CN1968990A - 制备聚醚醇和聚氨酯的方法 - Google Patents

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Abstract

本发明涉及一种制备聚醚醇的方法。所述方法的特征在于在层状硅酸盐的存在下进行烷氧基化反应。

Description

制备聚醚醇和聚氨酯的方法
本发明涉及一种制备聚醚醇的方法,所述聚醚醇具有优选1.7-6、尤其优选1.7-4、特别优选1.7-3、尤其是2-3的与异氰酸酯反应的官能度,其羟值优选是10mg KOH/g-500mg KOH/g,尤其优选10mg KOH/g-100mgKOH/g,特别优选10mg KOH/g-60mg KOH/g,尤其是25mg KOH/g-35mgKOH/g,该方法优选通过起始剂的烷氧基化反应实现,所述起始剂优选醇或胺,尤其优选具有优选2-6、尤其优选2-4、尤其2或3个羟基基团的醇,所述烷氧基化反应在层状硅酸盐的存在下进行,由此可获得聚醚醇,尤其是包含剥离的层状硅酸盐的聚醚醇。本发明还涉及通过以下物质的反应制备聚氨酯的方法,所述聚氨酯是例如致密或发泡的、交联或热塑性的聚氨酯,如柔性、半刚性或刚性聚氨酯泡沫:
(a)多异氰酸酯,与
(b)具有能与异氰酸酯基团反应的氢原子的化合物,
其中,本发明的聚醚醇用作(b)具有能与异氰酸酯基团反应的氢原子的化合物,由此可获得聚氨酯,尤其是柔性聚氨酯泡沫。
在聚氨酯中使用层状硅酸盐是已知的。EP-A-1209189描述了在PUR泡沫中使用纳米复合材料。粘土用作成核剂和气体阻隔层,这导致了导热性的提高。不发生层状硅酸盐的剥离。
DE-A-10032334描述了含硅酸盐的纳米填料的加入对堆积密度没有不利影响。其指出,膨胀的层状硅酸盐发生分层,并优选在PUR泡沫材料的生产中被引入泡孔结构中。以Cloisite 30A作为层状硅酸盐,通过搅拌与A组分结合,之后立即与异氰酸酯进行发泡。此处公开的填料的缺点是它们迅速地固定在A组分中,这导致A组分具有低的储存稳定性。
WO 03/059817描述了一种包含层状硅酸盐和插入该硅酸盐中的化合物的纳米分散体,其通过层状硅酸盐与多元醇的充分混合制备。该文献对于将层状硅酸盐加入多元醇和使该层状硅酸盐发生剥离的有关问题作了清楚的解释。根据WO 03/059817,只有那些已经通过季铵化合物进行有机改性的且含亲水端基的层状硅酸盐是合适的,而且,这些硅酸盐必须在附加步骤中加入和分散于多元醇中。
现有技术的缺点是由于粘度增加、所得剥离度较低以及复杂的分散步骤,而使得多元醇中仅有少量剥离的层状硅酸盐,因此,使用纳米颗粒所带来的优点不能令人满意地表现出来。
因此,本发明的一个目的是开发一种经济的制备含聚醚醇和层状硅酸盐的混合物的方法,其中层状硅酸盐实际上完全剥离。
通过聚醚醇的制备方法能够实现该目的,所述聚醚醇具有优选1.7-6、尤其优选1.7-4、特别优选1.7-3、尤其是2-3的与异氰酸酯反应的官能度,其羟值优选是10mg KOH/g-500mg KOH/g,尤其优选10mg KOH/g-100mgKOH/g,特别优选10mg KOH/g-60mg KOH/g,尤其是25mg KOH/g-35mgKOH/g,该方法优选通过起始剂的烷氧基化反应实现,所述起始剂优选醇或胺,尤其优选具有优选2-6、尤其优选2-4、尤其2或3个羟基的醇,优选使用环氧乙烷和/或环氧丙烷作为氧化烯,其中,所述烷氧基化反应在层状硅酸盐的存在下进行。
