一种水性聚氨酯和水性紫外光固化聚氨酯涂料及其制备方法技术

本申请属于聚合物技术领域，具体涉及一种水性聚氨酯和水性紫外光固化聚氨酯及其制备方法。本发明专利技术所提供的水性聚氨酯为一种新型的非异氰酸酯基聚氨酯，不含高毒性和高湿敏性的异氰酸酯基，对环境无污染、对人体健康无伤害、不易燃烧、安全性好。本发明专利技术采用磺酸盐基团作为水性化基团，在一定的酸性条件下也可以保持稳定，而且不需要加入叔胺类化合物，无刺激性气味，比羧酸型水性聚氨酯具有更高的粘结力、耐水性、耐热性；同时，本发明专利技术采用的环碳酸酯类化合物具有高沸点、低气味、低蒸发率和低毒等优点，且生物降解性优良，可利用二氧化碳作为环碳酸酯的原料，绿色环保。

【技术实现步骤摘要】
一种水性聚氨酯和水性紫外光固化聚氨酯涂料及其制备方法
本专利技术属于聚合物
，具体涉及一种水性聚氨酯和水性紫外光固化聚氨酯涂料及其制备方法。
技术介绍
紫外光固化聚氨酯是一类节能型材料，它在受到紫外光照射后，发生光化学反应，从而引起聚合、交联，使其瞬间由液态变成固态。水性紫外光固化聚氨酯是以水代替有机溶剂作为分散介质的新型聚氨酯体系，因其无污染、安全可靠、机械性能优良、相容性好、易于改性等优点，在涂料和胶粘剂领域有着广泛的应用。目前大多数的水性聚氨酯以羧酸盐作为亲水基团，其制备方法多为采用二异氰酸酯和聚酯或聚醚多元醇反应得到分子量较小的端异氰酸酯基聚氨酯预聚物，之后加入含羧基的多元醇进行扩链使聚氨酯分子上含有羧基，含羧基多元醇通常为2,2-二羟甲基丙酸，最后使用三乙胺等胺类小分子将羧基中和成盐并快速的分散于水中得到羧酸型水性聚氨酯。然而，该类聚氨酯为端异氰酸酯聚氨酯，其中包含大量的游离异氰酸酯，在施工和材料固化过程中，部分游离异氰酸酯挥发出来，尤其是甲苯二异氰酸酯等物质，会危害人体健康和污染环境。同时，羧酸盐型水性聚氨酯稳定性较差，其在酸性条件下会使得羧酸结合氢离子，导致亲水性减弱和乳化性能下降。
技术实现思路
有鉴于此，本专利技术的目的在于提供一种稳定性好、对人体无害、绿色环保的水性紫外光固化聚氨酯及其制备方法和涂料。本专利技术的具体技术方案如下：本专利技术提供了一种水性聚氨酯，具有如式Ⅰ所示的结构：其中，R1选自-H、-OH、-OCH3、苯基、C1～12烷基或C1～12烯基；R2选自-CHNR5R6、中的一种或两种；R3选自R4选自R5和R6各自独立的选自-H或C1～12烷基；n＝1～20。本专利技术还提供了一种上述水性聚氨酯的制备方法，包括：a)在氮气或惰性气体下，将环碳酸酯类化合物和胺类化合物进行反应，得到第一反应中间体；b)步骤a)得到的第一反应中间体和磺酸盐类化合物在催化剂存在的条件下进行反应，得到第二反应中间体；c)步骤b)得到的第二反应中间体和丙烯酸类化合物在阻聚剂存在的条件下进行反应，得到具有式Ⅰ所示结构的水性聚氨酯。优选的，步骤a)中所述惰性气体包括氦气和氩气；所述环碳酸酯类化合物为碳酸乙烯酯、1-甲氧基-碳酸乙烯酯或碳酸丙烯酯。优选的，步骤a)中所述胺类化合物为二元胺和/或三元胺；所述二元胺为聚醚胺D-400、聚醚胺D-2000或异佛尔酮二胺；所述三元胺为聚醚胺T-403。优选的，步骤b)中所述磺酸盐类化合物为间苯二甲酸-5-磺酸钠；所述催化剂为4-二甲氨基吡啶或二环己基碳二亚胺；所述催化剂的添加量为所述磺酸盐类化合物总质量的0.3％～0.7％。优选的，步骤c)中所述丙烯酸类化合物为丙烯酸、甲基丙烯酸或甲基丙烯酸缩水甘油酯；所述阻聚剂为对羟基苯甲醚、对苯二酚或2,6-二叔丁基-4-甲基苯酚；所述阻聚剂的添加量为所述丙烯酸类化合物总质量的80～120ppm。优选的，所述环碳酸酯类化合物、胺类化合物、磺酸盐类化合物和丙烯酸类化合物的摩尔比为(2～2.5):1：(0.5～1):1。本专利技术还提供了一种水性紫外光固化聚氨酯涂料，包含上述水性聚氨酯和/或上述制备方法得到的水性聚氨酯、光引发剂和水。