CN105131808A - 一种可用于建筑的阻燃型水性聚氨酯涂料 - Google Patents
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Abstract
本发明公开了一种可用于建筑的阻燃型水性聚氨酯涂料，制备方法为：在三氟甲磺酸二丁硼催化剂存在的条件下，将1,4-双(二甲基羟基硅基)苯与六亚甲基二异氰酸酯按重量比2:1混合，于80~110℃下反应2~4h，再加入对硫磷于反应体系，反应温度80~110℃，反应时间40~60min，得到聚氨酯预聚体；向聚氨酯预聚体中加入扩链剂和丁酮，于65~85℃条件下搅拌反应3~5h，加入三乙胺进行中和反应10~40min，加水进行乳化，形成一种水性聚氨酯；将铝盐分散液、L-焦谷氨酸、螺环磷酰四氢吡咯酯和N-氨乙基-3-氨丙基三乙氧基硅烷加入到水性聚氨酯中，在pH为7的条件下剪切搅拌40~80min，得到阻燃型水性聚氨酯涂料。所得聚氨酯涂料的阻燃性、力学性能均大幅度提高。
Description
本申请是申请日为2014年7月9日提交的申请号为2014103252220，发明名称为一种阻燃型水性聚氨酯涂料的制备方法的中国发明专利申请的分案申请。
技术领域
本发明涉及水性聚氨酯涂料的制备方法，特别涉及一种可用于建筑的阻燃型水性聚氨酯涂料的制备方法。
背景技术
水性聚氨酯(又称水基聚氨酯)是一种在聚氨酯的分子链中含有亲水性基团的聚氨酯树脂，与水具有很强的亲和性，采用特定的工艺能使之在水中分散并形成稳定的体系。水性聚氨酯主要应用于皮革涂饰、纺织印染、造纸业、建筑涂料、胶粘剂、铸钢涂料等方面，所涉及的几乎都是易燃材料，这些材料在使用时如未经阻燃处理，必然成为引发火灾的安全隐患。水性聚氨酯的阻燃化，是水性聚氨酯功能化的重要方向之一。
陈鹤等人[1]陈鹤，罗运军，李杰.硬段阻燃改性水性聚氨酯的合成与性能[J].高分子材料科学与工程，2008,24（6）：79~84以二溴新戊二醇为扩链剂，用硬段改性的方式将阻燃元素引入到水性聚氨酯中，合成出一系列不同改性程度的阻燃水性聚氨酯。氧指数测试发现，水性聚氨酯的氧指数随二溴新戊二醇改性程度增加而增加，其中15％改性的聚氨酯氧指数已达29.6％，使聚氨酯由可燃降低为难燃。但溴系阻燃剂改性的聚氨酯在燃烧时，产生大量的烟雾、并容易腐蚀设备，因此受到一定的限制。而我国目前市场上销售的阻燃水性聚氨酯以共混复配型为主，通过添加大量的阻燃剂来达到阻燃效果，这种方法成本较高且对聚氨酯的性能影响较大。
次膦酸铝类是一种新型的阻燃剂，具有不挥发，含磷量高，热稳定性好等特点。次磷酸铝热稳定性好，使其应用产品具有较高的热稳定性，在处理的材料具有较好的机械性能和较好的抗侯性,含有次磷酸铝的聚合物组合物呈现较高的阻燃性.由于次磷酸铝含磷量高，具有热稳定性好、阻燃效力大等优点。
发明内容
一种可用于建筑的阻燃型水性聚氨酯涂料采用多羟基有机硅取代传统的聚酯多元醇与聚醚多元醇与异氰酸酯反应，选择对硫磷与三氟甲磺酸二丁硼协同催化取代传统的二月桂酸二丁基锡，用有机硅对聚氨酯预聚体进行扩链，同时加入铝盐抑制聚氨酯的发烟量和提高阻燃性，所得聚氨酯燃烧产生致密的保护层，且释放的烟雾小。
本发明采用了以下技术方案。
一种可用于建筑的阻燃型水性聚氨酯涂料的制备方法，其特征在于：
（1)、在三氟甲磺酸二丁硼催化剂存在的条件下，将1,4-双(二甲基羟基硅基)苯与六亚甲基二异氰酸酯照重量比2:1混合，于80~110℃下反应2~4h，再加入对硫磷于反应体系，反应温度80~110℃，反应时间40~60min，得到聚氨酯预聚体；所述催化剂用量为1,4-双(二甲基羟基硅基)苯与六亚甲基二异氰酸酯总重量的0.3~0.7％，对硫磷为1,4-双(二甲基羟基硅基)苯与六亚甲基二异氰酸酯总重量的1.0~1.4%；
