一种高性能水性聚氨酯固化剂及其制备方法与应用技术

本发明专利技术公开了一种高性能水性聚氨酯固化剂及其制备方法与应用。该制备方法是：将羟基羧酸、环己烷二甲醇和亲水聚醚混匀，在氮气保护下滴加入到装有85‑90％多异氰酸酯的反应釜中，升温至40‑70℃反应，至体系NCO含量达理论值时，降温至40‑50℃，加入中和剂，保温，冷却至室温，得产物。本发明专利技术采用阴离子型/非离子型亲水单体及环状二醇疏水单体混合改性制备的水性聚氨酯固化剂，具有粘度低、易分散，NCO含量较高、储存稳定性好的优点；该水性聚氨酯固化剂制备方法简单，反应条件温和，适用于工业化生产。以该水性聚氨酯固化剂制备的水性双组分聚氨酯涂料具有涂膜干燥速率快、硬度高和耐介质性能优异的特点。

【技术实现步骤摘要】

本专利技术涉及一种水性聚氨酯固化剂，特别是涉及一种储存稳定、高硬度、快干的高性能水性聚氨酯固化剂及其制备方法，该高性能水性聚氨酯固化剂可用作水性双组分涂料的固化剂，属于精细化合物

技术介绍
在环保法规日益严格的当下，水性聚氨酯固化剂的发展在各个应用领域显得越来越重要。目前，水性聚氨酯固化剂主要可分为非离子型和阴离子型水性聚氨酯固化剂。非离子型水性聚氨酯固化剂通常由含烷氧基等非离子亲水基团的改性剂改性而成，大多为亲水聚醚改性。美国专利US5252696、中国专利CN101381443、CN102504191A等采用聚醚作为亲水改性剂均成功制得了水性聚氨酯固化剂，但为获得良好的水分散性，它们都在体系中加入了大量的聚醚，得到的固化剂体系粘度大，NCO含量低，过多的引入亲水聚醚软段还导致了涂膜干燥速度慢、耐水性差、硬度低的缺陷。为解决这些问题，近些年，阴离子改性越来越成为大家的研究热点。相对于非离子型水性聚氨酯固化剂，阴离子型水性聚氨酯固化剂NCO含量高、水分散性更好，在低剪切力下即可在水中稳定分散。阴离子型水性聚氨酯固化剂常用的亲水改性剂主要有羧酸型和磺酸型亲水改性剂。磺酸基团极性大，亲水性强，引入很少量的磺酸基团即可获得较理想的水分散性。欧洲专利EP0703255、DE4433929A、美国专利US6046295采用羟基乙磺酸、羟基丙磺酸等小分子磺酸和端羟基聚醚磺酸等大分子磺酸作为亲水改性剂制得了粘度低、水分散性优良的水性聚氨酯固化剂。但羟基丙磺酸有致癌性，对人体有害，且磺酸作为强酸，中和后的磺酸盐具有很强的亲水性和很差的酯溶性，易出现与体系中其他组分相容性差甚至不相容而导致体系浑浊或涂层不透明的情况。且在工业应用中，很多磺酸盐仅以水溶液形式使用，并不适用于多异氰酸酯的改性。与多异氰酸酯的相容性差、来源少是限制磺酸型亲水改性剂在水性聚氨酯固化剂应用中的主要因素。相对于磺酸型亲水改性剂，羧酸型亲水改性剂原料易得、环保，与多异氰酸酯的相容性好，是改性多异氰酸酯的优良改性剂。然而，它对pH值、电解质敏感，储存稳定性差，尤其是以中和形式储存时，形成的羧酸铵盐是-NCO基发生化学反应的优良催化剂。关于储存稳定性，美国专利US6767958曾报道，以N,N-二甲基环己胺为催化剂和中和剂，采用2-(环己氨基)-乙磺酸或3-(环己氨基)-丙磺酸改性多异氰酸酯制得了储存稳定的水性聚氨酯固化剂，然而该专利仅公开其在水中5小时内无气泡、沉淀产生，对于固化剂储存前后性能的比较分析并无表述。因此，用羧酸型亲水改性剂制备储存稳定、性能优良的水性聚氨酯固化剂仍是一道技术难题。
技术实现思路
