專利名稱：高固含量水性聚氨酯的制備方法
技術領域：
本發(fā)明涉及一種樹脂，具體涉及一種高固含量水性聚氨酯的制備方法。
背景技術：
水性聚氨酯(WPU)是指以水代替有機溶劑作為分散介質、其分散液中不含或含極少量的有機溶劑的聚氨酯。涂膜具有不燃、無毒、不污染環(huán)境、節(jié)能等優(yōu)點，同時具有一般聚氨酯樹脂所固有的高強度、耐磨度等優(yōu)異性能，因此獲得了廣泛的應用。高固含量水性聚氨酯含水量低，干燥成膜速度快，高固含量的乳液還具有設備利用率高、運輸成本和單位產(chǎn)品能量消耗低等優(yōu)點，因此而倍受關注。水性聚氨酯的最終態(tài)為固體膠膜，由乳液到固體膜的過程中，隨著水分的揮發(fā)，水分散體濃縮，乳膠粒子相互接近，最終通過分散體粒子間的分子鏈相互擴散，形成有一定力學性能的均相膜。但是水的蒸發(fā)潛熱比常用的有機溶劑的蒸發(fā)潛熱高，相同固含量下水性聚氨酯中的水比溶劑型聚氨酯的溶劑揮發(fā)慢，干燥時間長。目前市售的水性聚氨酯產(chǎn)品固含量大多為20%-40%，特別是國產(chǎn)水性聚氨酯多數(shù)在35%以下。國外一些雙組份高固含量水性聚氨酯固含量可達到50%，但對于水質的要求高、耐熱性能和適應性方面有待改進。高固含量常常伴隨著高粘度，因此需要高功率攪拌裝置和高剪切乳化裝置。

發(fā)明內(nèi)容
本發(fā)明的目的是提供一種更環(huán)保、干燥快、適應性好、成本低的高固含量水性聚氨酯的制備方法。本發(fā)明所采用的技術方案是: 高固含量水性聚氨酯的制備方法，其特征在于:
由以下步驟實現(xiàn):
步驟一:在氮氣保護下，將40-70質量份的聚合物多元醇和10-30質量份的多異氰酸酯加入反應器中，攪拌均勻后加入0.01-0.5質量份的催化劑，60-95°C的溫度下反應1-2.5小時；
步驟二:加入1-10質量份的親水擴鏈劑，60-100°C下反應1-3小時；
步驟三:降溫至40-75°C，加入4-9質量份的溶劑降低粘度，再加入中和劑中和得到pH為7的預聚體，然后將預聚體在高速攪拌下分散于去離子水中；
步驟四:加入1-4質量份的擴鏈劑，攪拌1-4小時，減壓蒸除溶劑，得到平均粒徑為100-300nm的水性聚氨酯乳液，靜置；
步驟五:選用不同于步驟一中所用的聚合物多元醇制備不同粒徑分布的預聚體，在高速攪拌下將其分散于步驟四制備的水性聚氨酯乳液中，高速攪拌1-4小時，即得到高固含量水性聚氨酯乳液。步驟一中，聚合物多元醇選自聚己二酸乙二醇酯、聚己二酸新戊二醇酯、聚己二酸乙二醇丙二醇酯、聚己二酸丁二醇酯、聚己二酸己二醇酯、聚己二酸乙二醇一縮二乙二醇酯、聚四氫呋喃二醇、聚碳酸酯二醇。步驟一中，多異氰酸酯選自4，4-二環(huán)己基甲烷二異氰酸酯、異佛爾酮二異氰酸酯、1，6_己基二異氰酸酯、二環(huán)己基甲烷二異氰酸酯、苯二亞甲基二異氰酸酯。步驟一中，催化劑選自二月桂酸二丁基錫、鋅酸亞錫、有機鉍MB20。步驟二中，親水擴鏈劑選自二羥甲基丙酸、二羥基半酯、乙二胺基乙磺酸鈉、二乙烯三胺、甲基二乙醇胺。步驟三中，溶劑選自丙酮、丁酮、甲乙酮、N，N-二甲基甲酰胺、N-甲基吡咯烷酮。步驟三中，中和劑選自三乙胺、三乙醇胺。步驟四 中，擴鏈劑選自乙二胺、丁二胺、異佛爾酮二胺、己二胺。所述的高速攪拌的轉速為1000-2000r/min。本發(fā)明具有以下優(yōu)點:
