一种水性聚氨酯及其制备方法技术

本发明专利技术涉及一种水性聚氨酯，该水性聚氨酯为官能化多面体低聚倍半硅氧烷和多官能化合物化学改性的高性能水性聚氨酯，具有网络结构，表现出改善的力学性能和耐热性能、较低的吸水率以及良好的耐溶剂性；本发明专利技术还涉及一种高性能水性聚氨酯的制备方法，其通过引入官能化多面体低聚倍半硅氧烷进行化学侧链接枝制备，并通过多官能化合物形成网路结构，工艺简单且过程容易控制。

【技术实现步骤摘要】
一种水性聚氨酯及其制备方法
本专利技术涉及高分子材料领域，具体而言，涉及一种以官能化多面体低聚倍半硅氧烷和多官能化合物化学改性的高性能水性聚氨酯及其制备方法。
技术介绍
高性能水性聚氨酯已经公知很长时间，其以水为分散介质，具有无毒、不易燃烧、不污染环境、节能、安全可靠等优点。此外，聚氨酯独特的分子结构使其具有优越的软硬可调特性，可用于广泛的涂层涂饰领域。中国专利CN101265318B公开了一种高性能水性聚氨酯分散体的制备方法，采用含有2-80％的环状结构聚合物多元醇为主要原料与多异氰酸酯制备得到。该高性能水性聚氨酯分散体的耐水性能、耐醇性能、耐热性能和硬度得到改善，但是未涉及对其柔韧性、附着力等力学性能的改善。中国专利CN1226323C公开了一种高性能水性聚氨酯的制备方法，借助严密控制预聚合物分散至水中之后的NCO含量，以克服末端基为芳香族异氰酸酯的预聚合物分散至水中时，异氰酸酯官能团与水大量反应而降低有效链延长的问题。其通过红外光谱法精确控制NCO的含量，以减少异氰酸酯的副反应。但是，其操作方法较为繁琐，不利于技术产品的广泛推广。中国专利CN100475874C公开了一种高效氧化自交联型高性能水性聚氨酯分散体的制备方法，在聚氨酯的链结构设计中引入醇酸树脂作为氧化交联单元，但也未涉及对于力学性能、耐热性能等综合性能的改善。多面体低聚倍半硅氧烷(POSS)为研究相当热门的具有三维结构的有机-无机化合物。其优点为密度低、热稳定性好、单分散性良好，因此通过其结构上的单个或多个可反应性官能团对材料进行表面改性、接枝及聚合反应，可提高材料的热性能、抗氧化性能等。专利CN101250375B公开了一种POSS/聚氨酯水性复合涂料的制备方法，先水解法制备未封端的POSS，再采用硅烷偶联剂KH-550对其进行封端制得一种含胺基的POSS，最后将该POSS与高性能水性聚氨酯分散体进行化学复合制备而成。然而，其合成部分POSS封端度有限，且物理机械性能未知，限制其广泛应用。专利CN103467693B公开了一种具有良好冻融稳定性的高性能水性聚氨酯的制备方法，将胺基型笼型倍半硅氧烷引入高性能水性聚氨酯的链结构上，合成的高性能水性聚氨酯具有良好的耐磨性和粘接强度，同时具有良好的冻融稳定性。但是，其氨基型笼型倍半硅氧烷中活性基团数目较多，工艺控制繁琐，不利于工业化生产。现有的改性高性能水性聚氨酯仍存在产品综合性能例如力学性能、耐水性较差以及制备方法繁琐复杂等问题。
技术实现思路
本专利技术的目的为提供一种高性能水性聚氨酯，该高性能水性聚氨酯为官能化多面体低聚倍半硅氧烷(官能化POSS)和多官能化合物化学改性的高性能水性聚氨酯，并具有网络结构，和改善的力学性能和耐热性能、较低的吸水率以及良好的耐溶剂性；本专利技术还提供改性高性能水性聚氨酯的制备方法，其通过引入官能化POSS进行化学侧链接枝制备，并通过多官能化合物形成网络结构，工艺简单且过程容易控制。本专利技术提供一种高性能水性聚氨酯，其特征在于其由以下组分反应制备：其中，各组分的重量百分比均基于水性聚氨酯的总重量计，且各组分重量百分比之和为100重量％。优选地，所述官能化POSS和多元醇的重量比可为1:10-30。优选地，所述异氰酸酯相对于多元醇和官能化POSS的用量比nNCO:nOH为1.5-10:1，其中nNCO表示异氰酸酯中NCO基团的摩尔量，nOH表示所用多元醇和官能化POSS中OH基团的摩尔量。优选地，所述多官能化合物和多元醇的重量比可为1:50-150；并且优选地，所述多官能化合物占高性能水性聚氨酯预聚体的重量比为0.5-2.0:100。优选地，所述亲水扩链剂和高性能水性聚氨酯预聚体的重量比可为0.02-0.06:1，其中预聚体的质量是指异氰酸酯、官能化POSS、多元醇、亲水扩链剂、小分子扩链剂、多官能化合物、催化剂的质量总和。本专利技术还提供了高性能水性聚氨酯的制备方法，其包括以下步骤：a)在反应器中加入溶剂，加入官能化POSS、亲水扩链剂，温度控制在30-70℃，搅拌溶解(优选持续0.5-2.0小时)，然后将异氰酸酯滴加(优选缓慢滴加)至反应器中，反应0.5-2.0小时；b)将多元醇、小分子扩链剂、催化剂加入至反应器中，温度控制在60-100℃，反应1.5-5.0小时；c)向步骤b)获得的混合物中继续加入剩余溶剂，然后加入计量的多官能化合物，温度控制在50-80℃，反应1.5-4.0小时，得到高性能水性聚氨酯预聚体；d)将步骤c)获得的高性能水性聚氨酯预聚体的温度控制在30-70℃，并向其中加入成盐剂，进一步降温至10-40℃，然后加入水并进行乳化(优选高速乳化)，得到含溶剂的高性能水性聚氨酯；和e)除去步骤d)获得的高性能水性聚氨酯中的溶剂，得到最终的高性能水性聚氨酯；其中所述制备方法各组分的组成为：其中，各组分的重量百分比均基于水性聚氨酯的总重量计，且各组分重量百分比之和为100重量％。优选地，所述官能化POSS和多元醇的重量比可为1:10-30。优选地，所述异氰酸酯相对于多元醇和官能化POSS的用量比nNCO:nOH为1.5-10:1，其中nNCO表示异氰酸酯中NCO基团的摩尔量，nOH表示所用多元醇和官能化POSS中OH基团的摩尔量。优选地，所述多官能化合物和多元醇的重量比可为1:50-150；并且优选地，所述多官能化合物占高性能水性聚氨酯预聚体的重量比为0.5-2.0:100。优选地，所述亲水扩链剂和高性能水性聚氨酯预聚体的重量比可为0.02-0.06:1，其中预聚体的质量是指异氰酸酯、官能化POSS、多元醇、亲水扩链剂、小分子扩链剂、多官能化合物、催化剂的质量总和。本专利技术的高性能水性聚氨酯表现出改善的力学性能、耐水性和耐乙醇性，制备方法简单。附图说明图1示出了本专利技术的高性能水性聚氨酯的网络结构，该网络结构连接点为多官能化合物，官能化POSS接枝在水性聚氨酯分子链上；图中正方体表示官能化POSS，曲线表示水性聚氨酯分子链，小圆点表示多官能化合物。具体实施方式在本专利技术中，除非另有说明，否则所有操作均在室温、常压下进行。所有聚合物的分子量为重均分子量。本专利技术提供一种高性能水性聚氨酯，其特征在于其由以下组分反应制备：其中，各组分的重量百分比均基于水性聚氨酯的总重量计，且各组分重量百分比之和为100重量％。优选地，所述官能化POSS和多元醇的重量比可为1:10-30。优选地，所述异氰酸酯相对于多元醇和官能化POSS的用量比nNCO:nOH为1.5-10:1，其中nNCO表示异氰酸酯中NCO基团的摩尔量，nOH表示所用多元醇和官能化POSS中OH基团的摩尔量。优选地，所述多官能化合物和多元醇的重量比可为1:50-150；并且优选地，所述多官能化合物占高性能水性聚氨酯预聚体的重量比为0.5-2.0:100。优选地，所述亲水扩链剂和高性能水性聚氨酯预聚体的重量比可为0.02-0.06:1，其中预聚体的质量是指异氰酸酯、官能化POSS、多元醇、亲水扩链剂、小分子扩链剂、多官能化合物、催化剂的质量总和。本专利技术的高性能水性聚氨酯具有如图1所示的网络结构，该网络结构连接点为多官能化合物，官能化POSS接枝在水性聚氨酯分子链上。在图1中，正方体表示官能化POSS，曲线表示水性聚氨酯本文档来自技高网...

