CN112250835B - 一种制备无色多异氰酸酯组合物的方法 - Google Patents

Abstract

本发明提供了一种制备无色多异氰酸酯组合物的方法。所述方法包括以下步骤：使脂族/脂环族二异氰酸酯单体在催化剂的作用下进行三聚反应，制备包含异氰脲酸酯的多异氰酸酯组合物；所述催化剂在使用前预配制成溶液，并调节溶液pH至5‑7，优选6‑7，更优选6‑6.5。本发明无需经过任何后处理就可以直接制备得到色度较低且在长期储存过程中色度稳定性优异的多异氰酸酯组合物。

Description

一种制备无色多异氰酸酯组合物的方法

技术领域

本发明涉及一种制备方法，尤其涉及一种制备无色多异氰酸酯组合物的方法。

背景技术

以多异氰酸酯为固化剂的聚氨酯系涂料组合物由于其涂膜的耐化学药品性、挠性、耐候性等优异，因此被广泛用作汽车、建筑内外饰、家电等的涂料。相较于芳香族二异氰酸酯制备得到的组合物，由衍生自脂肪族二异氰酸酯的含有异氰脲酸酯的多异氰酸酯得到的涂膜具有更加优异的耐黄变性能，在产品色度要求较高的领域中具有更加广泛的应用。

已知现有技术通过多种方法尝试制备无色多异氰酸酯，如以下专利技术所公开：

CN102257026A采用波长为200-600nm的光照射基于(环)脂族二异氰酸酯获得的多异氰酸酯以降低产品色度，但颜色储存稳定性较差，50℃下仅能维持9个星期，根据本发明人的研发经验，其在室温下通常也仅能维持6个月左右。

EP0377177A1公开了将多异氰酸酯在100至10000ppm重量的过氧化氢混合物中进行蒸馏后处理以控制产品色值，但该方法仅适用于以有机膦作为催化剂使异氰酸酯进行齐聚的方案。

EP0630928A2提出一种制备含有异氰脲酸酯和/或脲醛基的多异氰酸酯的方法，通过催化齐聚以及用过氧羧酸处理齐聚产物以降低颜色指数和提高保质期。该方法的缺点是额外引入的过氧羧酸会保留在产物中，储存过程中会分解产生氧气，从而导致产品氧化颜色变深。

发明内容

本发明提供了一种制备无色多异氰酸酯组合物的方法，通过该方法制备得到的多异氰酸酯组合物初始色度低，且在长期储存过程中色度稳定。

为解决以上技术问题，本发明通过以下技术方案来实现：

一种制备无色多异氰酸酯组合物的方法，包括以下步骤：

使脂族/脂环族二异氰酸酯单体在催化剂的作用下进行三聚反应，制备包含异氰脲酸酯的多异氰酸酯组合物；所述三聚反应温度优选为60-100℃。

所述催化剂在使用前预配制成溶液，并调节溶液pH至5-7，优选6-7，更优选6-6.5。

本发明人通过深入研究意外地发现，将三聚催化剂预先调pH至弱酸性，有利于降低多异氰酸酯组合物的初始色度，并提高其储存稳定性(从颜色变化方面)，从而完成了本发明。

进一步地，反应完成后，添加酸类化合物作为终止剂结束反应，或高温加热结束反应，例如在150-200℃的温度范围内对催化剂进行灭活，终止反应。

所述酸类化合物优选盐酸、磷酸、磷酸二甲酯、磷酸二乙酯、磷酸二正丁酯、磷酸-2-乙基己酯、对甲苯磺酸、苯磺酸、烷基苯磺酸、乙酰氯、苯甲酰氯中的至少一种。

进一步地，反应结束后，将反应液经两级薄膜蒸发得到多异氰酸酯组合物。通过薄膜蒸发技术控制组合物中游离二异氰酸酯单体的含量在现有技术中是已知的，如论文《HDI固化剂的合成及工艺优化》，解亮等，北京理工大学.所公开。本发明对其具体工艺参数不做任何限定，可以采用如前述文献优选的最佳两级分离条件，也可以在前述文献方案的基础上根据实际工业状况进行合理的变换。

在一项优选的具体的实施方式中，所述催化剂为主催化剂或主催化剂与助催化剂的混合物；

所述主催化剂为季铵盐、季铵碱、季磷盐中的至少一种，优选四甲基醋酸铵、四丁基醋酸铵、四甲基丙酸铵、四甲基氢氧化铵、苄基三甲基氢氧化铵、苄基三苯基氯化膦中的一种或多种；

