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水性聚氨酯制备方法和使用的原料

发布时间:2011-05-27   作者:华宇
、水性聚氨酯制备用原料
1. 低聚物多元醇
  水性聚氨酯胶粘剂制备中常用的低聚物多元醇一般以聚醚二醇、聚酯二醇居多,有时还使用聚醚三醇、低支化度聚酯多元醇、聚碳酸酯二醇等小品种低聚物多元醇。
  聚醚型聚氨酯低温柔顺性好,耐水性较好,且常用的聚氧化丙烯二醇(PPG)的价格比聚酯二醇低,因此,我国的水性聚氨酯研制开发大多以聚氧化丙烯二醇为主要低聚物多元醇原料。由聚四氢呋喃醚二醇制得的聚氨酯机械强度及耐水解性均较好,惟其价格较高,限制了它的广泛应用。
  聚酯型聚氨酯强度高、粘接力好,但由于聚酯本身的耐水解性能比聚醚差,故采用一般原料制得的聚酯型水性聚氨酯,其贮存稳定期较短。
2. 异氰酸酯
  制备聚氨酯乳液常用的二异氰酸酯有TDI、MDI等芳香族二异氰酸酯,以及IPDI、HDI、H12MDI等脂肪族、脂环族二异氰酸酯。由脂肪族或脂环族二异氰酸酯制成的聚氨酯,耐水解性比芳香族二异氰酸酯制成的聚氨酯好,因而水性聚氨酯产品的贮存稳定性好。国外高品质的聚酯型水性聚氨酯一般均采用脂肪族或脂环族异氰酸酯原料制成,而我国受原料品种及价格的限制,大多数仅用TDI为二异氰酸酯原料。
  多亚甲基多苯基多异氰酸酯一般用于制备乙烯基聚氨酯乳液和异氰酸酯乳液。
3. 扩链剂
  水性聚氨酯制备中常常使用扩链剂,其中可引入离子基团的亲水性扩链剂有多种,除了 类特种扩链剂外,经常还使用1,4-丁二醇、乙二醇、一缩二乙二醇、己二醇、乙二胺、二亚乙基三胺等扩链剂。由于胺与异氰酸酯的反应活性比水高,可将二胺扩链剂混合于水中或制成酮亚胺,在乳化分散的同时进行扩链反应。
4. 水
  水是水性聚氨酯胶粘剂的主要介质,为了防止自来水中的Ca2+、Mg2+等杂质对阴离子型水性聚氨酯稳定性的影响,用于制备水性聚氨酯的水一般是蒸馏水或去离子水。除了用作聚氨酯的溶剂或分散介质,水还是重要的反应性原料,合成水性聚氨酯目前以预聚体法为主,在聚氨酯预聚体分散与水的同时,水也参与扩链。由于水或二胺的扩链,实际上大多数水性聚氨酯是聚氨酯-脲乳液(分散液),聚氨酯-脲比纯聚氨酯有更大的内聚力和粘接力,脲键的耐水性比氨酯键好。
5. 亲水性扩链剂
  亲水性扩链剂就是能引入亲水性基团的扩链剂。这类扩链剂是仅在水性聚氨酯制备中使用的特殊原料。这类扩链剂中常常含有羧基、磺酸基团或仲胺基,当其结合到聚氨酯分子中,使聚氨酯链段上带有能被离子化的功能性基团。
(1)羧酸型扩链剂
  二羟甲基丙酸   简称DMPA,全称2,2-二羟甲基丙酸,又称α,α-双羟甲基丙酸,在国内外是聚氨酯乳液常用的一种亲水性扩链剂,早在六、七十年代在德国、美国等国家就用于制备聚氨酯乳液。90年代初我国成都某厂已能小批量生产。该扩链剂为白色结晶,熔点较高,贮存稳定,因其分子量小(Mw134),较少的用量就能提供足够的羧基量。DMPA的一种制备方法是:由甲醛和丙醛合成二羟甲基丙醛,再用过氧化氢氧化成二羟甲基丙酸。
  二羟基半酯   半酯是醇与二元酸酐反应的产物,一般醇与酸酐的摩尔比为1:1,酸酐的一个羧基被酯化,而保留另一个羧基。用于聚氨酯乳液的半酯类扩链剂制备中,所用的醇类化合物一般为小分子三醇或低聚物三醇,例如甘油、低分子量聚醚三醇。这样就能生成含羧基的二羟基化合物。三醇的分子量一般在约100~2000之间。可用于制备半酯的酸酐有顺丁烯二酸酐(顺酐)、邻苯二甲酸酐(苯酐)、丁二酸酐、戊二酸酐等。半酯一般需自制。
  羧酸型扩链剂还有氨基酸如H2N (CH2)4 CH (COOH) NH2、二氨基苯甲酸等。
  (2)磺酸盐型扩链剂   乙二胺基乙磺酸钠、1,4-丁二醇-2-磺酸钠及其衍生物等可用作磺酸型水性聚氨酯的扩链剂。1,4-丁二醇-2-磺酸钠由2-烯-1,4-丁二醇与亚硫酸氢钠加成而得,同样,2-烯-1,4-丁二醇的氧化乙烯或氧化丙烯缩聚物与亚硫酸氢钠的加成物也可用作扩链剂。
  (3)阳离子型扩链剂   含叔胺基的二羟基化合物是一类常用的阳离子型聚氨酯乳液扩链剂,通过季铵化反应或用酸中和,链段中的叔胺基生成季铵离子,具有亲水作用。其中以N-甲基二乙醇胺最为常用。
  二亚乙基三胺与环氧氯丙烷的反应产物也是一种特殊的阳离子型扩链剂:
6. 成盐剂
  广义地讲,凡是能形成离子基团的化合物都可称为成盐试剂。成盐剂是一种能与羧基、磺酸基团、叔胺基或脲基团反应、生成聚合物的盐或者说生成离子基团的试剂。阴离子型聚氨酯乳液的常见的成盐剂有氢氧化钠、氨水、三乙胺。成盐反应如下:
  阳离子型聚氨酯乳液的成盐剂有HCI、CH3COOH等酸、CH3I、 (CH3)2SO4、环氧氯丙烷等烷基化试剂。
  脲基与环状内酯、磺内酯、酸酐在碱性条件下反应时能在聚氨酯链中接上磺酸盐基团或羧基。还可通过磺甲基化反应或氨甲基化作用制得带有离子基团的聚氨酯。
7. 溶剂
  在聚氨酯乳液制备中,有时预聚体粘度很大,以致搅拌困难,而预聚体在水中的乳化需剧烈搅拌,粘度低有利于快速搅拌。提高预聚体的温度虽可降低粘度,但在乳化时预聚体的高温不利于得到稳定的微细粒径乳液。故为了降低粘度,利于预聚体的分散,可加入适量有机溶剂。可采用的溶剂有丙酮、甲乙酮、二氧六环、N,N-二甲基甲酰胺、N-甲基吡咯烷酮等水溶性(亲水性)有机溶剂和甲苯等憎水性溶剂。考虑到成本、操作性等因素,最常用的是丙酮和甲乙酮。一般来说,在制备出稳定的乳液后,还可以用减压蒸馏方法将低、中沸点溶剂从乳液中除去,以减少水性聚氨酯的气味,可以做到使溶剂的残留量很小,小到几乎没有机溶剂之臭味。若溶剂用量很少,可不必除去。水性聚氨酯干燥时,残留的少量低沸点溶剂的挥发可加快胶膜的干燥时间,而少量高沸点溶剂的存在可使胶膜平滑,这在涂料工业中较常用。