（2)、向聚氨酯预聚体中加入聚氨酯预聚体总重量1.4~2.8％的扩链剂和聚氨酯预聚体重量16~24％的丁酮，于65~85℃条件下搅拌反应3~5h，加入三乙胺进行中和反应10~40min，加水进行乳化，形成一种水性聚氨酯备用；所述的三乙胺为聚氨酯预聚体重量的10~30%；
（3)、向质量浓度为10％的铝盐化合物溶液中加入铝盐化合物溶液重量1.5~1.8%的分散剂，在温度为30℃、pH为7的条件下，超声粉碎20min，得铝盐分散液备用；
（4）、将水性聚氨酯固含量10~20％的铝盐分散液、水性聚氨酯固含量1~2%的L-焦谷氨酸、水性的聚氨酯固含量10~20%的螺环磷酰四氢吡咯酯和水性聚氨酯固含量1~2%的N-氨乙基-3-氨丙基三乙氧基硅烷加入到水性聚氨酯中，在pH为7的条件下剪切搅拌40~80min，得到阻燃性水性聚氨酯涂料。
扩链剂为二苯基二羟基硅烷、4,4'-双(二甲基羟基硅基)二苯醚、二羟基硅酞菁中的任意一种；铝盐化合物为二苯基次膦酸铝、二丙基次膦酸铝和二乙基次膦酸铝中的任意一种；
分散剂为N,N-二甲基氨基丙胺、十二烷基苯磺酸钠、聚丙烯酸钠、聚乙烯醇、阳离子聚丙烯酰胺、硅酸钠、六偏磷酸钠的任意一种；剪切搅拌速度700~1200rpm。
本发明具有以下特点：
（1）所制备的阻燃型水性聚氨酯涂料燃烧时相比传统的阻燃聚氨酯释放的烟雾大幅降低，且阻燃性价比高；
（2）预聚体合成中所选择的催化剂取代了传统的二月桂酸二丁基锡所制得聚氨酯膜表面差的缺陷，使制品表面平整光滑，韧性好。
（3）选择有机硅做扩链剂，发挥氮、磷、硅化合物能形成良好的致密层，而铝盐化合物具有良好抑烟性、阻燃性，做到防火防烟的最佳阻燃效果。
（四）、具体实施方式下面结合实例进一步说明本发明。
实例一
（1)、在装有搅拌浆、温度计、冷凝管的500ml的四口烧瓶中，加入0.3g三氟甲磺酸二丁硼、1,4-双(二甲基羟基硅基)苯66g与六亚甲基二异氰酸酯33g，于80℃下反应2h，再加入对硫磷0.99g于四口烧瓶，反应温度80℃，反应时间40min，得到聚氨酯预聚体99.8g；
（2)、向聚氨酯预聚体中加入二苯基二羟基硅烷1.4g和丁酮16g，于65℃条件下搅拌反应3h，加入三乙胺9.98g进行中和反应10min，加水160g进行乳化，形成一种固含量为35.4%的水性聚氨酯282g，转入到500ml烧杯中备用；
（3)、往50ml烧杯中加入3g二苯基次膦酸铝、27g水和N,N-二甲基氨基丙胺0.45g，在温度为30℃、pH为7的条件下，超声粉碎20min，得铝盐分散液备用；
（4）、将铝盐分散液10.1g、L-焦谷氨酸1g、螺环磷酰四氢吡咯酯10.1g和N-氨乙基-3-氨丙基三乙氧基硅烷1g加入到上述（2）中，在pH为7的条件下700rpm下剪切搅拌40min，得到阻燃型聚氨酯涂料。
实例二
（1）、在装有搅拌浆、温度计、冷凝管的500ml的四口烧瓶中，加入0.7g三氟甲磺酸二丁硼、1,4-双(二甲基羟基硅基)苯66g与六亚甲基二异氰酸酯33g，于110℃下反应4h，再加入对硫磷1.39g于四口烧瓶，反应温度110℃，反应时间60min，得到聚氨酯预聚体100.5g；
（2）、向聚氨酯预聚体中加入4,4'-双(二甲基羟基硅基)二苯醚2.8g和丁酮24.1g，于85℃条件下搅拌反应5h，加入三乙胺20.1g进行中和反应40min，加水150g进行乳化，形成一种固含量为35%的水性聚氨酯295g，转入到500ml烧杯中备用；
（3）、往50ml烧杯中加入3g二丙基次膦酸铝、27g水和十二烷基苯磺酸钠0.54g，在温度为30℃、pH为7的条件下，超声粉碎20min，得铝盐分散液备用；