所述助催化剂为含有氮原子、磷原子、氧原子或硫原子的五元或六元杂环类有机物中的一种或多种，优选吡唑、咪唑、吡咯、噻吩、呋喃、吡啶、哒嗪中的一种或多种。

考虑到将催化剂溶液pH调节至弱酸性对上述主催化剂的催化性能可能造成一定负面影响，本发明优选进一步添加杂环类助催化剂与主催化剂混合使用，以弥补催化性能，保证催化效率。

前文所述的主催化剂溶解后呈碱性，添加至三聚体系中仍然处于碱性环境，而三聚反应过程通常为高温条件，容易造成主催化剂分解生成游离胺。据本发明人研究发现，游离胺可能是影响产品储存时色度变化较大的重要因素，因此，基于解决催化剂分解对产品色度的影响，本发明预先将主催化剂pH调节至弱酸性再添加至三聚反应体系实施催化，主催化剂能够更加稳定存在于体系中不发生分解，从而保证产品颜色稳定性优异，从而实现了本发明。

在一项优选的具体实施方式中，本发明通过以下两种方式对催化剂pH进行调节：

1)通过调控主催化剂与助催化剂的相对比例对催化剂溶液的pH进行调节；

和/或，

2)通过加入酸性调节剂对催化剂溶液的pH进行调节；优选地，所述酸性调节剂为盐酸或碳原子数为2-10的羧酸中的至少一种。

在本反应体系中，主催化剂一般优选季铵盐或季铵碱，而季铵盐结构中其阴离子主要为羧酸根或氯离子。本发明采用碳原子数为2-10的羧酸或盐酸对溶液酸碱性进行调控，可尽量避免引入新离子，同时可避免新的阴离子形成铵盐，引起在体系中相容性较差的问题。

在一项优选的具体实施方式中，所述主催化剂与助催化剂的质量比为1：0.1-3，优选1：0.5-1.5。

在一项优选的具体实施方式中，预配制的催化剂溶液的质量浓度为3-80％。在本发明技术方案的基础上，预配制的催化剂溶液的浓度对本发明的技术效果构不成绝对影响。根据催化剂的种类和市售规格的不同，领域内技术人员有能力选择使用不同质量浓度(如高、中、低)的催化剂。基于避免引入过多溶剂的因素，本发明优选较高质量浓度的催化剂，比如80％以下；基于实际工艺中方便调节pH的因素，本发明优选较低质量浓度的催化剂，比如3％以上。

本发明中，催化剂溶液的溶剂可以是水或其它不与催化剂反应并能使催化剂溶解至足够程度的有机溶剂等，例如脂肪族或芳香族烃、醇、酮、酯和醚等。基于避免引入过多杂质的因素，优选使用碳原子数不超过5的小分子醇，如甲醇、乙醇、乙二醇、丙三醇、异丙醇、正丁醇中的任意一种。当溶剂为水时，优选配制成质量浓度大于50％的催化剂溶液，避免水与异氰酸酯反应生成过多聚脲，或者配制成高浓度催化剂溶液之后再通过其他有机溶剂对催化剂进行开稀，方便调节pH。

在一项优选的具体实施方式中所述催化剂用量相对于二异氰酸酯单体质量为30-1000ppm。

在一项优选的具体实施方式中，所述终止剂用量相对于二异氰酸酯单体质量为20-800ppm。

在一项优选的具体实施方式中，所述脂族/脂环族二异氰酸酯单体为1,4-四亚甲基二异氰酸酯、1,5-五亚甲基二异氰酸酯、六亚甲基二异氰酸酯(HDI)、赖氨酸二异氰酸酯、异佛尔酮二异氰酸酯(IPDI)、三甲基己二异氰酸酯、二环己基甲烷二异氰酸酯(H6MDI)、降冰片烷二亚甲基异氰酸酯、环己基二亚甲基二异氰酸酯(H6XDI)中的至少一种，优选为六亚甲基二异氰酸酯(HDI)和异佛尔酮二异氰酸酯(IPDI)中的至少一种。

