CN114957603B - 一种热塑性聚氨酯弹性体材料及其制备方法 - Google Patents

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Abstract

本发明公开一种热塑性聚氨酯弹性体材料及其制备方法。所述热塑性聚氨酯弹性体材料所用原料包含二异氰酸酯、大分子二元醇和扩链剂。所述大分子二元醇选自由己二酸与2,2‑双(溴甲基)‑1,3‑丙二醇、2,2‑双(溴乙基)‑1,3‑丙二醇、2,2‑双(溴丙基)‑1,3‑丙二醇或2,2‑双(溴丁基)‑1,3‑丙二醇缩聚得到的二元醇;所述扩链剂结构为
Figure DDA0003717278680000011
其中R1和R2分别选自1‑12个碳原子组成的脂肪族直链、支链。制得的热塑性聚氨酯弹性体材料透明性高且低温柔顺性优异,可用于低温环境下要求透明度较高的挤出管材、片材和膜材以及部分注塑制品。

Description

一种热塑性聚氨酯弹性体材料及其制备方法
技术领域
本发明涉及热塑性聚氨酯弹性体领域,具体涉及一种高透明、具有良好的低温柔顺性且加工温度较低的热塑性聚氨酯弹性体材料及其制备方法和应用。
背景技术
热塑性聚氨酯弹性体凭借其特有的高强度、高耐磨、高耐候以及优良的生物相容性等性能优势,在越来越多的行业和领域内得到应用,辅以良好的热加工及重复加工性能,以管材、片材、膜材等多种制品样式常见于日常工作生活中。随着大众审美水平的提高以及部分行业使用条件及要求的变化,高透明热塑性聚氨酯弹性体的需求量将逐年上涨。改善热塑性聚氨酯弹性体材料透明性最常用的方法为使用混合扩链剂来破坏材料硬段结构的规整性,但该方法仅从硬段出发来提高材料的透明性,提高程度有限,且要求软段必须使用分子量较低的多醇,材料的低温柔顺性极差。
中国专利CN107383325A通过使用IPDI及环状和非环状的混合扩链剂来阻碍硬段结晶,提高材料的透明性,但材料整体强度较低,混合扩链剂的加入导致材料物性及成型性能明显变差,同时简单得降低多醇分子量也导致材料的低温柔顺性极差。
中国专利CN114514259A通过使用聚醚型与聚丁二烯型混合多醇制备热塑性聚氨酯,利用混合多醇本身的性能特点使得材料具有高模量的同时具有良好的低温柔顺性,但硬段依然具有将较强的结晶能力,导致材料的透明性较差;
中国专利CN1259155A通过使用聚烯烃型热塑性聚氨酯与聚丙烯共混来改善材料的冲击性和粘合性,其中的热塑性聚氨酯同样通过使用聚烯烃二醇来提高材料的低温柔顺性,但同样存在透明性较差的缺点。
发明内容
本发明目的在于提供一种热塑性聚氨酯弹性体材料,在保证材料具有较高透明性的前提下,依然具有极佳的低温柔顺性。
本发明的另一个目的在于提供所述的热塑性聚氨酯弹性体材料的制备方法。
本发明使用含有大量对称或非对称支链的丙二醇作为扩链剂,起到降低硬段微区的规整性,缩小硬段结晶尺寸的作用;同时使用大分子量带有支链并含有溴元素的二元醇,来降低软段微区规整性。同时大分子二元醇与硬段微区存在相似结构,溴元素的加入调整了软段分子链的极性,最终增大软硬段相容性,从而达到在保证材料透明性并提高材料低温柔顺性的目的。
为实现上述目的,本发明提供如下技术方案:
一种热塑性聚氨酯弹性体材料,包括以下质量百分比的原料制备:
二异氰酸酯:20~70wt%,优选20~50wt%;
大分子二元醇:20~70wt%,优选40-70wt%;
