按照质量比1.7:0.7进行脱水反应,得到聚氨酯预聚体。
制备例3
一种聚氨酯预聚体,其制备方法包括:将聚丙二醇(广州恒宇化工有限公司、PPG600)和二异氰酸酯(山东凯斯通化学有限公司、二异氰酸酯DI)按照质量比1.7:0.7进行脱水反应,得到聚氨酯预聚体。
制备例4
一种聚氨酯预聚体,其制备方法包括:将聚醚二醇(南通市晗泰化工有限公司、PPG220)、聚丙二醇(广州恒宇化工有限公司、PPG600)和二异氰酸酯(山东凯斯通化学有限公司、二异氰酸酯DI)按照质量比1:0.3:0.5进行脱水反应,得到聚氨酯预聚体。
制备例5
一种聚氨酯预聚体,其制备方法包括:将聚醚二醇(南通市晗泰化工有限公司、PPG220)、聚丙二醇(广州恒宇化工有限公司、PPG600)和二异氰酸酯(山东凯斯通化学有限公司、二异氰酸酯DI)按照质量比1:1:0.5进行脱水反应,得到聚氨酯预聚体。
实施例1
一种阻燃改性聚氨酯树脂,其制备原料按照重量份包括如下组分:
本实施例提供的阻燃改性聚氨酯树脂的制备方法包括如下步骤:
(1)将聚氨酯预聚体(制备例1)和聚氨酯树脂(惠州聚邦树脂有限公司、HY-560)在85℃下反应3h,加入二羟甲基丙酸继续反应4h,再加入甲基丙烯酸羟乙酯在不高于50℃下进行反应,直至异氰酸根测定完全反应,最后加入三乙胺在25℃下反应3h,得到聚氨酯乳液;
(2)将步骤(1)得到的聚氨酯乳液、水合肼溶液和磷酸三甲苯酯在转速为100r/min的搅拌条件以及90℃下反应4h,得到所述阻燃改性聚氨酯树脂。
实施例2
一种阻燃改性聚氨酯树脂,其制备原料按照重量份包括如下组分:
本实施例提供的阻燃改性聚氨酯树脂的制备方法包括如下步骤:
(1)将聚氨酯预聚体(制备例1)和聚氨酯树脂(惠州聚邦树脂有限公司、HY-560)在80℃下反应4h,加入二羟甲基丁酸继续反应3h,再加入季戊四醇三丙烯酸酯在不高于50℃下进行反应,直至异氰酸根测定完全反应,最后加入三乙胺在20℃下反应4h,得到聚氨酯乳液;
(2)将步骤(1)得到的聚氨酯乳液、水合肼溶液和磷酸三苯酯在转速为150r/min的搅拌条件以及100℃下反应3h,得到所述阻燃改性聚氨酯树脂。
实施例3
一种阻燃改性聚氨酯树脂,其制备原料按照重量份包括如下组分:
本实施例提供的阻燃改性聚氨酯树脂的制备方法包括如下步骤:
(1)将聚氨酯预聚体(制备例1)和聚氨酯树脂(惠州聚邦树脂有限公司、HY-560)在90℃下反应2h,加入二羟甲基丁酸继续反应5h,再加入季戊四醇三丙烯酸酯在不高于50℃下进行反应,直至异氰酸根测定完全反应,最后加入三乙胺在30℃下反应2h,得到聚氨酯乳液;
(2)将步骤(1)得到的聚氨酯乳液、水合肼溶液和磷酸三苯酯在转速为50r/min的搅拌条件以及85℃下反应5h,得到所述阻燃改性聚氨酯树脂。
实施例4
一种阻燃改性聚氨酯树脂,其与实施例1的区别在于,采用制备例2得到的聚氨酯预聚体替换制备例1得到的聚氨酯预聚体,其他组分、用量和制备方法均与实施例1相同。
实施例5
一种阻燃改性聚氨酯树脂,其与实施例1的区别在于,采用制备例3得到的聚氨酯预聚体替换制备例1得到的聚氨酯预聚体,其他组分、用量和制备方法均与实施例1相同。
实施例6
一种阻燃改性聚氨酯树脂,其与实施例1的区别在于,采用制备例4得到的聚氨酯预聚体替换制备例1得到的聚氨酯预聚体,其他组分、用量和制备方法均与实施例1相同。