本發(fā)明將一定粒徑分布的水性聚氨酯預聚體直接分散于不參與反應且粒徑分布不同的水性聚氨酯乳液中，這樣小粒徑的就會填充在大粒徑的間隙中，從而得到粒徑分布廣、粘度低、穩(wěn)定的固含量為50%以上的水性聚氨酯乳液。所制備預聚體粘度控制在一定范圍內(nèi)，避免因粘度太大而對合成及后期分散造成影響，普通合成設備即可滿足制備要求，本方法合成產(chǎn)品可解決因水蒸發(fā)潛熱高，揮發(fā)慢，干燥時間長、生產(chǎn)效率低等水性聚氨酯研究領域關鍵性技術難題。同時降低運輸成本及產(chǎn)品使用能耗。
具體實施例方式下面結合具體實施方式
對本發(fā)明進行詳細的說明。本發(fā)明所述的高固含量水性聚氨酯的制備方法，由以下步驟實現(xiàn):
步驟一:在氮氣保護下，將40-70質量份的聚合物多元醇和10-30質量份的多異氰酸酯加入反應器中，攪拌均勻后加入0.01-0.5質量份的催化劑，60-95°C的溫度下反應1-2.5小時；
其中，聚合物多元醇選自聚己二酸乙二醇酯、聚己二酸新戊二醇酯、聚己二酸乙二醇丙二醇酯、聚己二酸丁二醇酯、聚己二酸己二醇酯、聚己二酸乙二醇一縮二乙二醇酯、聚四氫呋喃二醇、聚碳酸酯二醇；
多異氰酸酯選自4，4- 二環(huán)己基甲烷二異氰酸酯、異佛爾酮二異氰酸酯、1，6-己基二異氰酸酯、二環(huán)己基甲烷二異氰酸酯、苯二亞甲基二異氰酸酯；
催化劑選自二月桂酸二丁基錫、鋅酸亞錫、有機鉍MB20。步驟二:加入1-10質量份的親水擴鏈劑，60-100°C下反應1-3小時；
其中，親水擴鏈劑選自二羥甲基丙酸、二羥基半酯、乙二胺基乙磺酸鈉、二乙烯三胺、甲基二乙醇胺。步驟三:降溫至40_75°C，加入4-9質量份的溶劑降低粘度，再加入中和劑中和得到PH為7的預聚體，然后將預聚體在高速攪拌下分散于去離子水中；
其中，溶劑選自丙酮、丁酮、甲乙酮、N，N-二甲基甲酰胺、N-甲基吡咯烷酮；
中和劑選自三乙胺、三乙醇胺。步驟四:加入1-4質量份的擴鏈劑，攪拌1-4小時，減壓蒸除溶劑，得到平均粒徑為100-300nm的水性聚氨酯乳液，靜置；其中，擴鏈劑選自乙二胺、丁二胺、異佛爾酮二胺、己二胺。步驟五:選用不同于步驟一中所用的聚合物多元醇制備不同粒徑分布的預聚體，在高速攪拌下將其分散于步驟四制備的水性聚氨酯乳液中，高速攪拌1-4小時，即得到高固含量水性聚氨酯乳液。步驟中，高速攪拌的轉速為1000-2000r/min。實施例1:
高固含量水性聚氨酯的制備方法，由以下步驟實現(xiàn):
步驟一:在氮氣保護下，將40質量份的聚合物多元醇和10質量份的多異氰酸酯加入反應器中，攪拌均勻后加入0.01質量份的催化劑，60°C的溫度下反應I小時；
其中，聚合物多元醇選取聚己二酸乙二醇酯；
多異氰酸酯選取4，4’- 二環(huán)己基甲烷二異氰酸酯；
催化劑選取二月桂酸二丁基錫。步驟二:加入I質量份的親水擴鏈劑，60°C下反應I小時；