为了本发明的目的,层状硅酸盐是现有技术已知的(现有技术中也称为页硅酸盐)具有二维SiO4四面体层的硅酸盐结构。合适的层状硅酸盐的例子优选天然存在的粘土矿、蒙脱土、膨润土、云母、高岭土、勃姆石、蒙脱石、锂蒙脱石、蛭石和它们的混合物。例子参见公开出版物“Dispersionen und Emulsionen”,Lagaly,Schulz,Zimehl,SteinkopfVerlag,Darmstadt。使用了膨润土、蒙脱土,包括那些可以由如Südchemie和/或Southern Clay取得的层状硅酸盐。
在氧化烯的聚合中,羟烷基链在层状硅酸盐的层之间生长,这导致了这些层的彼此分离,即所期望的剥离。本发明方法的重要优点是两个工序的有利结合:层状硅酸盐在与聚醚醇的制备并行的一个工序中发生剥离,即分层。因此,在后续聚醚醇的使用中,使用所述预先剥离的层状硅酸盐,并且这些硅酸盐无须先通过高剪切能量进行搅拌、分散或分层或在发泡过程中分层。
通过烷氧基化反应、例如通过阴离子聚合的方法制备聚醚醇是很早就已经知道的。本发明的方法优选以下述方式实施:将层状硅酸盐调和(混合)在一种或多种起始剂中,然后加入氧化烯。层状硅酸盐优选与起始剂充分混合,然后将温度升至进行烷氧基化反应所需的起始温度。伴随着充分的混合作用,层状硅酸盐优选在80-150℃下均匀调和在低分子量起始剂中,这导致层状硅酸盐在起始剂混合物中均匀分布。由于层状硅酸盐与调和在其中的起始剂经历了与氧化烯的可控加成反应,所以在与氧化烯反应形成相对高分子量的产物的过程中,混合物充分保持了均匀性。链长度或分子量的连续提高维持了该均匀分布。通常,当将新鲜的层状硅酸盐混入完全反应的聚醚醇中时难以实现均匀分布。
作为起始剂,可以使用公知的化合物,该化合物优选包含氧化烯能够在其上加成的羟基和/或氨基。例如,使用单糖、二糖或多糖以及用于合成高官能度聚醚醇的高官能度化合物是已知的经常描述的制备聚醚醇,尤其是那些打算用于刚性PUR泡沫的聚醚醇的方法。通常在与液体共起始剂如二醇、三醇或胺的掺混物中使蔗糖进行烷氧基化反应。依据该共起始剂的比例,得到了具有或多或少高官能度的聚醚醇。在柔性泡沫多元醇的制备中,优选使用例如三官能、含羟基的起始剂,其单独使用或以与二醇如乙二醇、二甘醇或三甘醇或丙二醇、双丙甘醇或三丙甘醇或四醇如季戊四醇和双甘油的掺混物的形式使用。例如,可以使用下列化合物作为起始剂:水、链烷醇胺、二链烷醇胺;二元醇和/或多元醇,如乙二醇、1,2-和1,3-丙二醇、二甘醇、双丙甘醇、1,4-丁二醇、1,6-己二醇、丙三醇、季戊四醇、山梨糖醇和/或蔗糖。优选使用下列化合物中的至少一种作为起始剂:丙三醇、三羟甲基丙烷、二甘醇、乙二醇、丙二醇、三甘醇、N,N′-双(3-氨基丙基)乙二胺、邻甲苯二胺、乙二胺、蔗糖、山梨糖醇,优选乙二醇、三羟甲基丙烷、乙二醇、二甘醇和/或三甘醇、丙二醇、双丙甘醇和/或三丙甘醇。
作为可用于制备烷氧基化胺的氧化烯,可以使用公知的氧化烯,例如环氧乙烷、环氧丙烷和/或环氧丁烷,优选环氧乙烷和/或环氧丙烷,并且,所述氧化烯能够以彼此混合或嵌段的形式分别加成在胺上。例如,所述胺首先可以仅与环氧乙烷、仅与环氧丙烷、与环氧乙烷和环氧丙烷的混合物反应,或首先与环氧丙烷然后与环氧乙烷反应。在后一种情况下,作为大比例的伯醇羟基的结果,烷氧基化的胺对异氰酸酯的反应性获得提高。