实施例7
一种阻燃改性聚氨酯树脂,其与实施例1的区别在于,采用制备例5得到的聚氨酯预聚体替换制备例1得到的聚氨酯预聚体,其他组分、用量和制备方法均与实施例1相同。
对比例1
一种阻燃改性聚氨酯树脂,其与实施例1的区别在于,聚氨酯树脂的添加量为5重量份,其他组分、用量和制备方法均与实施例1相同。
对比例2
一种阻燃改性聚氨酯树脂,其与实施例1的区别在于,聚氨酯树脂的添加量为30重量份,其他组分、用量和制备方法均与实施例1相同。
对比例3
一种阻燃改性聚氨酯树脂,其与实施例1的区别在于,没有添加水合肼,其他组分、用量和制备方法均与实施例1相同。
对比例4
一种阻燃改性聚氨酯树脂,其与实施例1的区别在于,没有添加磷酸三甲苯酯,其他组分、用量和制备方法均与实施例1相同。
对比例5
一种阻燃改性聚氨酯树脂,其与实施例1的区别在于,没有添加封端剂,其他组分、用量和制备方法均与实施例1相同。
对比例6
一种阻燃改性聚氨酯树脂,其与实施例1的区别在于,没有添加聚氨酯树脂,其他组分、用量和制备方法均与实施例1相同。
性能测试:
(1)阻燃性:按照《GBT5169.16-2008电工电子产品着火危险试验第16部分:试验火焰50W水平与垂直火焰试验方法》提供的测试方法进行测试;
(2)耐水性:按照《DIN EN ISO 62-2008塑料.吸水性测定》提供的方法进行测试;计算材料吸水前后质量变化率,质量变化率不高于0.1%为优,质量变化率高于0.1%但不高于0.5%为合格,质量变化率高于0.5%为不合格;
(3)耐醇性:把材料浸泡于50%的乙醇溶液中12h,观察材料表面是否发白,质地是否变软和发粘;材料表面不发白,且质地不变软、不发粘则记为优,材料表面出现少部分发白,但是质地不变软、不发粘则为合格,如果材料表面发白,且质地变软或发粘,则为不合格;
(4)耐热性:按照《GB T 11026.1-2003电气绝缘材料耐热性》提供的测试方法进行测试;
(5)拉伸性能:按照《GBT 10402-2006塑料拉伸性能的测定第2部分:模塑和挤塑塑料的试验条件》提供的测试方法进行测试;
(6)冲击强度:按照《GBT1043.1-2008简支梁冲击性能的测定》提供的测试方法进行测试。
按照上述测试方法对得到的阻燃改性聚氨酯树脂进行测试,测试结果如表1所示:
表1
根据表1数据可以看出:实施例1~7得到的阻燃改性聚氨酯树脂的阻燃性均可以达到V0级别,具有优异的阻燃性能;耐水性和耐醇性测试均为合格,甚至优,具有优异的耐水性和耐醇性;耐热性测试可以耐92~120℃的高温,具有优异的耐热性;拉伸性能为163~185MPa,冲击强度为9.1~15kJ/m2,具有优异的机械性能。
具体分析如下:
通过实施例1和对比例1~2、6的比较可以发现,制备原料中聚氨酯树脂的添加量较少(对比例)、较多(对比例2)或直接不添加聚氨酯树脂(对比例6),会使得到的阻燃改性聚氨酯树脂的耐水性和耐醇性会发生大幅度下降,甚至不合格,说明只有聚氨酯树脂的添加量在本发明限定的范围内,才能够得到耐水性和耐醇性最优异的阻燃改性聚氨酯树脂。
再比较实施例1和对比例3、4可以发现,制备原料中没有添加水合肼(对比例3)会使得到阻燃改性聚氨酯树脂阻燃性能发生降低;而制备原料中不添加磷酸三甲苯酯(对比例4)则会直接导致最终得到的聚氨酯树脂不具有阻燃性能。