扩链剂:5~20wt%,优选9~16wt%。
所述大分子二元醇选自由己二酸与2,2-双(溴甲基)-1,3-丙二醇、2,2-双(溴乙基)-1,3-丙二醇、2,2-双(溴丙基)-1,3-丙二醇或2,2-双(溴丁基)-1,3-丙二醇聚合得到的二元醇。
在一个具体的实施方案中,所述的大分子二元醇数均分子量为500~5000g/mol,优选为2000~4000g/mol。
在一个具体的实施方案中,所述扩链剂选自带有多支链型的小分子二元醇,结构通式如下所示:
Figure BDA0003717278670000031
其中,n为1-4的自然数,R1和R2分别选自1-12个碳原子组成的脂肪族直链、支链,优选2-4个碳原子组成的脂肪族直链或支链,更优选R1和R2同为2-4个碳原子组成的脂肪族直链或支链。
在一个具体的实施方案中,所述扩链剂优选自2,2-二乙基-1,3-丙二醇、2,2-二丙基-1,3-丙二醇、2,2-二丁基-1,3-丙二醇、2,2-二异丙基-1,3-丙二醇、2,2-二异丁基-1,3-丙二醇、2-丁基-2-乙基-1,3-丙二醇、2-丙基-2-甲基-1,3-丙二醇中的一种或多种。
在一个具体的实施方案中,所述二异氰酸酯选自芳香族和/或脂肪族二异氰酸酯;优选地,所述芳香族二异氰酸酯选自甲苯二异氰酸酯(TDI)、二苯基甲烷二异氰酸酯(MDI)、1,5-萘二异氰酸酯(NDI)、对苯二异氰酸酯(PPDI)、苯二亚甲基二异氰酸酯(XDI)中的一种或多种,所述脂肪族二异氰酸酯选自六亚甲基二异氰酸酯(HDI)、异佛尔酮二异氰酸酯(IPDI)、二环己基甲烷-4,4’-二异氰酸酯(HMDI)、1,4-环己基二亚甲基二异氰酸酯(HXDI)、环己烷二异氰酸酯(CHDI)中的一种或多种。
在一个具体的实施方案中,所述异氰酸根指数为0.8~1.2,优选0.95~1.05。
在一个具体的实施方案中,所述热塑性聚氨酯弹性体材料还包括催化剂,以二异氰酸酯、大分子二元醇、扩链剂的总质量为基准,催化剂添加量为1-200ppm。
在一个具体的实施方案中,所述催化剂包括叔胺类、有机锡类、有机铋、有机锌等中的一种或多种,优选自有机锡类。
在一个具体的实施方案中,所述热塑性聚氨酯弹性体材料还包括混合助剂,所述混合助剂包括光稳定剂、抗氧剂、水解稳定剂等中的一种或多种,以二异氰酸酯、大分子二元醇、扩链剂的总质量为基准,混合助剂添加量为2-5wt%。
在一个具体的实施方案中,本发明所述光稳定剂包括UV-9、UV-24、UV328、UV-521等中的一种或多种。
在一个具体的实施方案中,本发明所述抗氧剂包括抗氧剂1010、抗氧剂1076、抗氧剂1024、BHT、TTP等中的一种或多种。
在一个具体的实施方案中,本发明所述水解稳定剂包括单碳化二亚胺、聚合碳化二亚胺。
在一个具体的实施方案中,所述热塑性聚氨酯弹性体,其制备方法包括以下步骤:
(1)将二异氰酸酯、大分子二元醇、扩链剂、任选的催化剂和混合助剂经挤出机形成热塑性聚氨酯弹性体;优选地,所述挤出机温度设定为120-240℃之间;
(2)冷却所述热塑性聚氨酯弹性体,粉碎,造粒。
与现有技术相比,本发明具有如下有益效果:
1)扩链剂分子链中含有的大量侧基,其空间位阻作用较大,能够增大硬段微区中的链段间距,阻碍分子链的紧密堆积,降低结晶度,提高材料透明性,降低材料的加工温度;
2)大分子二元醇的分子量较大且分子链主链上具有较多富含杂元素溴的短支链,能够打破高分子量软段的结晶,提高材料低温柔顺性的同时,不对材料透明性造成影响;