其中，親水擴鏈劑選取二羥甲基丙酸。步驟三:降溫至40°C，加入4質量份的溶劑降低粘度，再加入中和劑中和得到pH為I的預聚體，然后將預聚體在高速攪拌下分散于去離子水中；
其中，溶劑選取丙酮；
中和劑選取三乙胺。步驟四:加入I質量份的擴鏈劑，攪拌I小時，減壓蒸除溶劑，得到平均粒徑為100-300nm的水性聚氨酯乳液，靜置；
其中，擴鏈劑選取乙二胺。步驟五:選用聚己二酸新戊二醇酯制備不同粒徑分布的預聚體，在高速攪拌下將其分散于步驟四制備的水性聚氨酯乳液中，高速攪拌I小時，即得到高固含量水性聚氨酯乳液。步驟中，高速攪拌的轉速為1000r/min。實施例2:
高固含量水性聚氨酯的制備方法，由以下步驟實現(xiàn):
步驟一:在氮氣保護下，將50質量份的聚合物多元醇和15質量份的多異氰酸酯加入反應器中，攪拌均勻后加入0.2質量份的催化劑，70°C的溫度下反應1.5小時；
其中，聚合物多元醇選取聚己二酸乙二醇丙二醇酯；
多異氰酸酯選取異佛爾酮二異氰酸酯；
催化劑選取二月桂酸二丁基錫。步驟二:加入3質量份的親水擴鏈劑，70°C下反應I小時；
其中，親水擴鏈劑選取二羥基半酯。步驟三:降溫至50°C，加入5質量份的溶劑降低粘度，再加入中和劑中和得到pH為I的預聚體，然后將預聚體在高速攪拌下分散于去離子水中；
其中，溶劑選取丁酮；
中和劑選取三乙胺。步驟四:加入2質量份的擴鏈劑，攪拌2小時，減壓蒸除溶劑，得到平均粒徑為100-300nm的水性聚氨酯乳液，靜置；
其中，擴鏈劑選取丁二胺。步驟五:選用聚己二酸丁二醇酯制備不同粒徑分布的預聚體，在高速攪拌下將其分散于步驟四制備的水性聚氨酯乳液中，高速攪拌2小時，即得到高固含量水性聚氨酯乳液。步驟中，高速攪拌的轉速為1000r/min。實施例3:
高固含量水性聚氨酯的制備方法，由以下步驟實現(xiàn):
步驟一:在氮氣保護下，將60質量份的聚合物多元醇和20質量份的多異氰酸酯加入反應器中，攪拌均勻后加入0.3質量份的催化劑，80°C的溫度下反應2小時；
其中，聚合物多元醇選取聚己二酸己二醇酯；
多異氰酸酯選取1，6-己基二異氰酸酯；
催化劑選取鋅酸亞錫。步驟二:加入5質量份的親水擴鏈劑，80°C下反應2小時；
其中，親水擴鏈劑選取乙二胺基乙磺酸鈉。步驟三:降溫至60°C，加入6質量份的溶劑降低粘度，再加入中和劑中和得到pH為I的預聚體，然后將預聚體在高速攪拌下分散于去離子水中；
其中，溶劑選取甲乙酮；
中和劑選取三乙胺。步驟四:加入3質量份的擴鏈劑，攪拌3小時，減壓蒸除溶劑，得到平均粒徑為100-300nm的水性聚氨酯乳液，靜置；
其中，擴鏈劑選取異佛爾酮二胺。步驟五:選用聚己二酸乙二醇一縮二乙二醇酯制備不同粒徑分布的預聚體，在高速攪拌下將其分散于步驟四制備的水性聚氨酯乳液中，高速攪拌3小時，即得到高固含量水性聚氨酯乳液。步驟中，高速攪拌的轉速為1500r/min。實施例4:
高固含量水性聚氨酯的制備方法，由以下步驟實現(xiàn):
步驟一:在氮氣保護下，將70質量份的聚合物多元醇和25質量份的多異氰酸酯加入反應器中，攪拌均勻后加入0.4質量份的催化劑，90°C的溫度下反應2.5小時；