本专利技术的目的之一是提供一种高性能水性聚氨酯固化剂，该固化剂NCO含量高，储存稳定性优良，耐黄变性卓越，制备的双组分水性涂料干燥速度快、涂膜光泽好、硬度高、耐介质性能佳。通过阴离子型/非离子型亲水单体的混合改性有效提高了水性聚氨酯固化剂的储存稳定性、双组分水性涂料的干燥速度、硬度和耐介质性能。本专利技术的目的之二是提供一种高性能水性聚氨酯固化剂的制备方法，具有原料来源广、制备工艺简单，适合大规模工业生产的优点。本专利技术的目的之三是提供一种高性能水性聚氨酯固化剂在双组分水性聚氨酯涂料中的应用。为达到上述目的，本专利技术采用的技术方案是：一种高性能水性聚氨酯固化剂的制备方法：以原料的质量百分数计，将0.8-2.5％羟基羧酸、0.5-3.0％环己烷二甲醇和5-12％亲水聚醚混匀，在氮气保护下滴加入85-90％多异氰酸酯中，在40-70℃温度下反应，至体系NCO含量达理论值时，降温至40-50℃，加入0.5-2.0％中和剂，保温，冷却至室温，得高性能水性聚氨酯固化剂；所述的亲水聚醚为聚乙二醇单甲醚、聚丙二醇单甲醚、聚乙二醇丙二醇混合单甲醚中的一种或两种以上的混合物；所述的羟基羧酸为含有1个或2个以上羟基官能团的单元或多元羧酸；所述的多异氰酸酯的平均官能度为2.5-4.0，NCO％为15.0-27.0％。为进一步实现本专利技术目的，优选地，所述的羟基羧酸的用量与亲水聚醚的摩尔比为0.3-2.5:1；所述保温的时间为30-60min；所述40-70℃温度下反应的时间为5-8h；所述在氮气保护下滴加入85-90％多异氰酸酯中是在20-60min内逐滴加入。优选地，所述聚乙二醇单甲醚的分子量350-1000；所述聚丙二醇单甲醚的分子量为350-1000；所述聚乙二醇丙二醇混合单甲醚的分子量为350-1000。优选地，所述的中和剂为脂肪族或脂环族叔胺中的一种或两种以上的混合物。进一步地，所述的中和剂为三乙胺、N,N-二甲基甲酰胺、四乙基亚甲基二胺和N-甲基吗啉中的一种或多种。优选地，所述的中和剂中叔胺与羧基基团的摩尔比为0.8-1.2:1。优选地，所述的羟基羧酸选用羟基特戊酸、2-羟甲基丁酸、3-羟基环丁基甲酸和二羟甲基丁酸和二羟甲基丙酸一种或二种以上。优选地，所述的多异氰酸酯为己二异氰酸酯的三聚体、缩二脲和加成物、异佛尔酮二异氰酸酯三聚体等脂肪族、脂环族多异氰酸酯中的一种或多种混合物。一种高性能水性聚氨酯固化剂，其由上述述的制备方法制得，其固含量为100wt％，NCOwt％为15-20％，25℃的粘度为2000-5500mPa·s，外观无色透明。所述的高性能水性聚氨酯固化剂在水性涂料中的应用：固化剂用量由水性羟基组分的羟基含量决定，按照NCO:OH＝0.8-1.8:1进行复配。制得双组分水性聚氨酯涂料具有干燥速率快、涂膜硬度高、耐介质性能佳的特点。本专利技术的高性能水性聚氨酯固化剂耐黄变性优良，储存稳定性好，粘度低，NCO含量高，用于双组分水性聚氨酯涂料，可提高涂膜的干燥速度、硬度和耐介质性能，可广泛用于木器、皮革、工业品、汽车和建筑等领域。相对于现有技术，本专利技术具有以下优点和有益效果：1、本专利技术采用阴离子型/非离子型亲水单体、疏水环状二元醇单体混合改性多异氰酸酯，既避免了非离子型亲水单体单独改性时因添加量大，固化剂的NCO基含量低，导致涂膜硬度低、干速慢、耐水性差、光泽低等弊病，又突破了阴离子型亲水单体单独改性时pH适用范围窄、储存稳定性差的局限。同时疏水环状二元醇单体的引入使得化合物的刚性增强、NCO平均官能度增大、涂膜交联密度增大，进一步提高了双组分涂料的涂膜硬度、耐介质性能；疏水环状结构分布其中，形成疏水保护层，还可对NCO基起到屏蔽作用，减缓和抑制NCO基与水的副反应，有效提高了水性聚氨酯固化剂的储存稳定性和固化效率；本专利技术制备的水性聚氨酯固化剂的涂膜硬度、干燥速度等性能可与德国拜耳公司的产品Bayhydur XP2487相媲美。2、本专利技术制备的水性聚氨酯固化剂具有低VOC、无毒、不易燃的特点，不含有机锡等金属催化剂，既环保还有利于固化剂的稳定储存；疏水环状单体结构的引入进一步提升了固化剂的储存稳定性，储存期可达半年以上；该固化剂NCO含量较高，耐黄变性优良，应用该固化剂的双组分水性聚氨酯涂料具有涂膜硬度高、光泽高、耐介质性能好、干燥速度快的特点。3、本专利技术采用阴离子型/非离子型亲水单体混合改性多异氰酸酯，制备的水性聚氨酯固化剂与丙烯酸树脂、醇酸树脂、聚酯树脂等羟基树脂具有良好的相容性，可复配使用；既可用于水性木器涂料，也可以用于水性皮革涂饰剂、水性本文档来自技高网...