进一步比较实施例1和对比例5可以发现,没有添加封端剂制备得到的阻燃改性聚氨酯树脂的耐水性和耐醇性均很差,同时耐热性以及机械性能也会降低。
再进一步比较实施例1和实施例4~5可以发现,没有采用本发明优选的制备原料制备得到的聚氨酯预聚体,进一步制备得到的阻燃改性聚氨酯树脂的耐热性和机械性能也会降低。
最后通过比较实施例1和实施例6~7可以发现,没有选择本发明优选的质量比制备得到的聚氨酯预聚体,进一步制备得到的阻燃改性聚氨酯树脂的耐水性和耐醇性会略有降低。
申请人声明,本发明通过上述实施例来说明一种阻燃改性聚氨酯树脂其制备方法和应用,但本发明并不局限于上述工艺步骤,即不意味着本发明必须依赖上述工艺步骤才能实施。所属技术领域的技术人员应该明了,对本发明的任何改进,对本发明所选用原料的等效替换及辅助成分的添加、具体方式的选择等,均落在本发明的保护范围和公开范围之内。
Claims (10)
2.根据权利要求1所述的阻燃改性聚氨酯树脂,其特征在于,所述聚氨酯预聚体通过聚醚二醇、聚丙二醇和二异氰酸酯反应得到;
优选地,所述聚醚二醇和聚丙二醇的质量比为1:(0.5~0.8);
优选地,所述聚醚二醇和二异氰酸酯的质量比为1:(0.5~0.8);
优选地,所述反应的温度为90~110℃;
优选地,所述反应的时间为3~5h。
3.根据权利要求1或2所述的阻燃改性聚氨酯树脂,其特征在于,所述亲水扩链剂包括二羟甲基丙酸和/或二羟甲基丁酸;
优选地,所述封端剂包括丙烯酸、甲基丙烯酸羟乙酯或季戊四醇三丙烯酸酯中的任意一种或至少两种的组合。
4.根据权利要求1~3任一项所述的阻燃改性聚氨酯树脂,其特征在于,所述中和剂包括三乙胺;
优选地,所述有机磷酸酯阻燃剂包括磷酸三甲苯酯、磷酸三苯酯或磷酸三(2-氯乙基)酯中的任意一种或至少两种的组合。
5.一种如权利要求1~4任一项所述阻燃改性聚氨酯树脂的制备方法,其特征在于,所述制备方法包括如下步骤:
(1)将聚氨酯预聚体和聚氨酯树脂进行反应,加入亲水扩链剂进行反应,再加入封端剂进行反应,最后加入中和剂进行反应,得到聚氨酯乳液;
(2)将步骤(1)得到的聚氨酯乳液、水合肼溶液和有机磷酸酯阻燃剂进行反应,得到所述阻燃改性聚氨酯树脂。
6.根据权利要求5所述的制备方法,其特征在于,步骤(1)所述聚氨酯预聚体和聚氨酯树脂进行反应的反应温度为80~90℃;
优选地,步骤(1)所述聚氨酯预聚体和聚氨酯树脂进行反应的反应时间为2~4h。
7.根据权利要求5或6所述的制备方法,其特征在于,步骤(1)所述加入亲水扩链剂进行反应的反应时间为3~5h;
优选地,步骤(1)所述再加入封端剂进行反应的反应温度不高于50℃。
8.根据权利要求5~7任一项所述的制备方法,其特征在于,步骤(1)所述最后加入中和剂进行反应的反应温度为20~30℃;
优选地,步骤(1)所述最后加入中和剂进行反应的反应时间为2~4h;
优选地,步骤(1)所述最后加入中和剂进行反应在搅拌的条件下进行,进一步优选为在转速为50~150r/min的搅拌条件下进行。
9.根据权利要求5~8任一项所述的制备方法,其特征在于,步骤(2)所述反应的时间为3~5h;
优选地,步骤(2)所述反应的温度为85~100℃。
10.一种如权利要求1~4任一项所述的阻燃改性聚氨酯树脂在机电设备或土木建筑中的应用。
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