CN101906192A - 一种水性聚氨酯-丙烯酸酯复合乳液的制备方法 - Google Patents
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Abstract
本发明公开了一种水性聚氨酯-丙烯酸酯复合乳液的制备方法。本发明在无金属催化剂和有机溶剂存在下,聚合物二元醇、二异氰酸酯、亲水性扩链剂合成水性聚氨酯预聚体,然后用乙烯基化合物对预聚体进行封端,随后中和、滴加水进行自乳化,然后扩链,得到水性聚氨酯分散体,在无外加乳化剂存在下,往分散体中滴加溶有引发剂的丙烯酸酯类单体进行聚合,制得高固含量的水性聚氨酯-丙烯酸酯复合乳液。所得复合乳液固含量高于45%,且制备过程中不使用任何溶剂和金属催化剂,无污染物排放,为清洁生产过程。所得水性环保型高固含量水性聚氨酯-丙烯酸酯复合乳液可用作胶粘剂、涂料等。
Description
技术领域
本发明涉及一种聚合物乳液的制备方法,具体涉及一种水性聚氨酯-丙烯酸酯复合乳液的制备方法。
背景技术
聚氨酯是一种性能优异的高分子材料,具有耐低温、耐化学腐蚀、耐摩擦及柔性好等优点,目前已作为涂料、胶粘剂、织物整理剂等得到广泛应用。传统的聚氨酯材料以溶剂型为主,所用的有机溶剂一般具有易燃、易爆、气味大、有毒等缺点,在生产与使用过程中容易对人类健康与环境造成危害。上世纪七十年代开始出现并得到迅速发展的水性聚氨酯材料,与传统的溶剂型聚氨酯相比,具有毒性小、不易燃、低污染等优点。随着水性聚氨酯产品性能的不断提高,以及很多国家、部门在限制挥发性有机化合物(VOC)使用方面相关法令的颁布,从溶剂型聚氨酯到水性聚氨酯的转变已成必然。
然而,水性聚氨酯在具有优异的耐溶剂性、耐磨性及柔韧性等众多优点的同时,由于自身结构中引入了亲水基团,存在着耐水性变差、表面光泽度降低等缺陷,且生产成本较高。而被广泛应用于涂料、胶粘剂、印染等领域的聚丙烯酸酯材料,则有具有耐候、耐污染、耐酸、耐碱、透明性好等性能,且生产成本较低,但是也存在着低温易变脆、高温变黏、耐溶剂性差、抗拉伸性能不佳等缺点。因此,通过物理或化学方法将两者结合在一起,制备水性聚氨酯-丙烯酸酯复合乳液,不仅降低了生产成本,且兼具两者的优点,实现优势互补,改善产品性能。
目前国内报道的水性聚氨酯-丙烯酸酯复合乳液固含量较低,一般为30%~40%,具有核壳结构,且在制备过程中,往往需要使用有机溶剂溶解亲水扩链剂或降低聚氨酯预聚体粘度,最后产物需脱除和回收有机溶剂。不使用有机溶剂,可省去溶剂脱除和回收后工序以提高生产效率,同时可避免生产与使用过程中对人类健康与环境造成的危害,符合清洁生产的概念;另一方面高固含量乳液具有干燥快、初粘好等优点,同时也降低生产、包装和运输成本。因此,不使用任何溶剂制备高固含量(45%以上)的水性聚氨酯-丙烯酸酯复合乳液,将具有重要的实际应用价值,相关途径鲜有报道。
发明内容
本发明的目的是为了克服目前水性聚氨酯-丙烯酸酯复合乳液制备方法中存在的缺点,提供一种新的制备方法,这种方法无需溶剂即可合成具有高固含量水性聚氨酯-丙烯酸酯复合乳液。
本发明通过如下技术方案实现,包括如下步骤:
(1)在无任何金属催化剂和溶剂下,采用聚合物二元醇、二异氰酸酯、亲水性扩链剂合成水性聚氨酯预聚体;
(2)用乙烯基化合物对预聚体进行封端,随后中和、加水自乳化、扩链,得到水性聚氨酯分散体;
(3)在无外加乳化剂存在下,往分散体中滴加溶有引发剂的丙烯酸酯类单体进行聚合,制得高固含量的水性聚氨酯-丙烯酸酯复合乳液。