3)软段存在大量含有杂元素溴的短支链丙二醇,其与硬段特殊扩链剂中的结构相似,并且由于溴元素的作用进一步弱化软段与硬段的极性差异,能够在一定程度上提高硬段与软段的相容性,进一步降低硬软段各自的结晶程度,进一步提高材料的透明性。
具体实施方式
为了更好的理解本发明的技术方案,下面的实施例将对本发明所提供的方法予以进一步的说明,但本发明不限于所列出的实施例,还应包括在本发明的权利要求范围内其他任何公知的改变。
下面通过更具体的实施例进一步说明本发明,但不对本发明的范围构成任何的限制。
下列实施例或对比例用到的原料均为通用标准品,无特殊供应公司要求。
下述实施例及对比例中所述催化剂和混合助剂添加量以二异氰酸酯、大分子二元醇和扩链剂的总质量为基准进行添加。
具体实施方式中“份”均为“质量份”。
下述实施例及对比例中的大分子二元醇均通过醇酸缩聚反应制得,反应工艺步骤如下:
在室温下将2,2-二乙基-1,3-丙二醇、2,2-双(溴甲基)-1,3-丙二醇、2,2-双(溴乙基)-1,3-丙二醇与己二酸按照摩尔比为1.6的比例,加入到容量为20L的反应釜中,并加入原料总质量分数0.5%的钛酸四丁酯,充入氮气氛围保护,在搅拌下将混合物逐渐加热到210-240℃,在此温度下搅拌反应10-14h,将此混合物在400毫帕真空下除去过量未反应的二元醇和产生的水分,直到测试此混合物的酸值小于1mgKOH/g,收集制得的聚合物二元醇备用。
实施例1
一种热塑性聚氨酯弹性体,包含以下组分:
二苯基甲烷二异氰酸酯26.35份;
聚己二酸-2,2-双(溴乙基)-1,3-丙二醇酯二醇60.00份;
2,2-二丙基-1,3-丙二醇13.65份;
二月桂酸二丁基锡100ppm;
抗氧剂1010 1.5份;
抗氧剂626 1份;
耐水解剂碳化二亚胺0.5份;
其中,聚己二酸-2,2-双(溴乙基)-1,3-丙二醇酯二醇数均分子量为3000g/mol;
上述热塑性聚氨酯制备方法如下:
(1)将各组份加入到加热的挤出机中,挤出机各温区温度设置为140-220℃,以一步聚合法在所述加热的挤出机中反应,形成热塑性聚氨酯弹性体;
(2)冷却所述热塑性聚氨酯弹性体,粉碎、造粒。
实施例2
一种热塑性聚氨酯弹性体,包含以下组分:
二苯基甲烷二异氰酸酯24.99份;
聚己二酸-2,2-双(溴乙基)-1,3-丙二醇酯二醇60.00份;
2,2-二丁基-1,3-丙二醇15.01份;
二月桂酸二丁基锡100ppm;
抗氧剂1010 1.5份;
抗氧剂626 1份;
耐水解剂碳化二亚胺0.5份;
其中,聚己二酸-2,2-双(溴乙基)-1,3-丙二醇酯二醇数均分子量为3000g/mol;
上述热塑性聚氨酯制备方法同实施例1。
实施例3
一种热塑性聚氨酯弹性体,包含以下组分:
二苯基甲烷二异氰酸酯26.35份;
聚己二酸-2,2-双(溴乙基)-1,3-丙二醇酯二醇60.00份;
2-丁基-2-乙基-1,3-丙二醇13.65份;
二月桂酸二丁基锡100ppm;
抗氧剂1010 1.5份;
抗氧剂626 1份;
耐水解剂碳化二亚胺0.5份;
其中,聚己二酸-2,2-双(溴乙基)-1,3-丙二醇酯二醇数均分子量为3000g/mol;
上述热塑性聚氨酯制备方法同实施例1。
实施例4
一种热塑性聚氨酯弹性体,包含以下组分:
二苯基甲烷二异氰酸酯34.17份;
聚己二酸-2,2-双(溴甲基)-1,3-丙二醇酯二醇50.00份;