【技术保护点】
1.一种水性聚氨酯，其特征在于其由以下组分反应制备：

【技术特征摘要】
1.一种水性聚氨酯，其特征在于其由以下组分反应制备：其中，各组分的重量百分比均基于水性聚氨酯的总重量计，且各组分重量百分比之和为100重量％。2.根据权利要求1的水性聚氨酯，其中所述官能化多面体低聚倍半硅氧烷和多元醇的重量比为1:10-30；所述异氰酸酯相对于多元醇和官能化多面体低聚倍半硅氧烷的用量比nNCO:nOH为1.5-10:1，其中nNCO表示异氰酸酯中NCO基团的摩尔量，nOH表示所用多元醇和官能化多面体低聚倍半硅氧烷中OH基团的摩尔量；所述多官能化合物和多元醇的重量比为1:50-150。3.根据权利要求1的水性聚氨酯，其中所述官能化多面体低聚倍半硅氧烷具有式(I)的结构：(I)其中R1为H或C1-8烷基，优选为H或C1-6烷基；R2为羟基、氨基、巯基；m、n为0-5的整数。4.根据权利要求1的水性聚氨酯，其中所述多元醇选自聚酯多元醇、聚醚多元醇、聚己内酯多元醇、聚碳酸酯多元醇、丙烯酸酯多元醇、聚丁二烯多元醇或其改性化合物。5.根据权利要求1的水性聚氨酯，其中所述异氰酸酯为甲苯二异氰酸酯、二苯基甲烷二异氰酸酯、对苯二异氰酸酯、二甲基联苯二异氰酸酯、1,6-六亚甲基二异氰酸酯、异佛尔酮二异氰酸酯、1,4-环己烷二异氰酸酯、二环已基甲烷二异氰酸酯或其混合物。6.根据权利要求1的水性聚氨酯，其中所述多官能化合物为含有3个以上与NCO反应的基团的化合物，其选自三羟甲基丙烷、丙三醇、蓖麻油、季戊四醇、木糖醇、山梨醇、蔗糖或其混合物。7.一种水性聚氨酯的制备方法，其包括以下步骤：a)在反应器中加入溶剂，加入官能...

【专利技术属性】
技术研发人员：张建森，郝伟，郭金砚，
申请(专利权)人：优美特北京环境材料科技股份公司，
类型：发明
国别省市：北京,11