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水性聚氨酯的分类原理

放大字体  缩小字体 发布日期:2018-03-20  浏览次数:21
核心提示:由于聚氨酯原料和配方的多样性,水性聚氨酯开发40年左右的时间,人们已研究出许多种制备方法和制备配方。水性聚氨酯品种繁多,可
由于聚氨酯原料和配方的多样性,水性聚氨酯开发40年左右的时间,人们已研究出许多种制备方法和制备配方。水性聚氨酯品种繁多,可以按多种方法分类。

  01 以外观分

  水性聚氨酯可分为聚氨酯乳液、聚氨酯分散液、聚氨酯水溶液。实际应用最多的是聚氨酯乳液及分散液,本书中统称为水性聚氨酯或聚氨酯乳液,其外观分类如表5所示。

  水性聚氨酯形态分类

名 称

水溶液

分散液

乳 液

状态
外观
粒径,um
分子量

溶解—胶体
透明
<0.001
100-1000

分散
半透明乳白
0.001-0.1
数千-20万

分散
白浊
>0.1
>5000

  00 引言

  由于聚氨酯原料和配方的多样性,水性聚氨酯开发40年左右的时间,人们已研究出许多种制备方法和制备配方。水性聚氨酯品种繁多,可以按多种方法分类。

  01 以外观分

  水性聚氨酯可分为聚氨酯乳液、聚氨酯分散液、聚氨酯水溶液。实际应用最多的是聚氨酯乳液及分散液,本书中统称为水性聚氨酯或聚氨酯乳液,其外观分类如表5所示。

  水性聚氨酯形态分类

  名 称水溶液分散液乳 液

  状态

  外观

  粒径,um

  分子量溶解—胶体

  透明

  <0.001

  100-1000分散

  半透明乳白

  0.001-0.1

  数千-20万分散

  白浊

  >0.1

  >5000

  02 按使用形式分

  水性聚氨酯胶粘剂按使用形式可分为单组分及双组分两类。可直接使用,或无需交联剂即可得到所需使用性能的水性聚氨酯称为单组分水性聚氨酯胶粘剂。若单独使用不能获得所需的性能,必须添加交联剂;或者一般单组分水性聚氨酯添加交联剂后能提高粘接性能,在这些情况中,水性聚氨酯主剂和交联剂二者就组成双组分体系。

  03 以亲水性基团的性质分

  根据聚氨酯分子侧链或主链上是否含有离子基团,即是否属离子键聚合物(离聚物),水性聚氨酯可分为阴离子型、阳离子型、非离子型。含阴、阳离子的水性聚氨酯又称为离聚物型水性聚氨酯。

  阴离子型水性聚氨酯又可细分为磺酸型、羧酸型,以侧链含离子基团的居多。大多数水性聚氨酯以含羧基扩链剂或含磺酸盐扩链剂引人羧基离子及磺酸离子。

  阳离子型水性聚氨酯一般是指主链或侧链上含有铵离子(一般为季铵离子)或锍离子的水性聚氨酯,绝大多数情况是季铵阳离子。而主链含铵离子的水性聚氨酯的制备一般以采用含叔胺基团扩链剂为主,叔胺以及仲胺经酸或烷基化试剂的作用,形成亲水的铵离子。还可通过含氨基的聚氨酯与环氧氯丙烷及酸反应而形成铵离子。

  非离子型水性聚氨酯,即分子中不含离子基团的水性聚氨酯。非离子型水性聚氨酯的制备方法有:①普通聚氨酯预聚体或聚氨酯有机溶液在乳化剂存在下进行高剪切力强制乳化;②制成分子中含有非离子型亲水性链段或亲水性基团,亲水性链段一般是中低分子量聚氧化乙烯,亲水性基团一般是羟甲基。

  混合型 聚氨酯树脂分子结构中同时具有离于型及非离子型亲水基团或链段。

  04 以聚氨酯原料分

  按主要低聚物多元醇类型可分为聚醚型、聚酯型及聚烯烃型等,分别指采用聚醚多元醇、聚酯多元醇、聚丁二烯二醇等作为低聚物多元醇而制成的水性聚氨酯。还有聚醚-聚酯、聚醚—聚丁二烯等混合 以聚氨酯的异氰酸酯原料分,可分为芳香族异氰酸酯型、脂肪族异氰酸酯型、脂环族异氰酸酯型。按具体原料还可细分,如TDI型、HDI型,等等。

  05 按聚氨酯树脂的整体结构划分

  按原料及结构可分为聚氨酯乳液、乙烯基聚氨酯乳液、多异氰酸酯乳液、封闭型聚氨酯乳液。

  聚氨酯乳液是指以低聚物多元醇、扩链剂、二异氰酸酯为原料,以通常方法制备的聚氨酯分散于水所形成的乳液。乙烯基聚氨酯乳液一般指在乙烯基树脂水溶液或乳液中加入异氰酸酯而形成的乳液,是双组分体系。

  多异氰酸酯乳液是指含亲水基团多异氰酸酯乳化于水,或多异氰酸酯的有机溶液分散于含乳化剂的水而形成的乳液,也是双组分即用即配体系,适用期较短。封闭型异氰酸酯乳液是指分子中含有被封闭的异氰酸酯基团的聚氨酯乳液,是一种稳定的单组分体系。

