[发明专利]一种聚氨酯材料及其制备方法和应用

说明书

技术领域

本发明涉及高分子材料技术领域，特别涉及一种聚氨酯材料及其制备方法和应用。

背景技术

聚氨酯，全称为聚氨基甲酸酯(PU)，是主链上含有重复氨基甲酸酯基团(NHCOO)的一类聚合物，可广泛用于制造橡胶、塑料、胶粘剂、涂料、生物医用材料等。

目前，聚氨酯大二是由有机二异氰酸酯或二异氰酸酯与二羟基或二羟基化合物加聚而成。然而，异氰酸酯本身具有较强的毒性，在其生产和使用过程中会给操作人员和环境造成极大的危害，同时异氰酸酯自身的细胞毒性问题也影响了该类材料在生物医学领域的应用。另外，聚氨酯的生产工艺比较长，所使用的有机助剂比较二，严重浪费了资源、能源等，极大地制约了聚氨酯工业生产的可持续发展。

因此，有必要提供一种环境友好型聚氨酯材料及其制备方法，避免使用异氰酸酯所带来的环境污染问题等。

发明内容

为了解决上述技术问题，本发明实施例提供了一种聚氨酯材料及其制备方法和应用。

第一方面，本发明提供了一种聚氨酯材料，所述聚氨酯材料的化学结构式如式(Ⅰ)所示：

式(Ⅰ)中，k为聚合度，k为10-50的自然数，R₁为如式(Ⅱ)所示的取代基、式(Ⅲ)所示的取代基、C_4-70的亚烷基或C_4-70的环烷基，R₂为C_4-70的亚烷基、C_4-70的环烷基或如式(Ⅳ)所示的取代基，

式(Ⅱ)、(Ⅲ)和(Ⅳ)中，m，n，a和b为聚合度，m，n分别为5-50的自然数，a为5-35的自然数，b为20-160的自然数。

优选地，所述聚氨酯材料的分子量为30000-90000。

如本发明所述的，所述聚氨酯材料(PU)的分子量较高，且结构式中R₁、R₂取代基具有生物可降解性，因此所述高分子量的聚氨酯材料的生物降解性、生物相容性好，可以在生物医疗器械行业，如骨组织等硬组织修复中有应用前景。

第二方面，本发明提供了一种聚氨酯材料的制备方法，包括以下步骤：

(1)预聚：取如式(Ⅴ)或式(Ⅵ)所示的聚二元醇或取如式(Ⅶ)所示的聚二元胺，将所述聚二元醇或聚二元胺与N`N-羰基二咪唑按摩尔比1:1.1-1.5溶解在溶剂中，加入催化剂，在反应温度为35-150℃下进行预聚反应2-5h，得到预聚物，所述预聚物为酯基咪唑或氨基甲酰咪唑；

式(Ⅴ)、式(Ⅵ)和式(Ⅶ)中，m，n，a和b为聚合度，m，n分别为5-50的自然数，a为5-35的自然数，b为20-160的自然数；

(2)扩链：待步骤(1)所述反应温度降至室温后，在步骤(1)所述酯基咪唑预聚物中加入小分子二元胺作扩链剂，或在步骤(1)所述氨基甲酰咪唑预聚物中加入小分子二元醇作扩链剂，在反应温度为35-55℃下进行扩链反应1-5h，停止反应，得到聚氨酯材料，其中，所述扩链剂与所述聚二元醇或聚二元胺的摩尔比为0.1-0.5:1，所述聚氨酯材料的化学结构式如式(Ⅰ)所示：

式(Ⅰ)中，k为聚合度，k为10-50的自然数，R₁为如式(Ⅱ)所示的取代基、式(Ⅲ)所示的取代基、C_4-70的亚烷基或C_4-70的环烷基，R₂为C_4-70的亚烷基、C_4-70的环烷基或如式(Ⅳ)所示的取代基，

式(Ⅱ)、(Ⅲ)和(Ⅳ)中，m，n，a和b为聚合度，m，n分别为5-50的自然数，a为5-35的自然数，b为20-160的自然数。

优选地，所述聚氨酯材料的分子量为30000-90000。

N`N-羰基二咪唑(CDI)是咪唑的衍生物，具有较强化学反应活性，能与-NH₂、-OH等官能团反应，得到一系列具有不同结构的中间体，如氨基甲酰咪唑、酯基咪唑等。这些中间体可进一步与胺、醇等进一步反应，制备氨酯等结构的化合物。

CDI作为活化剂与胺、醇等反应，反应过程中均不会生成有毒物质，反应条件温和，产物分离简单，反应生成的咪唑可回收利用。

本发明采用N`N-羰基二咪唑(CDI)替代异氰酸酯制备聚氨酯材料，可降低聚氨酯生产过程中对环境和人体的伤害。