优选的，所述光引发剂为芳基烷基酮类、二苯甲酮类、杂环芳酮类、芳基重氮盐或碘鎓盐类化合物；所述光引发剂的添加量为所述水性聚氨酯总质量的0.05％～0.15％。所述水的添加量为所述水性聚氨酯总质量的10％～60％。本专利技术还提供了一种上述水性紫外光固化聚氨酯涂料的制备方法，为：将水性聚氨酯、光引发剂和水混合；所述混合为在350rpm下搅拌1h。与现有技术相比，本专利技术所提供的水性聚氨酯为一种新型的非异氰酸酯基聚氨酯，不含高毒性和高湿敏性的异氰酸酯基，对环境无污染、对人体健康无伤害；在其制备过程中，本专利技术采用磺酸盐基团作为水性化基团，在酸性条件下可以保持稳定，而且无需使用叔胺类化合物，无刺激性气味，比羧酸型水性聚氨酯具有更高的粘结力、耐水性、耐热性；同时，采用的环碳酸酯类化合物具有高沸点、低气味、低蒸发率和低毒等优点，且生物降解性优良，可利用二氧化碳作为环碳酸酯的原料，绿色环保。本专利技术所提供的水性紫外光固化聚氨酯涂料不含任何活性稀释剂，不易燃烧，安全性好，其制备工艺优化，反应转化率高、选择性强、制备过程安全清洁。附图说明为了更清楚地说明本专利技术实施例或现有技术中的技术方案，下面将对实施例或现有技术描述中所需要使用的附图作简单地介绍，显而易见地，下面描述中的附图仅仅是本专利技术的实施例，对于本领域普通技术人员来讲，在不付出创造性劳动的前提下，还可以根据提供的附图获得其他的附图。图1为实施例1得到的水性聚氨酯的核磁共振氢谱；图2为实施例1得到的水性聚氨酯的红外光谱。具体实施方式为了克服现有水性聚氨酯稳定性差和含具有高毒性和高湿敏性的异氰酸酯基的问题，本专利技术提供了一种稳定性好、对人体无害、绿色环保的水性聚氨酯和水性紫外光固化聚氨酯涂料及其制备方法。本专利技术提供了一种具有如式Ⅰ所示分子结构的水性聚氨酯：其中，R1选自-H、-OH、-OCH3、苯基、C1～12烷基或C1～12烯基，优选为-H、C1～8烷基或C1～8烯基，再优选为-H和-CH3，最优选为-CH3；R2选自-CHNR5R6、R3选自R4选自R5和R6各自独立的选自-H或C1～12烷基；n＝1～20。在本专利技术中，所述烷基包含1～12个碳原子，或1～8个碳原子，或1～6个碳原子，或1～4个碳原子，或1～2个碳原子的单价烃基，其中烷基可以独立任选地被一个或多个本专利技术所描述的取代基所取代。烷基更进一步的实例包括，但并不限于，甲基、乙基、丙基、异丙基、正丁基、异丁基、仲丁基、叔丁基、正戊基、2-戊基、3-戊基、2-甲基-2-丁基、正庚基、正辛基等等。术语“烷基”在此处使用，表示从直链、支链或环状的饱和碳链。本专利技术还提供了一种上述水性聚氨酯的制备方法，包括：a)在氮气或惰性气体下，将环碳酸酯类化合物和胺类化合物进行反应，得到第一反应中间体；b)步骤a)得到的第一反应中间体和磺酸盐类化合物在催化剂存在的条件下进行反应，得到第二反应中间体；c)步骤b)得到的第二反应中间体和丙烯酸类化合物在阻聚剂存在的条件下进行反应，得到所述水性聚氨酯。进一步的，步骤a)中所述惰性气体包括氦气和氩气；所述环碳酸酯类化合物优选为碳酸乙烯酯、1-甲氧基-碳酸乙烯酯或碳酸丙烯酯，再优选为碳酸乙烯酯和碳酸丙烯酯，更优选为碳酸丙烯酯。进一步的，步骤a)中所述胺类化合物为二元胺和/或三元胺；所述二元胺为聚醚胺D-400、聚醚胺D-2000或异佛尔酮二胺；所述三元胺为聚醚胺T-403。本专利技术对二元胺和三元胺搭配使用时的混合比例无特殊限制，根据实际生产情况的需要进行混合即可。进一步的，步骤b)中所述磺酸盐类化合物优选为间苯二甲酸-5-磺酸钠。进一步的，所述催化剂为4-二甲氨基吡啶或二环己基碳二亚胺。进一步的，所述催化剂的添加量为所述磺酸盐类化合物总质量的0.3％～0.7％。进一步的，步骤c)中所述丙烯酸类化合物优选为丙烯酸、甲基丙烯酸或甲基丙烯酸缩水甘油酯，更优选为甲基丙烯酸或甲基丙烯酸缩水甘油酯。进一步的，所述阻聚剂为对羟基苯甲醚、对苯二酚或2,6-二叔丁基-4-甲基苯酚，优选为对羟基苯甲醚(MEHQ)。更进一步的本文档来自技高网...