  在制备聚氨酯乳液时司引入封闭异氰酸酯基团,也可制成封闭异氰酸酯基团含量高的乳液,用于和其他乳液体系共混,起交联作用,水分挥发后加热交联。

  聚氨酯乳液还可细分为聚氨酯乳液和聚氨酯-脲乳液,后者是指由聚氨酯预聚体在水中分散同时通过水或二胺扩链而形成的乳液,实质上生成了聚氨酯—脲,但由于由预聚体分散法制备较为普遍,习惯上称为聚氨酯乳液者居多。

  按分子结构可分为线性分子聚氨酯乳液(热塑性)和交联型聚氨酯乳液(热固性)。交联型又可细分为内交联和外交联型。内弋联型聚氨酯乳液是在合成时形成一定程度的支化交联分子结构,或引入可热反应性基团,它是稳定的单组分体系。外交联是在乳液中添加能与聚氨酯分子链中基团起反应的交联剂,是双组分体系。

  06 按聚氨酯的水性化方法划分

  自乳化法和外乳化法

  自乳化法又称内乳化法,是指聚氨酯链段中含有亲水性成分,因而无需乳化剂即可形成稳定乳液的方法。

  外乳化法又称为强制乳化法,若分子链中仅含少量不足以自乳化的亲水性链段或基团,或完全不含亲水性成分,此时必须添加乳化剂,才能得到乳液。

  比较而言,外乳化法制备的乳液中,由于亲水性小分子乳化剂的残留,影响固化后聚氨酯胶膜的性能,而自乳化法消除了此弊病。水性聚氨酯的制备目前以离子型自乳化法为主。

  预聚体法、丙酮法、熔融分散法

  自乳化法制水性聚氨酯最常用的方法有预聚体分散法和丙酮法。预聚体法即在预聚体中导人亲水成分,得到一定粘度范围的预聚体,在水中乳化同时进行链增长,制备稳定的水性聚氨酯(水性聚氨酯-脲)。

  丙酮法属于溶液法,是以有机溶剂稀释或溶解聚氨酯(或预聚体),再进行乳化的方法。在溶剂存在下,预聚体与亲水性扩链剂进行扩链反应,生成较高分子量的聚氨酯,反应过程可根据需要加人溶剂以降低聚氨酯溶液粘度,使之易于搅拌,然后加水进行分散,形成乳液,最后蒸去溶剂。溶剂以丙酮、甲乙酮居多,故称为丙酮法。

  此法的优点是丙酮、甲乙酮的沸点低、与水互容、易于回收处理,整个体系均匀,操作方便,由于降低粘度同时也降低了浓度,有利于在乳化之前制得高分子量的预聚体或聚氨酯树脂,所得乳液的膜性能比单纯预聚体法的好。

  而预聚体法由于粘度的限制,为了便于剪切分散,预聚体的分子量不能太高,可能会影响水性聚氨酯性能,例如粘度高则乳化困难,粒径大,乳液稳定性差;预聚体分子量小则NCO基团含量高,乳化后形成的脲键多,胶膜硬,缺乏柔软性。

  丙酮法和预聚体法的主要区别是,在丙酮法中,聚氨酯先预聚成分子量较大的预聚体,由于分子量大的预聚体粘度大,必须稀释降低粘度;

  而预聚体法中根据需要可加或不加少量丙酮等溶剂。这两者的概念有所交叉,有的乳化方法既属丙酮法又属预聚体法。熔融分散法又称熔体分散法、预聚体分散甲醛扩链法。预先合成含叔胺基团(或离子基团)的端NCO基团预聚体,再与尿素(或氨水)在本体体系反应,形成聚氨酯双缩二脲(或含离子基团的端脲基)低聚物,并加入氯代酰胺在高温熔融状态继续反应,继续季胺化。

  聚氨酯双缩二脲离聚物具有足够的亲水性,加酸的稀水溶液形成均相溶液,再与甲醛水溶液反应进行羟甲基化,含羟甲基的聚氨酯严缩二脲能在50—130℃用无限水稀释,形成稳定乳液。当降低体系的pu值时,能在分散相中进行缩聚反应,形成高分子量聚氨酯。含离子基团的端NCO预聚体形成端脲基或缩二脲基聚氨酯低聚物后,则直接在熔融状态乳化于水,再加甲醛水溶液进行羟甲基化及扩链反应。

  二元胺直接扩链与酮亚胺—酮连氮法

  在预聚体分散法中,若采用溶于水的二元伯胺扩链剂扩链,由于一NCO与一NH2的反应速度快,不易得到微细而均匀的乳液,可采用酮亚胺或酮连氮法解决此问题。酮亚胺-酮连氮法是指预聚体与被酮保护了的二元胺(酮亚胺体系)或肼(酮连氮体系)混合后,再用水分散,分散过程中,酮亚胺、酮连氮以一定的速率水解,释放出游离的二元胺或肼与分散的聚合物微粒反应,得到的水性聚氨酯—脲具有良好的性能。

 
 
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