本发明无需经过任何后处理就可以直接制备得到色度较低且在长期储存过程中色度稳定性优异的多异氰酸酯组合物，工业适用性强，与现有产品相比具有更加广泛的竞争力。

具体实施方式

下面通过具体实施例对本发明做进一步说明，本发明所述实施例只是作为对本发明的说明，不限制本发明的范围。

＜产品粘度的测定＞：

产品粘度使用Brookfield RC/S流变仪进行测定，转子型号CC-40，恒温水浴，控制温度在25±0.1℃；剪切率25S-1-250S-1。

＜产品色度的测定＞：

产品的色度使用BYK-Gardner GmbH/USA色度仪进行测定。

＜游离单体质量浓度的测定＞：

精密称量1g多异氰酸酯组合物样品以及1g苯甲醇，分别添加至样品瓶；然后向样品瓶中添加10ml二氯甲烷以及0.1g二月桂酸二丁基锡，盖上盖，充分摇匀后置于50℃下反应0.5h得到待测样品。通过气相色谱分析待测样品，对样品中的游离单体量进行定量，气相色谱分析条件如下：

①装置：HPLC-1260-Agilent液相色谱仪(配紫外检测器)

②柱：WonderSil C18 5μm(4.6×250mm)

③柱烘箱温度：40℃

④检测波长：258nm。

＜NCO含有率(NCO％)＞：

将1g多异氰酸酯组合物样品添加至20mL、0.5mol/L二正丁基胺-甲苯溶液中，对-NCO基团进行中和；然后采用0.5mol/L盐酸标准溶液进行反滴定。然后以不添加多异氰酸酯组合物样品的二正丁基胺-甲苯溶液作为空白对照，通过以下公式计算求出NCO含有率：

NCO(％)＝(V₀-V)*c*0.04202*100/m

式中：V——滴定试样时消耗的盐酸标准溶液的体积，mL

V₀——滴定空白时消耗的盐酸标准溶液的体积，mL

c——盐酸标准溶液的实际浓度，mol/L

m——试样的质量，g。

＜pH测定＞：

通过梅特勒-托利多SevenExcellence系列pH计进行测定。

主要原料及来源信息：

六亚甲基二异氰酸酯：HDI，万华化学集团股份有限公司

异佛尔酮二异氰酸酯：IPDI，万华化学集团股份有限公司

二环己基甲烷二异氰酸酯：H6MDI，万华化学集团股份有限公司

四丁基醋酸铵：CAS 10534-59-5，阿拉丁

四甲基氢氧化铵：CAS 75-59-2，阿拉丁

苄基三甲基氢氧化铵：CAS 100-85-6，阿拉丁

2-羟丙基三甲基异辛酸铵盐：CAS 62314-22-1，湖北信康医药化工有限公司吡唑：CAS 288-13-1，阿拉丁

咪唑：CAS 288-32-4，阿拉丁

其他原料及试剂若无特殊说明，均通过市售商业途径购买获得。

【实施例1】

将5g质量比为1：0.8的四丁基醋酸铵和吡唑的混合物溶解于20g无水乙醇中，配制成质量浓度为20％的催化剂组合物；以浓度为40％的醋酸溶液为pH调节剂，将催化剂组合物的pH调节为5。在氮气保护条件下，将2kg HDI单体在60℃水浴中加热1h，然后加入相对于HDI单体含量为150ppm(干重0.3g)的催化剂组合物，于70℃下继续反应，待反应液中的NCO含有率达到39.3％时，添加相对于HDI单体含量为120ppm的磷酸二正丁酯(0.24g)终止反应；接着，使用薄膜蒸发器在150℃、0.2Torr的条件下蒸馏2次，制备得到多异氰酸酯组合物。

【实施例2-10】

按照表1中各原料种类及用量、反应指标分别制备多异氰酸酯组合物，其他操作同实施例1。

【对比例1-5】

按照表1中各原料种类及用量、反应指标分别制备多异氰酸酯组合物，除催化剂不通过pH调节剂进行pH调节以外，其他操作同实施例1。

表1、各实施例及对比例的原料种类及用量

性能测试：将各实施例及对比例制备的多异氰酸酯组合物在室温条件下长期储存，跟踪其色度变化，以对颜色储存稳定性进行对比，结果如表2所示。

表2、性能测试结果

通过以上测试结果分析得知：通过本发明方法制备得到的多异氰酸酯组合物在测试时长300天内均表现出了较为稳定的色度变化，产品具有优异的储存稳定性。而对比例1-3的测试结果可知，当催化剂组合物的pH＞7时，产品随pH的递增表现出了逐渐增大的色度变化，可以看出催化剂的碱性环境对产品储存时的颜色稳定性是不利的。对比例4-5的测试结果发现，催化剂中醇类溶剂的微量引入对多异氰酸酯组合物的颜色稳定性无明显贡献，这与领域内技术人员的公知常识是相符的。