【技术保护点】
一种高性能水性聚氨酯固化剂的制备方法，其特征在于：以原料的质量百分数计，将0.8‑2.5％羟基羧酸、0.5‑3.0％环己烷二甲醇和5‑12％亲水聚醚混匀，在氮气保护下滴加入85‑90％多异氰酸酯中，在40‑70℃温度下反应，至体系NCO含量达理论值时，降温至40‑50℃，加入0.5‑2.0％中和剂，保温，冷却至室温，得高性能水性聚氨酯固化剂；所述的亲水聚醚为聚乙二醇单甲醚、聚丙二醇单甲醚、聚乙二醇丙二醇混合单甲醚中的一种或两种以上的混合物；所述的羟基羧酸为含有1个或2个以上羟基官能团的单元或多元羧酸；所述的多异氰酸酯的平均官能度为2.5‑4.0，NCO％为15.0‑27.0％。

【技术特征摘要】
1.一种高性能水性聚氨酯固化剂的制备方法，其特征在于：以原料的质量百分数计，将0.8-2.5％羟基羧酸、0.5-3.0％环己烷二甲醇和5-12％亲水聚醚混匀，在氮气保护下滴加入85-90％多异氰酸酯中，在40-70℃温度下反应，至体系NCO含量达理论值时，降温至40-50℃，加入0.5-2.0％中和剂，保温，冷却至室温，得高性能水性聚氨酯固化剂；所述的亲水聚醚为聚乙二醇单甲醚、聚丙二醇单甲醚、聚乙二醇丙二醇混合单甲醚中的一种或两种以上的混合物；所述的羟基羧酸为含有1个或2个以上羟基官能团的单元或多元羧酸；所述的多异氰酸酯的平均官能度为2.5-4.0，NCO％为15.0-27.0％。2.根据权利要求书1所述的高性能水性聚氨酯固化剂的制备方法，其特征在于：所述的羟基羧酸的用量与亲水聚醚的摩尔比为0.3-2.5:1；所述保温的时间为30-60min；所述40-70℃温度下反应的时间为5-8h；所述在氮气保护下滴加入85-90％多异氰酸酯中是在20-60min内逐滴加入。3.根据权利要求书1所述的高性能水性聚氨酯固化剂的制备方法，其特征在于：所述聚乙二醇单甲醚的分子量350-1000；所述聚丙二醇单甲醚的分子量为350-1000；所述聚乙二醇丙二醇混合单甲醚的分子量为350-1000。4.根据权利要求书1所述的高性能水...

【专利技术属性】
技术研发人员：瞿金清，郭丽，
申请(专利权)人：华南理工大学，
类型：发明
国别省市：广东;44