由阴离子聚合制备多元醇可以通过公知的双金属氰化物(DMC)催化或通过已知的使用金属氢氧化物或叔胺的碱性催化实施。催化类型影响多元醇的性能谱。氧化烯如环氧乙烷、环氧丙烷、环氧丁烷和/或氧化苯乙烯的催化加成发生在起始剂或起始剂混合物的活性中心。这里,多种氧化烯可以计量并以接连的和/或掺混物或并行的方式加入。氧化烯的类型和含量实质上决定了多元醇的性质并对PUR泡沫的性能谱具有很大影响。烷氧基化反应优选通过碱金属氢氧化物、优选氢氧化钾进行催化。催化剂可以公知量使用,并且如果合适,也可以在烷氧基化反应期间添加。
氧化烯在起始剂上的加成可以通过公知方法实现。例如,起始剂可以在例如70-160℃、优选80-150℃温度下,在常用反应器(搅拌反应釜、管式反应器等)中用氧化烯处理,所述反应器优选装有用于冷却反应混合物的常用装置。氧化烯优选在70-160℃、优选80-150℃的反应温度条件下进行加成。反应时间通常取决于反应混合物的温度谱,因而此外还取决于投料量、反应器类型和冷却设备。反应可以在0.1MPa-1MPa的压力、优选0.1MPa-0.7MPa的压力下进行。
根据本发明制备的聚醚多元醇可以按已知方式提纯,例如用无机酸(如盐酸、硫酸和/或优选磷酸)与有机酸或与二氧化碳将反应混合物几乎中和至pH通常为6-8,通过常用的真空蒸馏从聚醚醇中除去水,并过滤掉其中的盐。
在碱的存在下,在通过将氧化烯加成在叔胺上制备多元醇的过程中,所述胺通常被馏出并部分重复使用或保留在多元醇中继续用于PUR体系的催化。
使用金属氢氧化物时的催化形成了金属烷氧基化物,其通常用水水解和用酸中和。使用无机酸如硫酸、磷酸和盐酸以及二氧化碳导致形成盐,其可以通过过滤进行分离。
使用有机酸例如乙酸、甲酸或2-乙基己酸导致形成可溶性化合物。在大多数情况下,通过真空蒸馏分离过剩酸。各种粗聚醚醇的处理方式取决于多元醇在其中的用途以及由此导致的质量要求。
使用有机酸时,烷氧基化反应产物的pH值优选设定为大于6,尤其优选7-8。用于该中和步骤的有机酸优选是公知的有机酸,尤其优选乙基己酸、乳酸、甲酸、乙酸和/或草酸,尤其优选乙酸。用于该优选实施方案以中和KOH的有机酸、尤其乙酸的优点在这种情况下获得可溶性盐,尤其是乙酸钾。过滤步骤以及由此可能产生的不期望的层状硅酸盐的分离被消除了。
层状硅酸盐优选以0.5-5重量%的量存在于聚醚醇中,基于聚醚醇的总重量计。
本发明的另一目的是开发一种制备柔性泡沫、例如柔性整体泡沫的方法,所述泡沫具有改进的性能,优选改进的弹性,尤其具有改进的断裂伸长率。
该目的能够通过使下物质发生反应来制备聚氨酯的方法实现,所述聚氨酯是例如致密或发泡的、交联或热塑性的聚氨酯,如柔性、半刚性或刚性聚氨酯泡沫,优选柔性聚氨酯泡沫:
(a)多异氰酸酯,和
(b)具有能与异氰酸酯基反应的氢原子的化合物,
优选在发泡剂的存在下进行反应,其中,本发明的聚醚醇用作(b)具有能与异氰酸酯基反应的氢原子的化合物。
通过使(a)多异氰酸酯与(b)能与异氰酸酯反应的化合物进行反应制备多异氰酸酯加聚产物(如聚氨酯)是公知的,如果合适,所述多异氰酸酯加聚产物可以包含脲和/或异氰脲酸酯结构,如果合适,在(c)链增长剂和/或交联剂、(d)催化剂和如果合适的(e)发泡剂和/或(f)添加剂的存在下进行该反应,所述催化剂加速了能与异氰酸酯反应的物质和异氰酸酯的反应,其中优选的柔性泡沫优选在发泡剂(e)的存在下反应制得。
为了通过本发明方法制备多异氰酸酯加聚产物、优选PU泡沫、尤其是柔性PU泡沫,除了使用根据本发明的多元醇组分(b)之外,还使用成形组分(a)-(d)、发泡剂(e)和如果合适的本身已知的添加剂(f),下面将对这一点进行说明。