其中，聚合物多元醇選取聚四氫呋喃二醇；
多異氰酸酯選取苯二亞甲基二異氰酸酯；
催化劑選取鋅酸亞錫。 步驟二:加入7質量份的親水擴鏈劑，90°C下反應2小時；
其中，親水擴鏈劑選取二乙烯三胺。步驟三:降溫至70°C，加入7質量份的溶劑降低粘度，再加入中和劑中和得到pH為I的預聚體，然后將預聚體在高速攪拌下分散于去離子水中；
其中，溶劑選取N，N- 二甲基甲酰胺；
中和劑選取三乙醇胺。
步驟四:加入4質量份的擴鏈劑，攪拌4小時，減壓蒸除溶劑，得到平均粒徑為100-300nm的水性聚氨酯乳液，靜置；
其中，擴鏈劑選取己二胺。

步驟五:選用聚碳 酸酯二醇制備不同粒徑分布的預聚體，在高速攪拌下將其分散于步驟四制備的水性聚氨酯乳液中，高速攪拌4小時，即得到高固含量水性聚氨酯乳液。步驟中，高速攪拌的轉速為1500r/min。實施例5:
高固含量水性聚氨酯的制備方法，由以下步驟實現(xiàn):
步驟一:在氮氣保護下，將70質量份的聚合物多元醇和30質量份的多異氰酸酯加入反應器中，攪拌均勻后加入0.5質量份的催化劑，95°C的溫度下反應2.5小時；
其中，聚合物多元醇選取聚四氫呋喃二醇；
多異氰酸酯選取苯二亞甲基二異氰酸酯；
催化劑選取有機鉍MB20。步驟二:加入10質量份的親水擴鏈劑，100°C下反應3小時；
其中，親水擴鏈劑選取甲基二乙醇胺。步驟三:降溫至75°C，加入9質量份的溶劑降低粘度，再加入中和劑中和得到pH為I的預聚體，然后將預聚體在高速攪拌下分散于去離子水中；
其中，溶劑選取N-甲基吡咯烷酮；
中和劑選取三乙醇胺。步驟四:加入4質量份的擴鏈劑，攪拌4小時，減壓蒸除溶劑，得到平均粒徑為100-300nm的水性聚氨酯乳液，靜置；
其中，擴鏈劑選取己二胺。步驟五:選用聚碳酸酯二醇制備不同粒徑分布的預聚體，在高速攪拌下將其分散于步驟四制備的水性聚氨酯乳液中，高速攪拌4小時，即得到高固含量水性聚氨酯乳液。步驟中，高速攪拌的轉速為2000r/min。經(jīng)實驗測定，本發(fā)明將一定粒徑分布的水性聚氨酯預聚體直接分散于不參與反應且粒徑分布不同的水性聚氨酯乳液中，這樣小粒徑的就會填充在大粒徑的間隙中，從而得到粒徑分布廣、粘度低、穩(wěn)定的固含量為50%以上的水性聚氨酯乳液，產(chǎn)品粘度為500-3000cp,平均粒徑為100-450nm,斷裂伸長率為550-1700%，拉伸強度為12_41MPa。本發(fā)明的內(nèi)容不限于實施例所列舉，本領域普通技術人員通過閱讀本發(fā)明說明書而對本發(fā)明技術方案采取的任何等效的變換，均為本發(fā)明的權利要求所涵蓋。
權利要求
1.固含量水性聚氨酯的制備方法，其特征在于: 由以下步驟實現(xiàn): 步驟一:在氮氣保護下，將40-70質量份的聚合物多元醇和10-30質量份的多異氰酸酯加入反應器中，攪拌均勻后加入0.01-0.5質量份的催化劑，60-95°C的溫度下反應1-2.5小時； 步驟二:加入1-10質量份的親水擴鏈劑，60-100°C下反應1-3小時； 步驟三:降溫至40-75°C，加入4-9質量份的溶劑降低粘度，再加入中和劑中和得到pH為7的預聚體，然后將預聚體在高速攪拌下分散于去離子水中； 步驟四:加入1-4質量份的擴鏈劑，攪拌1-4小時，減壓蒸除溶劑，得到平均粒徑為100-300nm的水性聚氨 酯乳液，靜置； 步驟五:選用不同于步驟一中所用的聚合物多元醇制備不同粒徑分布的預聚體，在高速攪拌下將其分散于步驟四制備的水性聚氨酯乳液中，高速攪拌1-4小時，即得到高固含量水性聚氨酯乳液。