2,2-二乙基-1,3-丙二醇15.83份;
二月桂酸二丁基锡100ppm;
抗氧剂1010 1.5份;
抗氧剂626 1份;
耐水解剂碳化二亚胺0.5份;
其中,聚己二酸-2,2-双(溴甲基)-1,3-丙二醇酯二醇数均分子量为3000g/mol;
上述热塑性聚氨酯制备方法同实施例1。
实施例5
一种热塑性聚氨酯弹性体,包含以下组分:
二苯基甲烷二异氰酸酯23.93份;
聚己二酸-2,2-双(溴乙基)-1,3-丙二醇酯二醇67.00份;
2,2-二乙基-1,3-丙二醇9.07份;
二月桂酸二丁基锡100ppm;
抗氧剂1010 1.5份;
抗氧剂626 1份;
耐水解剂碳化二亚胺0.5份;
其中,聚己二酸-2,2-双(溴乙基)-1,3-丙二醇酯二醇数均分子量为3000g/mol;
上述热塑性聚氨酯制备方法同实施例1。
对比例1
一种热塑性聚氨酯弹性体,包含以下组分:
二苯基甲烷二异氰酸酯31.85份;
聚己二酸-2,2-双(溴乙基)-1,3-丙二醇酯二醇60.00份;
1,3-丙二醇8.15份;
二月桂酸二丁基锡100ppm;
抗氧剂1010 1.5份;
抗氧剂626 1份;
耐水解剂碳化二亚胺0.5份;
其中,聚己二酸-2,2-双(溴乙基)-1,3-丙二醇酯二醇数均分子量为3000g/mol;
上述热塑性聚氨酯制备方法同实施例1。
对比例2
一种热塑性聚氨酯弹性体,包含以下组分:
二苯基甲烷二异氰酸酯27.93份;
聚己二酸丁二醇酯二醇60.00份;
2,2-二乙基-1,3-丙二醇12.08份;
二月桂酸二丁基锡100ppm;
抗氧剂1010 1.5份;
抗氧剂626 1份;
耐水解剂碳化二亚胺0.5份;
其中,聚己二酸丁二醇酯二醇数均分子量为3000g/mol;
上述热塑性聚氨酯制备方法同实施例1。
对比例3
一种热塑性聚氨酯弹性体,包含以下组分:
二苯基甲烷二异氰酸酯27.92份;
聚己二酸-2,2-二乙基-1,3-丙二醇酯二醇60.00份;
2,2-二乙基-1,3-丙二醇12.08份;
二月桂酸二丁基锡100ppm;
抗氧剂1010 1.5份;
抗氧剂626 1份;
抗水解剂碳化二亚胺0.5份;
其中,聚己二酸-2,2-双(溴乙基)-1,3-丙二醇酯二醇数均分子量为3000g/mol;
上述热塑性聚氨酯制备方法同实施例1。
对上述实施例及对比例制得的产品进行性能测试。
透光率和雾度测试样品均为2mm注塑试片,测试标准为ASTM D1003;
玻璃化转变温度测试样品为颗粒,将样品2-5mg,使用DSC 1型差示扫描量热仪进行DSC测试,测试条件:-75~250℃,升温速率为10℃/min,N2气氛。
测试结果如下表所示:
表1实施例及对比例产品性能测试结果
Figure BDA0003717278670000111
Figure BDA0003717278670000121
本发明制备的热塑性聚氨酯弹性体,因其优良的透明性和低温柔顺性,其可可用于制备对透明性要求高且可应用于低温环境中的的挤出管材、片材和膜材以及部分注塑制品,但不限于此。
尽管本发明的内容已经通过上述优选实施例作了详细介绍,但应当认识到上述的描述不应被认为是对本发明的限制。本领域技术人员可以理解,在本说明书的教导之下,可对本发明做出一些修改或调整。这些修改或调整也应当在本发明权利要求所限定的范围之内。

Claims (13)

1.一种热塑性聚氨酯弹性体材料,包括以下质量百分比的原料制备:
二异氰酸酯:20~70wt%;
大分子二元醇:20~70wt%;
扩链剂:5~20wt%;
所述的大分子二元醇选自由己二酸与2,2-双(溴甲基)-1,3-丙二醇、2,2-双(溴乙基)-1,3-丙二醇聚合得到的二元醇;所述的大分子二元醇数均分子量为500~5000g/mol;
所述扩链剂选自带有多支链型的小分子二元醇,结构通式如下所示:
Figure FDA0004150724960000011
其中,n为1-4的自然数,R1和R2分别选自1-12个碳原子组成的脂肪族直链、支链。
2.根据权利要求1所述的热塑性聚氨酯弹性体材料,其特征在于,包括以下质量百分比的原料制备:
二异氰酸酯:20~50wt%;
大分子二元醇:40-70wt%;
扩链剂:9~16wt%。
3.根据权利要求1所述的热塑性聚氨酯弹性体材料,其特征在于,所述的大分子二元醇数均分子量为2000~4000g/mol。
4.根据权利要求1所述的热塑性聚氨酯弹性体材料,其特征在于,所述扩链剂结构通式中,R1和R2分别选自2-4个碳原子组成的脂肪族直链或支链。
5.根据权利要求1所述的热塑性聚氨酯弹性体材料,其特征在于,所述的扩链剂选自2,2-二乙基-1,3-丙二醇、2,2-二丙基-1,3-丙二醇、2,2-二丁基-1,3-丙二醇、2,2-二异丙基-1,3-丙二醇、2,2-二异丁基-1,3-丙二醇、2-丁基-2-乙基-1,3-丙二醇、2-丙基-2-甲基-1,3-丙二醇中的一种或多种。
6.根据权利要求1所述的热塑性聚氨酯弹性体材料,其特征在于,所述的二异氰酸酯选自芳香族和/或脂肪族二异氰酸酯。
7.根据权利要求6所述的热塑性聚氨酯弹性体材料,其特征在于,所述芳香族二异氰酸酯选自甲苯二异氰酸酯、二苯基甲烷二异氰酸酯、1,5-萘二异氰酸酯、对苯二异氰酸酯、苯二亚甲基二异氰酸酯中的一种或多种,所述脂肪族二异氰酸酯选自六亚甲基二异氰酸酯、异佛尔酮二异氰酸酯、二环己基甲烷-4,4’-二异氰酸酯、1,4-环己基二亚甲基二异氰酸酯、1,4-环己烷二异氰酸酯中的一种或多种。
8.根据权利要求1所述的热塑性聚氨酯弹性体材料,其特征在于,异氰酸根指数为0.8~1.2。
9.根据权利要求1所述的热塑性聚氨酯弹性体材料,其特征在于,异氰酸根指数为0.95~1.05。
10.根据权利要求1所述的热塑性聚氨酯弹性体材料,其特征在于,所述的热塑性聚氨酯弹性体材料还包括催化剂,以二异氰酸酯、大分子二元醇、扩链剂的总质量为基准,催化剂添加量为1-200ppm。
11.根据权利要求10所述的热塑性聚氨酯弹性体材料,其特征在于,所述催化剂选自叔胺类、有机锡类、有机铋类、有机锌类中的一种或多种。
12.根据权利要求1所述的热塑性聚氨酯弹性体材料,其特征在于,所述的热塑性聚氨酯弹性体材料还包括混合助剂,所述混合助剂包括光稳定剂、抗氧剂、水解稳定剂中的一种或多种,以二异氰酸酯、大分子二元醇、扩链剂的总质量为基准,混合助剂添加量为2-5wt%。
13.一种制备权利要求1-12任一项所述的热塑性聚氨酯弹性体材料的方法,包括以下步骤:
(1)将二异氰酸酯、大分子二元醇、扩链剂、任选的催化剂和混合助剂经挤出机形成热塑性聚氨酯弹性体;所述挤出机温度设定为120-240℃之间;
(2)冷却所述热塑性聚氨酯弹性体,粉碎,造粒。
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