[发明专利]一种阳离子亲水扩链剂及其在合成阳离子水性聚氨酯分散体中的应用

说明书

技术领域

本发明涉及一种新型阳离子亲水扩链剂及阳离子水性聚氨酯分散体的合成工艺，属于化学新材料领域。

技术背景

水性聚氨酯分散体以水作为分散介质，无毒，无味，不燃，不爆。使用时仅有水分挥发进入大气，是一种公认的环境友好高分子材料。水性聚氨酯通常采用内乳化工艺合成，即在聚氨酯结构中引入亲水基团，亲水改性的聚氨酯可以自分散在水或采用较小的外力作用使其分散在水中形成稳定的分散体，引入的亲水基团成为分散体自身稳定的稳定剂。引入聚氨酯结构的亲水基团可以是阳离子，阴离子和非离子链段，引入阳离子基团如季胺离子获得的水性聚氨酯称为阳离子型水性聚氨酯，阳离子型水性聚氨酯以其特殊的离子性在皮革涂饰，木器表面封闭，特殊基材的涂装以及粘合方面有广泛应用。

阳离子水性聚氨酯分散体通常采用含有一个或一个以上叔胺以及两个羟基的化合物作为扩链剂在聚氨酯结构中引入叔胺基团，而后采用有机酸或烷基化试剂将叔胺转化为季胺离子。这种含有一个或一个以上叔胺以及两个羟基的化合物目前仅有甲基二乙醇胺，乙基二乙醇胺和N,N－二羟乙基哌嗪。

采用这些化合物在聚氨酯结构中引入季胺离子，其离子处于聚氨酯结构主链上，由于受到高分子链位阻影响，其亲水作用受到分子链屏蔽，难以转化为季胺离子，同时转化获得的季胺离子也受到分子链屏蔽，亲水作用被弱化；同时季胺离子与羟基和异氰酸酯反应形成的氨基甲酸酯结构距离仅间隔2个碳原子，其基团相互作用造成阳离子水性聚氨酯材料易于产生黄变。

发明内容

本发明的目的在于提供一种新型的阳离子亲水扩链剂及其在合成阳离子水性聚氨酯分散体中的应用，该亲水扩链剂能够将叔胺基团引入聚氨酯结构侧链上，较少受到聚氨酯链段屏蔽，易于转化为季胺离子，亲水作用强，仅需引入少量侧链亲水季胺离子就可以获得良好的分散效果；且季胺离子与聚氨酯结构中的氨基甲酸酯基团较远，能够提高水性聚氨酯材料抗黄变性能。

其技术方案是：一种阳离子亲水扩链剂，其特征在于其结构通式(I)：

其中R为H或1-2个碳原子烷基，R’为1-3个碳原子烷基。

上述结构通式(I)化合物由通式(II)化合物与二烷基胺在180℃－220℃，0.2MPa－1MPa压力下开环获得；通式(II)化合物如下：

其中R为1‐3个碳原子烷基。

上述二烷基胺为二甲胺，二乙胺或二丙胺。

上述通式(II)化合物为3‐甲基‐3‐羟甲基氧杂环丁烷或3‐乙基‐3‐羟甲基氧杂环丁烷。

上述一种阳离子亲水扩链剂在合成阳离子水性聚氨酯分散体中的应用，是将一种阳离子亲水扩链剂加入到聚氨酯预聚体中进行反应，反应结束后采用有机酸中和或采用烷基化试剂将引入聚氨酯结构的胺基转化为季胺离子，然后加水分散获得阳离子水性聚氨酯分散体。

上述聚氨酯预聚体是指端基为异氰酸酯基团、分子量在1000－20000的聚氨酯预聚体，其由二异氰酸酯与聚合物多元醇以及小分子多元醇缩合合成。

上述二异氰酸酯为甲苯二异氰酸酯，六次甲基二异氰酸酯，异佛尔酮二异氰酸酯，二苯基甲烷二异氰酸酯或二环己基甲烷二异氰酸酯。

上述聚合物多元醇为聚醚多元醇，聚酯多元醇或聚碳酸酯多元醇。

上述小分子多元醇为乙二醇，丙二醇，丁二醇，二乙二醇，新戊二醇，三羟甲基丙烷和/或环己基二甲醇。

所述有机酸为甲酸，乙酸或乳酸。

所述烷基化试剂为硫酸二甲酯或碳酸二甲酯。

本发明有益效果：

(1)通式(II)化合物中四元氧杂环可以与二元胺反应开环形成一个含有2个羟基和1个叔胺基团的化合物。

(2)采用这种含有2个羟基和1个叔胺基团的化合物与聚氨酯预聚体反应，2个羟基反应扩链将叔胺基引入聚氨酯结构，叔胺基酸中和或烷基化后形成亲水的季胺离子，引入季胺离子的聚氨酯可以自分散在水中形成分散体，其季胺离子成为聚氨酯分散的稳定剂。

(3)采用通式(I)结构引入聚氨酯的叔胺基团处于聚合物侧链上，较少受到聚合物链段的屏蔽，易于转化为季胺离子，转化的季胺离子同样也较少受到聚合物链段屏蔽，亲水作用强，仅需引入少量侧链亲水季胺离子就可以获得良好分散效果。

(4)引入聚氨酯结构的季胺离子与聚氨酯结构中的氨基甲酸酯基团距离3个碳原子，较现有扩链剂如甲基二乙醇胺，其引入的季胺离子距离氨基甲酸酯2个碳原子，季胺离子距离氨基甲酸酯基团距离较远，提高了水性聚氨酯材料抗黄变性能。