2.根據(jù)權利要求1所述的高固含量水性聚氨酯的制備方法，其特征在于: 步驟一中，聚合物多元醇選自聚己二酸乙二醇酯、聚己二酸新戊二醇酯、聚己二酸乙二醇丙二醇酯、聚己二酸丁二醇酯、聚己二酸己二醇酯、聚己二酸乙二醇一縮二乙二醇酯、聚四氫呋喃二醇、聚碳酸酯二醇。
3.根據(jù)權利要求1或2所述的高固含量水性聚氨酯的制備方法，其特征在于: 步驟一中，多異氰酸酯選自4，4- 二環(huán)己基甲烷二異氰酸酯、異佛爾酮二異氰酸酯、1，6-己基二異氰酸酯、二環(huán)己基甲烷二異氰酸酯、苯二亞甲基二異氰酸酯。
4.根據(jù)權利要求3所述的高固含量水性聚氨酯的制備方法，其特征在于: 步驟一中，催化劑選自二月桂酸二丁基錫、鋅酸亞錫、有機鉍MB20。
5.根據(jù)權利要求4所述的高固含量水性聚氨酯的制備方法，其特征在于: 步驟二中，親水擴鏈劑選自二羥甲基丙酸、二羥基半酯、乙二胺基乙磺酸鈉、二乙烯三胺、甲基二乙醇胺。
6.根據(jù)權利要求5所述的高固含量水性聚氨酯的制備方法，其特征在于: 步驟三中，溶劑選自丙酮、丁酮、甲乙酮、N，N-二甲基甲酰胺、N-甲基吡咯烷酮。
7.根據(jù)權利要求6所述的高固含量水性聚氨酯的制備方法，其特征在于: 步驟三中，中和劑選自三乙胺、三乙醇胺。
8.根據(jù)權利要求7所述的高固含量水性聚氨酯的制備方法，其特征在于: 步驟四中，擴鏈劑選自乙二胺、丁二胺、異佛爾酮二胺、己二胺。
9.根據(jù)權利要求8所述的高固含量水性聚氨酯的制備方法，其特征在于: 所述的高速攪拌的轉速為1000-2000r/min。
全文摘要
本發(fā)明涉及一種高固含量水性聚氨酯的制備方法。水性聚氨酯的水蒸發(fā)潛熱比常用的有機溶劑的蒸發(fā)潛熱高，相同固含量下水性聚氨酯中的水比溶劑型聚氨酯的溶劑揮發(fā)慢，干燥時間長。本發(fā)明在氮氣保護下將聚合物多元醇和多異氰酸酯混合，攪拌均勻后加入催化劑反應；再加入親水擴鏈劑反應；降溫加入溶劑和中和劑得到預聚體，高速攪拌下分散于去離子水中；再加入擴鏈劑攪拌，減壓蒸除溶劑，得到水性聚氨酯乳液；制備不同粒徑分布的預聚體，在高速攪拌下將其分散于水性聚氨酯乳液中，攪拌1-4小時。本發(fā)明的水性聚氨酯乳液粒徑分布廣、粘度低、穩(wěn)定，可解決因水蒸發(fā)潛熱高，揮發(fā)慢，干燥時間長、生產(chǎn)效率低等水性聚氨酯研究領域關鍵性技術難題。
文檔編號C08G18/12GK103087291SQ201310040179
公開日2013年5月8日 申請日期2013年2月1日 優(yōu)先權日2013年2月1日
發(fā)明者羅曉民, 楊菲菲, 曲建波, 馮見艷, 劉蕊, 張鵬 申請人:陜西科技大學