所述聚合物二元醇为聚己二酸丁二醇酯(PBA)、聚丙二醇(PPG)的一种或两种的混合物。
所述二异氰酸酯为六亚甲基二异氰酸酯(HDI)与异佛尔酮二异氰酸酯(IPDI)按摩尔比2:1组成的混合物。
所述亲水性扩链剂为二羟甲基丁酸(DMBA),占水性聚氨酯质量的3.2 ~ 4.0 %。二羟甲基丙酸(DMPA)是目前合成水性聚氨酯时使用较广泛的亲水扩链剂,但DMPA熔点高(175~185℃) ,很难加热溶解,这就需加入溶剂如N-甲基吡咯烷酮(NMP) 、丙酮等。NMP沸点高,很难除去,而DMPA在丙酮中的溶解度较小,在合成过程中需要加入大量的丙酮,脱酮过程麻烦且脱不干净,给生产过程带来安全隐患。二羟甲基丁酸(DMBA) 具有比DMPA更低的熔点,而且DMBA容易溶于多元醇。采用DMBA作亲水扩链剂,可以减少甚至不使用溶剂,进行聚氨酯的预聚合反应。
步骤(1)中,所述反应体系中,-NCO与-OH的摩尔比为1.5~1.8,所述-NCO为HDI和IPDI所含异氰酸酯基的总摩尔量,所述-OH为聚合物二元醇和DMBA所含羟基的总摩尔量;聚氨酯预聚体在80℃,氮气保护下进行合成,反应时间为3.5h。
步骤(2)中,所述乙烯基化合物为甲基丙烯酸羟乙酯,封端反应的温度为70℃,封端反应时间为1h; 中和反应采用三乙胺进行,中和反应的温度为60℃,中和反应时间为20min;通过将水滴加入预聚体中得到自乳化的水性聚氨酯预乳液,乳化温度为60℃,乳化时间为20min,搅拌速度为400r/min;所得聚氨酯预乳液采用已二胺水溶液进行扩链,反应温度为60℃。
步骤(3)中,所述引发剂为偶氮二异丁腈(AIBN),丙烯酸酯类单体为甲基丙烯酸甲酯、甲基丙烯酸丁酯、丙烯酸丁酯中的一种或几种的混合物,聚合反应的温度为79~90℃,聚合反应时间为7h。
本发明制备的水性聚氨酯-丙烯酸酯复合乳液固含量高于45%,储藏稳定性大于12月。
与现有技术相比,本发明具有如下有益效果:
本发明以新型亲水扩链剂DMBA代替常用的DMPA,并通过控制-NCO与-OH的摩尔比(R值)使聚氨酯预聚体具有适当的粘度,实现合成过程不使用任何溶剂,不使用有机溶剂,可省去需溶剂脱除和回收后工序以提高生产效率,同时可避免生产与使用过程中人类健康与环境造成的危害;不使用金属催化剂可避免残留金属毒性;不使用外加乳化剂可提高产物耐水性;固含量达到45%,具有干燥快、初粘好等优点,还可以降低生产、包装和运输成本。
具体实施方式
以下结合实施例来进一步解释本发明,但实施例并不对本发明做任何形式的限定。
实施例1:聚酯型水性聚氨酯-丙烯酸酯复合乳液的制备
先将25.6g PBA置于250mL三颈烧瓶,120℃下真空除水1h。停真空、通氮,加入1.304g DMBA,继续加热至其全部溶解。冷却至80℃,加入2.26mL IPDI和3.46mL HDI,80℃、300 r/min搅拌下反应3.5h,得到水性聚氨酯预聚体;降温至70℃,加入HEMA0.82 g,继续反应1h。降温至60℃,加入0.85g TEA,反应20min。向反应体系中滴加63mL水,400r/min下搅拌乳化,得到预乳液,将0.265g EDA溶于6.3mL水后滴加至上述预乳液中,反应30min,得到水性聚氨酯分散体。然后在79℃、搅拌(300r/min)下,向上述分散体中滴加溶有0.204g AIBN的 BA溶液 22.68g,3h内滴完,继续反应2h。升温至82℃,反应1h,再升温至85℃,反应45min,再升温至90℃,反应15min。冷却至常温,出料。所得复合乳液固含量为45%,粘度为52.8 cP,胶膜拉伸强度为13.9MPa,断裂伸长率为1022.0%,25℃下24h吸水率为1.07%,60℃36h吸水率为5.87%。平均乳液粒径为87.5nm,储藏稳定性大于12月。