（4）、将铝盐分散液20.7g、L-焦谷氨酸2.1g、螺环磷酰四氢吡咯酯20.7g和N-氨乙基-3-氨丙基三乙氧基硅烷2.1g加入到上述（2）中，在pH为7的条件下1200rpm下剪切搅拌80min，得到阻燃型聚氨酯涂料。
实例三
（1)、在装有搅拌浆、温度计、冷凝管的500ml的四口烧瓶中，加入0.5g三氟甲磺酸二丁硼、1,4-双(二甲基羟基硅基)苯66g与六亚甲基二异氰酸酯33g，于95℃下反应3h，再加入对硫磷1.19g于四口烧瓶，反应温度95℃，反应时间50min，得到聚氨酯预聚体100g；
（2)、向聚氨酯预聚体中加入二羟基硅酞菁2.1g和丁酮20g，于75℃条件下搅拌反应4h，加入三乙胺15g进行中和反应25min，加水150g进行乳化，形成一种固含量为35.8%的水性聚氨酯285g，转入到500ml烧杯中备用；
（3)、往50ml烧杯中加入3g二乙基次膦酸铝、27g水和聚丙烯酸钠0.45g，在温度为30℃、pH为7的条件下，超声粉碎20min，得铝盐分散液备用；
（4）、将铝盐分散液15.3g、L-焦谷氨酸1.5g、螺环磷酰四氢吡咯酯15.3g和N-氨乙基-3-氨丙基三乙氧基硅烷1.5g加入到上述（2）中，在pH为7的条件下950rpm下剪切搅拌60min，得到阻燃型聚氨酯涂料。
实例四
（1)、在装有搅拌浆、温度计、冷凝管的500ml的四口烧瓶中，加入0.7g三氟甲磺酸二丁硼、1,4-双(二甲基羟基硅基)苯66g与六亚甲基二异氰酸酯33g，于110℃下反应4h，再加入对硫磷1.39g于四口烧瓶，反应温度110℃，反应时间60min，得到聚氨酯预聚体100.5g；
（2)、向聚氨酯预聚体中加入4,4'-双(二甲基羟基硅基)二苯醚2.8g和丁酮24.1g，于85℃条件下搅拌反应5h，加入三乙胺20.1g进行中和反应40min，加水150g进行乳化，形成一种固含量为35%的水性聚氨酯295g，转入到500ml烧杯中备用；
（3)、往50ml烧杯中加入3g二丙基次膦酸铝、27g水和十二烷基苯磺酸钠0.54g，在温度为30℃、pH为7的条件下，超声粉碎20min，得铝盐分散液备用；
（4）、将铝盐分散液20.7g、L-焦谷氨酸2.1g、螺环磷酰四氢吡咯酯20.7g、N-氨乙基-3-氨丙基三乙氧基硅烷2.1g和酒石酸肾上腺素0.2g加入到上述（2）中，在pH为7的条件下1200rpm下剪切搅拌80min，得到阻燃型聚氨酯涂料。
实例五
（1)、在装有搅拌浆、温度计、冷凝管的500ml的四口烧瓶中，加入0.5g三氟甲磺酸二丁硼、1,4-双(二甲基羟基硅基)苯66g与六亚甲基二异氰酸酯33g，于95℃下反应3h，再加入对硫磷1.19g于四口烧瓶，反应温度95℃，反应时间50min，得到聚氨酯预聚体100g；
（2)、向聚氨酯预聚体中加入二羟基硅酞菁2.1g和丁酮溶剂20g，于75℃条件下搅拌反应4h，加入三乙胺15g进行中和反应25min，加水150g进行乳化，形成一种固含量为35.8%的水性聚氨酯285g，转入到500ml烧杯中备用；
（3)、往50ml烧杯中加入3g二乙基次膦酸铝、27g水和聚丙烯酸钠0.45g，在温度为30℃、pH为7的条件下，超声粉碎20min，得铝盐分散液备用；
（4）、将铝盐分散液15.3g、L-焦谷氨酸1.5g、螺环磷酰四氢吡咯酯15.3g、N-氨乙基-3-氨丙基三乙氧基硅烷1.5g和0.5g的3,3'-二氨基双酚S加入到上述（2）中，在pH为7的条件下950rpm下剪切搅拌60min，得到阻燃型聚氨酯涂料。
表一和表二是本发明实例一到实例五所制备的一种阻燃型水性聚氨酯所成的膜。阻燃性是通过烟密度法（最大烟密度、达到最大烟密度时间）、氧指数、垂直燃烧指标（有焰燃烧时间、无焰燃烧时间）来衡量，断裂伸长率表征其力学性能。
