[发明专利]高官能度端羟基聚氨酯水分散体及其制备方法与应用

说明书

技术领域

本发明涉及一种端羟基聚氨酯水分散体，更具体地涉及一种双组分水性聚氨酯涂料用高官能度端羟基聚氨酯水分散体及其制备方法。

背景技术

目前涂料水性化已成为全球涂料的发展趋势之一。水性涂料分可为单组分和双组分。单组分水性涂料涂膜硬度偏低、耐介质性能差，这些不足严重限制了其发展与应用。双组份水性涂料的机械性能、耐介质性、耐候性、外观装饰性等可与双组分溶剂型涂料相媲美，已逐渐成为高性能环保涂料的首选。

双组分水性聚氨酯(2K-WPU)主要由水性羟基树脂(水分散型或乳液型)和水分散多异氰酸酯固化剂组成。目前，乳液型羟基树脂，尤其是聚丙烯酸酯乳液因其具有优异的保色、保光和耐候性，成本低，且分子量、玻璃化转变温度(Tg)和羟基含量易于调节等优点，成为市场上应用最多的双组分水性聚氨酯涂料用羟基树脂。然而，聚丙烯酸酯乳液的羟基含量低、乳胶粒径较大，对水性固化剂分散性能较差，以其制备的涂膜外观差、耐性不佳，硬度偏低。水分散体型羟基树脂因其对水性固化剂分散性优良、适用期长而越来越受到关注，该类型羟基树脂主要有聚丙烯酸酯水分散体(PAD)、聚酯多元醇水分散体(PED)和端羟基聚氨酯水分散体(OH-PUD)等。其中，聚丙烯酸酯水分散体固含量偏低且粘度偏大，制备的涂膜干燥速度慢、耐介质性差。聚酯多元醇水分散体含有大量易水解的酯基，在贮存或使用过程中极易水解，会降低涂膜性能。而端羟基聚氨酯水分散体具有软硬段比例可调、易于设计分子结构及与固化剂的相容性好等优点，其涂膜外观和机械性能优良，是一种制备2K-WPU的理想羟基组分。

早期端羟基聚氨酯水分散的制备主要采用“一步法”，用过量的二元醇封端二异氰酸酯后经中和、分散制得OH-PUD，制备工艺简单，但制得的OH-PUD粒径较大、储存稳定性较差，因其平均羟基官能度低使得以其涂膜机械性能及耐水性、耐溶剂性差。针对这些不足，人们逐渐研究出“后封端法”，用二乙醇胺(DEA)封端改性端-NCO基预聚物制备了储存稳定的OH-PUD。然而，DEA为仲胺，让其与乙二胺水溶液一起在高速搅拌下加入预聚物中，会使得-NCO优先与乙二胺中的伯胺反应，DEA不能完全与-NCO反应，不能保证OH-PUD的羟基官能度皆大于2，从而影响最终涂膜性能；另一方面，DEA的羟基官能度低，导致OH-PUD的羟基官能度低，不利于双组分涂料交联度的提高，致使其涂膜机械强度、耐性仍有待提高。此外，目前端羟基聚氨酯水分散体多采用二羟甲基丙酸的N-甲基吡络烷酮溶液作为亲水扩链剂，不仅其溶剂有害人体健康，制备的OH-PUD固含量也偏低。因此，制备储存稳定、高固含、高硬度、耐性佳的高羟基官能度的端羟基聚氨酯水分散体仍需进一步探索。

发明内容

本发明的目的之一是提供一种高官能度端羟基聚氨酯水分散体；该分散体固含量高、粒径较小、储存稳定和耐黄变性卓越，以其制备的双组分水性聚氨酯涂料涂膜干速快、硬度高、耐介质性能佳。

本发明的目的之二是提供一种高官能度端羟基聚氨酯水分散体的制备方法，具有原料环保、工艺简单的优点。

本发明的目的之三是提供一种高官能度端羟基聚氨酯水分散体在双组分水性聚氨酯涂料中的应用，以该端羟基聚氨酯水分散体与水分散异氰酸酯固化剂配制的双组分水性聚氨酯涂料相比德国拜耳公司的Bayhydrol U XP 2750具有涂膜干速快、硬度高、耐介质性能好的优点。

本发明采用磺酸型亲水扩链剂扩链，以多羟基官能度封端剂封端，有效提高了分散体固含量及平均羟基官能度，从而提高了双组分涂料的涂膜干燥速度、硬度和耐性。

为达到上述目的，本发明采用的技术方案是：

高官能度端羟基聚氨酯水分散体的制备方法，其特征在于：以质量份数计，将15‐23份脂肪族二异氰酸酯、6‐23份聚多元醇、2.5‐15份亲水扩链剂、0.02‐0.10份催化剂加入反应釜中，在氮气保护下升温至65‐85℃反应2‐4h，至体系NCO％达理论值时，降温至55‐70℃，在20‐60min内滴加完含有0.1‐1.0份二元醇扩链剂、1‐3份交联剂的丙酮溶液，于60‐85℃反应1‐2h，至体系NCO％达理论值时，用丙酮稀释，降温至40‐50℃，加入0.1‐0.5份三乙胺中和，在高速剪切下加水分散，然后缓慢加入2‐5份30℃以下的醇胺类化合物的水溶液进行封端反应，最后用0.2‐1.0份乙二胺后扩链，即得端羟基聚氨酯水分散体；

所述的催化剂为高活性有机铋或者银系金属催化剂；

所述的醇胺类化合物的羟基平均官能度大于2.0，选用三羟甲基氨基甲烷、氨基葡萄糖和葡乙胺中的一种或两种以上；