作为异氰酸酯(a),优选使用2,4-和/或2,6-甲苯二异氰酸酯(TDI)和/或4,4′-、2,2′-和/或2,4-二苯甲烷二异氰酸酯(MDI),尤其优选2,4-和/或2,6-甲苯二异氰酸酯,而且,如果合适,所述异氰酸酯能够改性。例如,异氰酸酯(a)可以含有酯、脲、缩二脲、脲基甲酸酯、碳化二亚胺、异氰脲酸酯、脲酮和/或氨基甲酸酯基团。可以使用的其它异氰酸酯是公知化合物,优选二异氰酸酯,例如公知的脂族、环脂族、芳脂族和优选的芳族多官能异氰酸酯。
作为能与异氰酸酯反应的化合物(b),根据本发明,使用如上所述的含分层的层状硅酸盐的聚醚醇。另外,如果合适,可以使用选自聚醚多元醇、聚酯多元醇、聚硫醚多元醇、含羟基的聚酰胺酯、含羟基的聚缩醛、含羟基的脂族聚碳酸酯和聚合物改性的聚醚多元醇或上述多元醇中至少两种的混合物的其它多元醇。
聚氨酯泡沫可以伴随使用或不使用链增长剂和/或交联剂(c)制备。然而,使用链增长剂、交联剂或如果合适的它们的混合物对于改进机械性能如硬度证明是有利的。所用的链增长剂和/或交联剂是分子量优选小于499g/mol、更优选是60-300g/mol的多元醇,优选二元醇和/或三元醇。合适的链增长剂的例子是具有2-14个碳原子的脂族、环脂族、和/或芳脂族二元醇,例如乙二醇、1,3-丙二醇、1,10-癸二醇、邻-、间-、对-二羟基环己烷、二甘醇、双丙甘醇和优选乙二醇、1,3-丁二醇、1,4-丁二醇、1,6-己二醇和双(2-羟乙基)对苯二酚,合适的交联剂是三元醇,例如1,2,4-、1,3,5-三羟基环己烷、三羟甲基乙烷、丙三醇和三羟甲基丙烷。如果使用组分(c)的化合物,它们可以混合物的形式使用或单独使用,有利的以1-40重量份、优选5-20重量份的量使用,基于100重量份的相对高分子量的多羟基化合物(b)计。
可能的催化剂(d)是公知化合物,例如有机胺,如三乙胺、三亚乙基二胺、三丁胺、二甲基苯甲胺、N,N,N′,N′-四甲基亚乙基二胺、N,N,N′,N′-四甲基丁二胺、N,N,N′,N′-四甲基己-1,6-二胺、二甲基环己胺、五甲基二亚丙基三胺、五甲基二亚乙基三胺、3-甲基-6-二甲基氨基-3-氮杂戊醇、二甲基氨基丙胺、1,3-双二甲基氨基丁烷、双(2-二甲基氨基乙基)醚、N-乙基吗啉、N-甲基吗啉、N-环己基吗啉、2-二甲基氨基乙氧基乙醇、二甲基乙醇胺、四甲基六亚甲基二胺、二甲基氨基-N-甲基乙醇胺、N-甲基咪唑、N-(3-氨基丙基)咪唑、N-(3-氨基丙基)-2-甲基咪唑、1-(2-羟乙基)咪唑、N-甲酰基-N,N′-二甲基亚丁基二胺、N-二甲基氨基乙基吗啉、3,3′-双(二甲基氨基)二正丙胺和/或双(2-哌嗪异丙基)醚、二甲基哌嗪、N,N′-双(3-氨基丙基)亚乙基二胺和/或三(N,N-二甲基氨基丙基)-s-六氢三嗪或包括上述胺中至少两种的混合物,并且,也可以使用如DE-A 2812256中所述的相对高分子量的叔胺。可用于该目的的其它催化剂是常用的有机金属化合物,优选有机锡化合物,如有机羧酸的锡(II)盐,例如醋酸锡(II)、辛酸锡(II)、乙基己酸锡(II)和月桂酸锡(II);以及有机羧酸的二烷基锡(IV)盐,例如,二醋酸二丁锡、二月桂酸二丁锡、马来酸二丁锡和二醋酸二辛锡。优选使用脂族和/或环脂族叔胺,尤其优选三亚乙基二胺。
