一种水性聚氨酯及其连续化制备工艺制造技术

本发明专利技术涉及聚氨酯技术领域，尤其涉及一种水性聚氨酯及其连续化制备工艺。本发明专利技术公开了一种水性聚氨酯的连续化制备工艺，该制备方法中，水性聚氨酯的原料在第一反应器中形成高黏度的预聚体后，预聚体在预乳化系统中升温经高速剪切短时间乳化，与溶剂、乳化剂和扩链剂一起实现预乳化，降低体系黏度，然后再通过管线式乳化泵对预乳化产物进行一步进行低剪切长时间循环乳化，通过调节循环次数来控制水性聚氨酯的粒径的多分散性。本发明专利技术提供的水性聚氨酯的制备方法可以连续地生产水性聚氨酯，得到的水性聚氨酯粒径分布宽，质量符合要求。且该连续生产工艺简单稳定，且无需使用有机溶剂。且无需使用有机溶剂。

【技术实现步骤摘要】
一种水性聚氨酯及其连续化制备工艺


[0001]本专利技术涉及聚氨酯
，尤其涉及一种水性聚氨酯及其连续化制备工艺。

技术介绍

[0002]水性聚氨酯以水作为分散介质，不含可挥发性的有机溶剂(VOC)，是一种绿色环保的有机高分子材料，其不仅具有无毒，节能，安全，不易燃烧等特点，同时还具有良好的综合性能。使用水性聚氨酯进行施工时，过程中水挥发后形成聚氨酯薄膜，其具有和聚氨酯材料同等优异的性能。目前市场上常见的水性聚氨酯以单组分水性聚氨酯、双组分水性聚氨酯及改性水性聚氨酯为主。
[0003]其中单组分水性聚氨酯是应用最早的水性聚氨酯，其断裂延伸率及强度均能满足一般要求，且可在常温下进行干燥。其主要品种包括热固性聚氨酯，含封闭异氰酸酯的水性聚氨酯，室温固化水性聚氨酯，光固化水性聚氨酯，聚氨酯-丙烯酸酯。
[0004]而双组分水性聚氨酯具有成膜温度较低，附着力强，耐磨性良好，硬度较大及耐化学品等优异性能。双组分中，一组分为含有活泼异氰酸酯基团的固化剂，另一组分为含有可与活泼异氰酸酯基团发生化学反应的水性多元醇。固化剂是影响成膜性能的重要因素，其应具有良好的溶解性，足够的官能团和反应活性，同时应该具有较低的粘度以便于其他树脂进行混合。水性多元醇应具有分散功能，能够将憎水的固化剂以足够小的粒径均匀地分散在水中，从而保证涂膜时具有优异的性能。
[0005]改性水性聚氨酯具有多种改性方法，较为成熟的包括：丙烯酸改性，环氧树脂改性，有机硅改性，有机氟改性，纳米改性，植物油改性，交联改性和多元改性等。
[0006]在合成水性聚氨酯时，一般先将固化剂、水性多元醇和扩链剂混合反应，从而制备低分子量的预聚体或高分子量聚氨酯树脂，随后再将其溶解或乳化于水中。其合成方法主要为丙酮法，预聚体法，熔融分散缩聚法，酮亚胺/酮联氮法和保护端基乳化法。
[0007]采用以上方法生产水性聚氨酯时，原料均需在反应釜中进行预聚。随着预聚反应进行，反应产物粘度变大，为方便后续处理通常使用低沸点有机溶剂降低粘度，或者在加入原料时选择分子量较低的物质，之后需将产物转移至分散釜进行中和及分散，最后将产物中的有机溶剂脱除。
[0008]以上工艺涉及分步操作，而这往往导致生产效率较低，产品质量不稳定，各批次之间差别较大。同时，随着人们对环境保护的高度重视及各类环境法规的逐步实施，使用有机溶剂再将其脱除的操作不能满足要求，同时会使得合成后期的反应温度较低，反应时间延长。
[0009]专利和专利采用连续化生产工艺克服了上述问题。其中，专利CN108097194A采用五段串联的管式反应器连续生产水性聚氨酯。首先，低聚物多元醇通过四处进口同时加入第一段管式反应器中，固化剂与低聚物多元醇在其中反应得到预聚体I；非离子亲水化合物通过三处进口同时加入第二段管式反应器中，预聚体I与非离子亲水化合物在其中反应得到预聚体II；向第三段管式反应器中加入溶剂和/或丙烯酸酯单体以对预聚体II进行稀释；
随后向第四段管式反应器中加入亲水扩链剂和小分子二元胺以对稀释的预聚体II进行扩链反应，得到水性聚氨酯离聚体；向第五段管式反应器加入去离子水以对水性聚氨酯离聚体进行乳化分散，得到水性聚氨酯粗乳液。专利CN109824913A通过管式分散器将水性聚氨酯预聚体分散在水中以制备水性聚氨酯。该管式分散器包括进料口和多个进水口，进水口以轴向方向均匀分布在管式分散器上。管式分散器中含有中轴，中轴上有多个齿列式分散盘。另外，管式分散器中含有两个内隔断板，内隔断板将管式分散器的内腔分割为三个区域，其沿着轴向方向依次为预混区、相转变区和稀释区。水以多次不等量的方式同时加入管式分散器，并在分散盘的旋转作用下对预聚体进行分散乳化，
[0010]但上述生产方法只适合生产特定类型的水性聚氨酯，生产工艺受限于特定的反应器，而反应器的复杂结构使得其构件不易加工与安装。同时，在对预聚体进行分散时，往往需要较高的能量输入，而且粒径的多分散性也难于控制。

