[发明专利]一种水性聚氨酯及其制备方法

说明书

技术领域

本发明涉及一种水性聚氨酯及其制备方法，特别涉及一种用于合成革 的水性聚氨酯及其制备方法。

背景技术

聚氨酯(PU)是指主链上含有大量氨基甲酸酯基团(-NHCOO-，又 称氨基甲酸酯键)的高聚物一聚氨基甲酸酯(Polyurethane)的简称，因其 表现出优异的性能，现已被广泛地应用于工农业和日常生活的各个领域， 其制品包括弹性体材料、涂料、胶粘剂、弹性纤维、合成革等，是一种多 功能聚合物材料。随着社会、经济的发展，它正成为一类在社会经济发展 中不可缺少的高分子材料。但由于绝大部分聚氨酯产品都是溶剂型，含有 大量的二甲基酰胺(DMF)、甲苯等有机溶剂，在制造过程中严重污染环 境并且对现场操作人员的身体健康造成威胁。随着世界各国对环保的日益 关注，相关防污治污的法律法规日益严格。水性聚氨酯树脂以水为溶剂， 安全，环保，机械性能良好，易于改型，还具有不燃、无毒、无污染环境、 节能等优点登上世界舞台，逐渐被许多研究者所关注，有取代溶剂型的趋 势，并已经被广泛应用于皮革、涂料、纺织、印染等工业领域。

传统的水性聚氨酯的制法就是将低聚物多元醇和二异氰酸酯在一定 温度下反应制得聚氨酯预聚体，然后加入小分子扩链剂进行扩链反应；再 加入亲水性扩链剂使预聚体变成亲水性预聚体；然后用成盐试剂进行中和 反应，使聚氨酯预聚体具有离子性；将此具有离子性的聚氨酯预聚体加水 分散乳化，并加入小分子扩链剂进行水中后扩链反应，制得水性聚氨酯分 散液。

然而传统的水性聚氨酯存在许多缺点需要克服，如以蒸发潜热高的水 为介质导致干燥速度慢；对非极性基材的润湿性差；初粘性低等缺点。特 别是在合成革工业上，有两大缺陷使其无法得到有效应用。一是低模量、 发粘、树脂机械湿度不高；二是稠度调整困难。前者在性能上限制了在合 成革领域的应用，后者在工艺技术上限制了应用。

众所周知，水性聚氨酯可以看成一种由硬段和软段嵌段聚合而成的聚 合物。因此水性聚氨酯主要由含-NCO的多异氰酸酯和含-OH的低聚物多 元醇经过一系列的反应得到。理论上，许多含-NCO的多异氰酸酯和含-OH 的低聚物多元醇可以作为合成水性聚氨酯用的原料，实际上由于技术上的 不成熟和出于成本方面的考虑，许多原料都无法用于生产，不具有商业利 用价值。因此，许多厂家倾向于使用芳香族二异氰酸酯和聚醚型多元醇来 生产水性聚氨酯类产品。

常用的芳香族二异氰酸酯主要是甲苯二异氰酸酯(TDI)和4，4’-二苯 基甲烷二异氰酸酯(MDI)。用芳香族二异氰酸酯制备水性聚氨酯，一方 面由于苯环的存在，其产品在光的催化氧化下，苯环上的NCO基团转变 成醌亚胺等发色基团，从而其产品不耐黄变。另一方面苯环上的NCO基 团特别是对位的NCO基团与水反应的活性大，制备过程不易控制，在预 聚物分散至水中的过程中，第一次扩链中未反应的NCO基团会与水发生 剧烈的反应，使得水分散后残余的可有效进行水中后扩链的NCO基团含 量很低，导致PU树脂的分子量低，机械性能达不到使用要求。

常用的聚醚型多元醇主要有聚氧化丙烯二元醇(PPG)和聚四氢呋喃 醚二元醇(PTMG)等。聚醚型多元醇是端羟基的均聚物，主链上的烃基 由醚基键连接，由于醚基的内聚能低，导致醚基易旋转，柔顺型好，制得 的水性聚氨酯软硬段之间的相溶性差，微相分离程度较大，使产品的模量 低，拉伸强度低，所得的涂膜软，发粘。又因为水性聚氨酯的表面张力一 般为0.040～0.060N/m，水的表面张力为0.073N/m，有机溶剂的表面张力 一般为0.025N/m左右，水的表面张力是有机溶剂的3倍，对表面疏水性 的基材的润湿性差，初粘性较差。

另外，水性聚氨酯以水作为分散介质，所得分散液的黏度往往不符合 实际应用要求，常常发生流挂和渗入等现象，必须使水性聚氨酯具有适当 的黏度和良好的触变性才能改善其施工性能、流平性能及储存性能。

水性聚氨酯因其独特的优势得到迅速发展，同时自身存在的缺点使其 部分性能不佳，不具有商业化价值。为了改善水性聚氨酯的这一些缺点使 之适应现代工业对新材料的需求，人们对聚氨酯进行了大量的改性研究工 作。在公知技术中，大多都是通过对多异氰酸酯、低聚物多元醇进行改性 或者加入其它树脂对水性聚氨酯改性以求达到应用上的要求。

发明内容