以上所述仅是本发明的优选实施方式，应当指出，对于本领域技术的普通技术人员，在不脱离本发明方法的前提下，还可以做出若干改进和补充，这些改进和补充也应视为本发明的保护范围。

Claims (15)

1.一种制备无色多异氰酸酯组合物的方法，其特征在于，包括以下步骤：

使脂族/脂环族二异氰酸酯单体在催化剂的作用下进行三聚反应，制备包含异氰脲酸酯的多异氰酸酯组合物；

所述催化剂在使用前预配制成溶液，并调节溶液pH至5-7；

所述催化剂包括主催化剂；所述主催化剂为季铵盐、季铵碱中的至少一种；

通过加入酸性调节剂对催化剂溶液的pH进行调节；所述酸性调节剂为盐酸或碳原子数为2-10的羧酸中的至少一种。

2.根据权利要求1所述的制备无色多异氰酸酯组合物的方法，其特征在于，所述催化剂在使用前预配制成溶液，并调节溶液pH至6-7。

3.根据权利要求2所述的制备无色多异氰酸酯组合物的方法，其特征在于，所述催化剂在使用前预配制成溶液，并调节溶液pH至6-6.5。

4.根据权利要求1所述的制备无色多异氰酸酯组合物的方法，其特征在于，反应完成后，添加酸类化合物作为终止剂结束反应，或高温加热结束反应。

5.根据权利要求4所述的制备无色多异氰酸酯组合物的方法，其特征在于，所述酸类化合物为盐酸、磷酸、磷酸二甲酯、磷酸二乙酯、磷酸二正丁酯、磷酸-2-乙基己酯、对甲苯磺酸、苯磺酸、烷基苯磺酸、乙酰氯、苯甲酰氯中的至少一种。

6.根据权利要求4所述的制备无色多异氰酸酯组合物的方法，其特征在于，反应结束后，将反应液经两级薄膜蒸发得到多异氰酸酯组合物。

7.根据权利要求1-6任一项所述的制备无色多异氰酸酯组合物的方法，其特征在于，所述催化剂为主催化剂与助催化剂的混合物；

所述主催化剂为四甲基醋酸铵、四丁基醋酸铵、四甲基丙酸铵、四甲基氢氧化铵、苄基三甲基氢氧化铵中的一种或多种；

所述助催化剂为含有氮原子、磷原子、氧原子或硫原子的五元或六元杂环类有机物中的一种或多种。

8.根据权利要求7所述的制备无色多异氰酸酯组合物的方法，其特征在于，所述助催化剂为吡唑、咪唑、吡咯、噻吩、呋喃、吡啶、哒嗪中的一种或多种。

9.根据权利要求4所述的制备无色多异氰酸酯组合物的方法，其特征在于，所述主催化剂与助催化剂的质量比为1：0.1-3。

10.根据权利要求9所述的制备无色多异氰酸酯组合物的方法，其特征在于，所述主催化剂与助催化剂的质量比为1：0.5-1.5。

11.根据权利要求1-6任一项所述的制备无色多异氰酸酯组合物的方法，其特征在于，预配制的催化剂溶液的质量浓度为3-80％。

12.根据权利要求1-6任一项所述的制备无色多异氰酸酯组合物的方法，其特征在于，所述催化剂用量相对于二异氰酸酯单体质量为30-1000ppm。

13.根据权利要求4所述的制备无色多异氰酸酯组合物的方法，其特征在于，所述终止剂用量相对于二异氰酸酯单体质量为20-800ppm。

14.根据权利要求1-6任一项所述的制备无色多异氰酸酯组合物的方法，其特征在于，所述脂族/脂环族二异氰酸酯单体为1,4-四亚甲基二异氰酸酯、1,5-五亚甲基二异氰酸酯、六亚甲基二异氰酸酯、赖氨酸二异氰酸酯、异佛尔酮二异氰酸酯、三甲基己二异氰酸酯、二环己基甲烷二异氰酸酯、降冰片烷二亚甲基异氰酸酯、环己基二亚甲基二异氰酸酯中的至少一种。

15.根据权利要求14所述的制备无色多异氰酸酯组合物的方法，其特征在于，所述脂族/脂环族二异氰酸酯单体为六亚甲基二异氰酸酯和异佛尔酮二异氰酸酯中的至少一种。