技术实现思路

[0011]有鉴于此，本专利技术提供了一种水性聚氨酯的连续化制备工艺，该制备工艺在预聚体聚合后的高黏度状态下采用高剪切、短时间的剪切分散，当预聚体完成初步分散成为低黏度状态后，进一步采用低剪切、长时间循环分散，不需要较高能量的输入，且水性聚氨酯的粒径的多分散性也易于控制。
[0012]其具体技术方案如下：
[0013]本专利技术提供了一种水性聚氨酯的连续化制备工艺，所述水性聚氨酯采用水性聚氨酯生产系统进行制备，所述水性聚氨酯生产系统包括依次连通的多个第一原料罐、混合器、第一反应器、预乳化系统和管线式乳化泵；
[0014]所述预乳化系统连通有多个第二原料罐；
[0015]每个所述第一原料罐存储一种原料，每个所述第二原料罐存储一种原料。
[0016]所述水性聚氨酯的连续化制备工艺包括以下步骤：
[0017]步骤1：将第一原料罐中的聚合物二元醇、二异氰酸酯、小分子醇类、第一扩链剂和催化剂分别输入混合器中进行混合；
[0018]步骤2：混合器加热至80-120℃后，将混合物输入到第一反应器中进行聚合反应，得到聚氨酯聚熔体；
[0019]步骤3：将聚氨酯聚熔体输入至预乳化系统中，同时将第二原料罐中的溶剂、乳化剂和第二扩链剂分别输入预乳化系统中混合，进行剪切乳化；
[0020]步骤4：将预乳化系统中的反应产物输入管线式乳化泵中进行乳化，得到水性聚氨酯；
[0021]步骤3所述剪切乳化的温度为60℃～95℃，时间1-3min；
[0022]步骤4所述管线式乳化泵的循环流速为100-400r/min，循环次数为30～100次，乳化时间为20-40min。
[0023]本专利技术水性聚氨酯的原料在第一反应器中形成高黏度的聚氨酯聚熔体后，聚氨酯聚熔体在预乳化系统中升温经高速剪切短时间乳化，与溶剂、乳化剂和扩链剂一起实现预乳化，降低体系黏度，然后再通过管线式乳化泵对预乳化产物进行一步进行低剪切长时间循环乳化，通过调节循环次数来控制水性聚氨酯的粒径的多分散性。本专利技术提供的水性聚
氨酯的制备方法可以连续地生产水性聚氨酯，得到的水性聚氨酯粒径分布宽，质量符合要求。且该连续生产工艺简单稳定，且无需使用有机溶剂。
[0024]本专利技术提供的水性聚氨酯系统中，每个所述第一原料罐设置有计量泵，可以对原料罐中的反应物料向混合器中定量输入。每个所述第二原料罐也可以设置有计量泵。
[0025]本专利技术中，由于第一反应器中反应物料经聚合反应会生成高黏度的预聚体，因此，所述第一反应器与预乳化系统之间设置有增压泵，用于将高粘度的预聚体泵入所述预乳化系统中。
[0026]本专利技术水性聚氨酯的制备步骤1中，聚合物二元醇、二异氰酸酯、小分子醇类、亲水扩链剂和催化剂优选通过计量泵泵入混合器中进行混合；所述混合器优选为浇注机；所述浇注机的转速优选为200转/分钟。
[0027]本专利技术步骤2中，混合器加热至80-120℃后，将混合物输入至第一反应器中进行聚合反应，本文档来自技高网...

【技术保护点】

【技术特征摘要】
1.一种水性聚氨酯的连续化制备工艺，其特征在于，所述水性聚氨酯采用水性聚氨酯生产系统进行制备，所述水性聚氨酯生产系统包括依次连通的多个第一原料罐、混合器、第一反应器、预乳化系统和管线式乳化泵；所述预乳化系统连通有多个第二原料罐；每个所述第一原料罐存储一种原料，每个所述第二原料罐存储一种原料；所述水性聚氨酯的连续化制备工艺包括以下步骤：步骤1：将第一原料罐中的聚合物二元醇、二异氰酸酯、小分子醇类、第一扩链剂和催化剂分别输入混合器中进行混合；步骤2：混合器加热至80-120℃后，将混合物输入到第一反应器中进行聚合反应，得到聚氨酯聚熔体；步骤3：将聚氨酯聚熔体输入至预乳化系统中，同时将第二原料罐中的溶剂、乳化剂和第二扩链剂分别输入预乳化系统中混合，进行剪切乳化；步骤4：将预乳化系统中的反应产物输入管线式乳化泵中进行乳化，得到水性聚氨酯；步骤3所述剪切乳化的温度为60℃～95℃，时间1-3min；步骤4所述管线式乳化泵的循环流速为100-400r/min，循环次数为30～100次，乳化时间为20-40min。2.根据权利要求1所述的连续化制备工艺，其特征在于，所述第一反应器为螺杆挤出机；所述螺杆挤出机的螺杆的长度与直径比L/D为15≤L/D≤55。3.根据权利要求1所述的连续化制备工艺，其特征在于，按重量份数计，聚合物二元醇500-600份；二异氰酸酯50-60份；小分子醇类0-5份；第一扩链剂1-2份；第二扩链剂0～3份；催化剂0.01-0.03份；乳化剂0-55份；溶剂3000-6000份。4.根据权利要求1所述的连续化制备工艺，其特征在于，所述聚合物二元醇包括聚醚二元醇、聚酯二元醇和聚碳酸酯二元醇中的一种或两种以上；所述二异氰酸酯包括4,4-二苯甲烷二异氰酸酯、甲苯二异氰酸酯、苯亚甲基二异氰酸酯、1,5-奈二异氰酸酯、对苯二异氰酸酯、六亚甲基...

【专利技术属性】
技术研发人员：洪炜，陈旭东，
申请(专利权)人：中山大学，
类型：发明
国别省市：