作为发泡剂(e),优选使用水,其与有机的、改性或未改性的多异氰酸酯(a)反应以形成二氧化碳和脲基,从而影响最终产品的抗压强度。为了获得预期的泡沫密度,水通常以0.05-6重量%、优选0.1-5重量%的量使用,基于成形组分(a)-(c)的重量计。可代替水使用或优选与水一起使用的其它发泡剂(d)是气体或在放热性加聚反应作用下能蒸发的低沸点液体或气体,有利的是,所述液体在大气压下具有-40-90℃、优选10-50℃的沸点。例如,适合作为发泡剂的上述类型的液体和气体可以选自链烷烃和链烯烃,如丙烷、正丁烷和异丁烷、正戊烷和异戊烷,优选工业戊烷混合物;环烷烃如环丁烷、环戊烷、环己烷,和优选环戊烷和/或环己烷;二烷基醚如二甲基醚、甲基乙基醚和二乙醚;环烯基醚如呋喃;酮如丙酮、丁酮;羧酸酯如乙酸乙酯和甲酸甲酯,羧酸如甲酸、乙酸和丙酸;在对流层降解从而不损害臭氧层的氟代烷,如三氟甲烷、二氟甲烷、二氟乙烷、四氟乙烷和七氟乙烷;气体如氮气、一氧化碳和惰性气体如氦、氖和氪。
在各情况下可分别以液体混合物或气体混合物或气/液混合物使用的低沸点液体和气体的最有利的量取决于将获得的密度和水的用量。需要量可以很容易地通过简单试验确定。通常,使用0.5-20重量份、优选2-10重量份的液体量和0.01-30重量份、优选2-20重量份的气体量可以获得令人满意的结果,各情况均基于100重量份的组分(b)和如果存在的组分(c)计。优选的发泡剂(e)是水、具有3-7个碳原子的链烷烃、具有4-7个碳原子的环烷烃或含有优选发泡剂化合物中至少两种的混合物。
为了通过本发明方法制备多异氰酸酯加聚产物、尤其是柔性聚氨酯泡沫,如果合适的话可以使用添加剂(f)。这种添加剂的例子是:表面活性物质、泡沫稳定剂、泡孔调节剂、润滑剂、填料、染料、颜料、阻燃剂、水解抑制剂、抑霉剂和抑菌剂。
为了制备所述泡沫,可以使(a)、(b)和如果合适(c)以使多异氰酸酯(a)的NCO基团与组分(b)和如果存在的组分(c)的活泼氢原子的总数之间的当量比是0.70-1.50∶1、优选0.85-1.15∶1、尤其是0.9-1.1∶1的量进行反应。
所述泡沫可以借助于低压或高压工艺,在开放的或封闭的、有利地可加热式模具中通过预聚物或优选的一步法制备,其中所述模具例如是金属模具,如铝、铸铁或钢制模具,或由纤维增强聚酯或环氧树脂模塑组合物制成的模具。
已经发现,使用双组分工艺和使成形组分(b)、(d)、(e)和如果合适的(c)和(f)结合以形成组分(A)和使用有机多异氰酸酯、改性多异氰酸酯(a)或所述多异氰酸酯的混合物和如果合适的发泡剂(d)作为组分(B)是尤其有利的。
通常,起始组分在15-80℃、优选25-55℃的温度下混合,其可以在大气压下被引入开放模具或在大气压或超大气压下引入封闭模具中。可以通过搅拌器或搅拌螺杆或在高压下通过逆流喷射法实施机械混合。模具温度有利的是20-120℃,优选30-80℃,尤其是45-60℃。例如,如果制备压缩的柔性聚氨酯模塑制品,则压缩度通常是1.1-8.3,优选2-7和尤其是2.4-4.5。
有利地是,被加入模具中的反应混合物的量使所得模塑制品具有0.01-0.9g/cm3、优选0.03-0.7g/cm3的整体密度。
柔性聚氨酯泡沫还可以通过厚板发泡法(slabstock foam method)制备。块状泡沫通常具有0.02-0.06g/cm3的密度。
通过本发明方法制备的块状泡沫和柔性聚氨酯泡沫模塑制品用于例如汽车工业中,如用作汽车内部的扶手、头枕和保护衬层,以及用作自行车或摩托车的车座,鞋底和用作滑雪靴的内衬。它们也适于用作家具工业和汽车工业中的内部装潢材料。
实施例
合成实施例
将100g甘油、50g 48%浓度的氢氧化钾水溶液和78.2g Cloisite 30B加入2L高压釜中,该高压釜装配有搅拌器,反应器用固体和液体物质和氧化烯的加热、冷却、计量设备和吹扫氮气的设备和真空系统,在搅拌的同时将混合物加热至110℃。混合物充分均匀化,然后与814g环氧丙烷在110-112℃的温度下进行反应。在反应开始,压力升高至6.5巴并维持在大约5巴直至反应结束。计量加入结束后,在120℃的温度下进行4小时的后反应。这获得具有201mg KOH/g的OHN的碱性产品。