【技术保护点】
一种水性聚氨酯，具有如式Ⅰ所示的结构：

【技术特征摘要】
1.一种水性聚氨酯，具有如式Ⅰ所示的结构：其中，R1选自-H、-OH、-OCH3、苯基、C1～12烷基或C1～12烯基；R2选自-CHNR5R6、中的一种或两种；R3选自R4选自R5和R6各自独立的选自-H或C1～12烷基；n＝1～20。2.一种权利要求1所述的水性聚氨酯的制备方法，包括：a)在氮气或惰性气体下，将环碳酸酯类化合物和胺类化合物进行反应，得到第一反应中间体；b)步骤a)得到的第一反应中间体和磺酸盐类化合物在催化剂存在的条件下进行反应，得到第二反应中间体；c)步骤b)得到的第二反应中间体和丙烯酸类化合物在阻聚剂存在的条件下进行反应，得到具有式Ⅰ所示结构的水性聚氨酯。3.根据权利要求2所述的制备方法，其特征在于，步骤a)中所述惰性气体包括氦气和氩气；所述环碳酸酯类化合物为碳酸乙烯酯、1-甲氧基-碳酸乙烯酯或碳酸丙烯酯。4.根据权利要求2所述的制备方法，其特征在于，步骤a)中所述胺类化合物为二元胺和/或三元胺；所述二元胺为聚醚胺D-400、聚醚胺D-2000或异佛尔酮二胺；所述三元胺为聚醚胺T-403。5.根据权利要求2所述的制备方法，其特征在于，步骤b)中所述磺酸盐类化合物为间苯二甲酸-5-磺酸钠；所述催化剂为4-二甲...

【专利技术属性】
技术研发人员：易国斌，宋旭亮，俎喜红，安召，刘潇杰，
申请(专利权)人：广东工业大学，
类型：发明
国别省市：广东,44