实施例2:聚醚型水性聚氨酯-丙烯酸酯复合乳液的制备
按实施例1相同的制备方法,但25.6g PBA改为25.6g PPG,22.68g BA改为22.68g MMA。所得复合乳液固含量为45%,粘度为45.4cP,平均粒径为138.9nm,胶膜透明,拉伸强度为14.2MPa,断裂伸长率为452.5%,25℃下24h吸水率为3.00%,60℃36h吸水率为15.22%。
实施例3:聚酯/聚醚型水性聚氨酯-丙烯酸酯复合乳液的制备
按实施例1相同的制备方法,但25.6g PBA改为20.48gPBA和5.12g PPG。所得复合乳液固含量为45%,粘度为93.2 cP,平均粒径为93.1nm,拉伸强度为7.1MPa,断裂伸长率为882.8%,25℃下24h吸水率为1.91%,60℃36h吸水率为7.53%。
Claims (10)
1.一种水性聚氨酯-丙烯酸酯复合乳液的制备方法,其特征在于包括如下步骤:
(1)在无任何金属催化剂和溶剂下,采用聚合物二元醇、二异氰酸酯、亲水性扩链剂合成水性聚氨酯预聚体;
(2)用乙烯基化合物对预聚体进行封端,随后中和、滴加水进行自乳化,然后扩链,得到水性聚氨酯分散体;
(3)在无外加乳化剂存在下,往分散体中滴加溶有引发剂的丙烯酸酯类单体进行聚合,制得高固含量的水性聚氨酯-丙烯酸酯复合乳液。
2.如权利要求1所述的制备方法,其特征在于所述聚合物二元醇为聚己二酸丁二醇酯、聚丙二醇中的一种或两种的混合物。
3.如权利要求1所述的制备方法,其特征在于所述二异氰酸酯为六亚甲基二异氰酸酯与异佛尔酮二异氰酸酯按摩尔比2:1组成的混合物。
4.如权利要求1所述的制备方法,其特征在于所述亲水性扩链剂为二羟甲基丁酸,占水性聚氨酯预聚体质量的3.2 ~ 4.0 %。
5.如权利要求1所述的制备方法,其特征在于步骤(1)中,所述反应体系中,-NCO与-OH的摩尔比为1.5~1.8,所述-NCO为六亚甲基二异氰酸酯和异佛尔酮二异氰酸酯所含异氰酸酯基的总摩尔量,所述-OH为聚合物二元醇和二羟甲基丁酸所含羟基的总摩尔量。
6.如权利要求1所述的制备方法,其特征在于步骤(1)中,所述聚氨酯预聚体在80℃,氮气保护下进行合成,反应时间为3.5小时。
7.如权利要求1所述的制备方法,其特征在于步骤(2)中,所述乙烯基化合物为甲基丙烯酸羟乙酯,封端反应的温度为70℃,封端反应时间为1小时。
8.如权利要求1所述的制备方法,其特征在于步骤(2)中,所述中和为采用三乙胺进行中和反应,中和反应的温度为60℃,中和反应时间为20分钟。
9.如权利要求1所述的制备方法,其特征在于步骤(2)中,所述扩链为采用乙二胺进行扩链反应,扩链反应的温度为60℃,扩链反应时间为30分钟。
10.如权利要求1所述的制备方法,其特征在于步骤(3)中,所述引发剂为偶氮二异丁腈,丙烯酸酯类单体为甲基丙烯酸甲酯、甲基丙烯酸丁酯、丙烯酸丁酯中的一种或几种的混合物,聚合反应的温度为79~90℃,聚合反应时间为7小时。
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