在110℃下,使400g所述碱性预聚物与1046g环氧丙烷进行反应,反应完成后,与317.5g环氧乙烷在上述反应器中继续反应。发应温度也是110℃。反应产物用2%的水进行水解,基于投料量计,用110%的化学计算量的乙酸进行中和,并进行真空蒸馏,所得产物具有下列参数:
羟值:            28.9mg KOH/g
酸值:            0.150KOH/g
25℃下的粘度:    2279mPas
pH:              8.2
含水量:          0.027%。
所得产物是均匀的。
泡沫的生产:
基本配方
A组分
96.06份  具有25-30mg KOH/g的OHN、且由环氧丙烷与环氧乙烷在丙三醇上的加聚反应制得的聚醚醇(A)
5.0份    具有39-45mg KOH/g的OHN、且由环氧丙烷和环氧乙烷在丙三醇上的加聚反应制得的聚醚醇(B)
0.5份    稳定剂Tegostab B4113
0.2份    N-甲酰基-N,N-二甲基亚丁基二胺
0.1份    70%浓度的双二甲基氨基乙基醚的双丙甘醇溶液
3.0份    水
B组分
42.1份    单体MDI(2.4%2,2’,49.5%2,4’,48.1%4,4’)
20.4份    单体MDI(98.1%4,4’,1.9%2,4’)
37.5份    具有31%的NCO含量且粘度为200mPas25℃的聚合MDI。
使用90的指数。
由100重量份A组分和42.9重量份B组分通过人工发泡制备聚氨酯泡沫。反应混合物通过从Vollrath获得的圆盘搅拌器以约1800转/分的速度进行搅拌。用根据本发明制备的、含1.12%剥离的层状硅酸盐的聚醚醇代替基本配方中的多元醇A。与不含层状硅酸盐时泡沫所具有的79%(根据DIN ENISO 1798测定)的断裂伸长率相比,使用层状硅酸盐制得的泡沫在40±2g/l的泡沫密度下具有提高的91%的断裂伸长率。
对聚醚醇和泡沫的WAXS(广角X射线散射)研究没有显示出层片反射的信号。这表明了层状硅酸盐的剥离。泡沫的电子透射显微照片显示出大量隔离片,这意味着所用层状硅酸盐已通过烷氧基化反应发生剥离。

Claims (10)

1、一种制备聚醚醇的方法,其中在层状硅酸盐的存在下进行烷氧基化反应。
2、根据权利要求1的方法,其中使层状硅酸盐与一种或多种起始剂混合,然后加入氧化烯。
3、根据权利要求1的方法,其中通过碱金属氢氧化物催化烷氧基化反应。
4、根据权利要求3的方法,其中通过有机酸将烷氧基化反应产物的pH值设定为大于6。
5、根据权利要求1的方法,其中层状硅酸盐以0.5-5重量%的量存在于聚醚醇中,以聚醚醇的总重量计。
6、一种通过权利要求1-5中任一项的方法制得的聚醚醇。
7、聚醚醇,其包含剥离的层状硅酸盐。
8、通过使以下物质发生反应制备聚氨酯的方法:
(a)多异氰酸酯,和
(b)具有能与异氰酸酯基团反应的氢原子的化合物,
其中,将权利要求6或7的聚醚醇用作(b)具有能与异氰酸酯基团反应的氢原子的化合物。
9、根据权利要求8的方法,用于制备柔性聚氨酯泡沫,其中在发泡剂的存在下使(a)与(b)发生反应。
10、通过权利要求8或9的方法制得的聚氨酯。
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