表一阻燃型水性聚氨酯膜的阻燃性
| 实例一 | 实例二 | 实例三 | 实例四 | 实例五 | 市场PU-1 | |
| 最大烟密度 | 22 | 25 | 27 | 11 | 6 | 43 |
| 达到最大烟密度时间/s | 160 | 160 | 185 | 180 | 180 | 120 |
| 氧指数 | 25.4 | 24.7 | 25.8 | 26.8 | 26.6 | 23 |
| 有焰燃烧时间/s | 21.3 | 21.4 | 13.2 | 10.7 | 10.1 | 24 |
| 无焰燃烧时间/s | 0 | 0 | 0 | 0 | 0 | 0 |
表一各项指标的检测分别依据如下标准：烟密度依据GB8323-2008来测定，氧指数采用GB/T5454-1997《纺织品燃烧性能试验-氧指数法》测定；有焰燃烧时间和无焰燃烧时间是由GB/T5455-1997《纺织品燃烧能试验-垂直法》来测定。
由表一可知，本发明阻燃型水性聚氨酯燃烧时，最大烟密度显著降低，达到最大烟密度时间显著延长，氧指数明显提高，燃烧时间明显缩短。
表二阻燃型水性聚氨酯膜的断裂伸长率
| 实例一 | 实例二 | 实例三 | 实例四 | 实例五 | 市场PU-1 | |
| 断裂伸长率/% | 185.06 | 192.07 | 177.38 | 192.69 | 193.54 | 164.1 |
表二中指标的检测方法参考[2]蒋维祺.皮革成品理化检验[M].中国轻工业出版社，1999，82-96，本发明阻燃性聚氨酯的断裂伸长率得到明显改善。
Claims (2)
1.一种可用于建筑的阻燃型水性聚氨酯涂料，制备方法为：
（1）、在三氟甲磺酸二丁硼催化剂存在的条件下，将1,4-双(二甲基羟基硅基)苯与六亚甲基二异氰酸酯按照重量比2:1混合，于80~110℃下反应2~4h，再加入对硫磷于反应体系，反应温度80~110℃，反应时间40~60min，得到聚氨酯预聚体；所述催化剂用量为1,4-双(二甲基羟基硅基)苯与六亚甲基二异氰酸酯总重量的0.3~0.7％，对硫磷为1,4-双(二甲基羟基硅基)苯与六亚甲基二异氰酸酯总重量的1.0~1.4%；
（2）、向聚氨酯预聚体中加入聚氨酯预聚体重量1.4~2.8％的扩链剂和聚氨酯预聚体总重量16~24％的丁酮溶剂，于65~85℃条件下搅拌反应3~5h，加入三乙胺进行中和反应10~40min，加水进行乳化，形成一种水性聚氨酯备用；所述的三乙胺为聚氨酯预聚体重量的10~30%；
（3）、向质量浓度为10％的铝盐化合物溶液中加入铝盐化合物溶液重量1.5~1.8%的分散剂，在温度为30℃、pH为7的条件下，超声粉碎20min，得铝盐分散液备用,所述铝盐化合物为二苯基次膦酸铝、二丙基次膦酸铝和二乙基次膦酸铝中的任意一种；
（4）、将水性聚氨酯固含量10~20％的铝盐分散液、水性聚氨酯固含量1~2%的L-焦谷氨酸、水性的聚氨酯固含量10~20%的螺环磷酰四氢吡咯酯和水性聚氨酯固含量1~2%的N-氨乙基-3-氨丙基三乙氧基硅烷加入到水性聚氨酯中，在pH为7的条件下剪切搅拌40~80min，得到阻燃型水性聚氨酯涂料；扩链剂为二苯基二羟基硅烷、4,4'-双(二甲基羟基硅基)二苯醚、二羟基硅酞菁中的任意一种；分散剂为N,N-二甲基氨基丙胺、十二烷基苯磺酸钠、聚丙烯酸钠、聚乙烯醇、阳离子聚丙烯酰胺、硅酸钠、六偏磷酸钠的任意一种。
2.如权利要求1所述的一种可用于建筑的阻燃型水性聚氨酯涂料，其特征在于：剪切搅拌速度为700~1200rpm。
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