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多重固化丙烯酸酯聚氨酯的合成及特性
集萃印花網(wǎng)  2010-01-26 00:00:00

    【集萃網(wǎng)觀察】摘要:以1,6己二異氰酸酯、聚酯三元醇與三羥甲基丙烷二烯丙基醚(TMPDE)和2-羥基-3-苯氧基-丙醇丙烯酸酯合成具有UV固化和常溫固化的自由基-自由基固化、PU交聯(lián)等三重固化的低聚物,討論了加料順序、催化劑的選擇、TMPDE的醚化度等因素對(duì)合成的影響,以及此聚合物的三重固化性、耐候性和增強(qiáng)附著力等應(yīng)用特性。

    關(guān)鍵詞:多重固化;脂肪族;丙烯酸酯聚氨酯

    0.前言

    UV固化給聚合物帶來(lái)了一種生機(jī),給涂料、粘合劑、油墨的應(yīng)用帶來(lái)了一場(chǎng)革命:固化時(shí)間短,減少了環(huán)境污染,提供了高光澤、高硬度、高耐磨的涂膜,是一種綠色環(huán)保材料。但由于受到可視性固化(紫外光能照射到的地方才能固化)的影響,UV涂料在全球的應(yīng)用還不及5%(中國(guó)只有1%),因此市場(chǎng)期盼能開(kāi)發(fā)出具有多重固化的UV涂料,應(yīng)用于紫外光照射不足的異面也能固化,并相應(yīng)提高有關(guān)應(yīng)用性(如附著力),從而拓寬其應(yīng)用領(lǐng)域[1]。國(guó)外拜耳和巴斯夫公司等相繼推出了雙重固化的UV低聚物[2],我們也曾在此方面做過(guò)些工作[3],國(guó)內(nèi)也有雙重固化體系在涂料中應(yīng)用的研究報(bào)道[4,5]。本文以1,6己二異氰酸酯、聚酯三元醇與三羥甲基丙烷二烯丙基醚(TMPDE)和2-羥基-3-苯氧基-丙醇丙烯酸酯合成具有多重固化的低聚物,并討論了[作者簡(jiǎn)介]余宗萍,化學(xué)工程碩士,具有多年的UV、PU合成及涂料研制經(jīng)驗(yàn),現(xiàn)任蘇州明大高分子科技材料有限公司技術(shù)部總工、中國(guó)輻射協(xié)會(huì)輻射固化專(zhuān)委會(huì)《輻射通訊》編委。其應(yīng)用特性。

    1.實(shí)驗(yàn)部分

    1.1實(shí)驗(yàn)原料

    1,6己二異氰酸酯(HDI,工業(yè)級(jí),德國(guó)拜耳公司);三羥甲基丙烷二烯丙基醚(TMPDE,工業(yè)級(jí),瑞典帕斯托Perstorp公司);2-羥基-3-苯氧基-丙醇丙烯酸酯(HPPA,工業(yè)級(jí),進(jìn)口);聚酯三元醇(進(jìn)口);抗氧劑(進(jìn)口);催化劑,有機(jī)錫;丙氧基化三羥甲基丙烷三丙烯酸酯(PO-TMPTA,工業(yè)級(jí),天津高科化工有限公司);三丙二醇二丙烯酸酯(TPGDA,工業(yè)級(jí),江蘇南通利田化工有限公司);光敏劑,2-羥基-2-甲基-1-苯基丙酮(工業(yè)級(jí),長(zhǎng)沙新宇化工有限公司);阻聚劑,對(duì)羥基苯甲醚(化學(xué)純,無(wú)錫正通化工);純苯(化學(xué)純,國(guó)藥上;瘜W(xué)試劑有限公司);特殊酸性穩(wěn)定劑。

    1.2合成原理

    先用聚酯三元醇與己二異氰酸酯(HDI)的1個(gè)—NCO基團(tuán)反應(yīng),再與TMPDE反應(yīng),再加入HPPA反應(yīng),反應(yīng)根據(jù)設(shè)計(jì)使之殘留部分—NCO基團(tuán),便制得目標(biāo)低聚物:

    1.3合成方法

    在連有冷凝分離器的三口燒瓶里加入TMPDE和純苯,開(kāi)動(dòng)攪拌升溫至80℃,停止攪拌,繼續(xù)升溫至140℃,蒸出苯水混合物,降溫備用。同樣的方法處理聚酯三元醇,降溫備用。將HDI和抗氧劑滴加到備用的聚酯三元醇中,攪拌控溫在55~65℃,4h后取樣測(cè)量NCO值達(dá)理論設(shè)計(jì)值時(shí),加入TMPDE及催化劑,控溫在65~72℃,當(dāng)NCO值小于6.5%時(shí),加入HPPA,在75~82℃反應(yīng)2.5h,當(dāng)NCO%小于4.5%時(shí)加入穩(wěn)定劑并控溫70~75℃,30min后降溫。最后根據(jù)粘度加入一定量的TPGDA攪勻出料,即得產(chǎn)品PUA。

    1.4產(chǎn)品技術(shù)指標(biāo)

    1.4.1測(cè)試方法

    外觀顏色按GB/T1722中的甲法進(jìn)行測(cè)定;用二正丁胺化學(xué)法測(cè)定NCO值;用NDJ-79旋轉(zhuǎn)粘度計(jì)在25℃下測(cè)低聚物的粘度;用阿貝單目折射儀測(cè)25℃的折光率;用甲醇法測(cè)定聚合物是否含有高聚物(瞬間觀察)。

    1.4.2測(cè)試結(jié)果

    聚合物的相關(guān)技術(shù)指標(biāo)見(jiàn)表1。

表1 PUA的技術(shù)指標(biāo)

    2.合成討論

    2.1加料順序

    本合成中先后需要添加4種反應(yīng)物質(zhì),但反應(yīng)的目的是要有一部分作主體,從反應(yīng)原理來(lái)看,聚酯三元醇與己二異氰酸酯反應(yīng)是一個(gè)主體,TMPDE和HPPA是改性接枝特殊官能團(tuán)的一部分。對(duì)于TMPDE和HPPA,我們分析一下它們的反應(yīng)次序,從結(jié)構(gòu)上分析可以看出:TMPDE分子結(jié)構(gòu)較大,呈體形結(jié)構(gòu),而HPPA呈線性結(jié)構(gòu)。線性結(jié)構(gòu)纏繞性好一些,分子運(yùn)動(dòng)空間較大,易反應(yīng),而體形結(jié)構(gòu)的空間位阻較大不易反應(yīng),為了在最后分子反應(yīng)能夠合理順利進(jìn)行,應(yīng)先加入TMPDE反應(yīng)后,再加入HPPA。在確定好此部分(TMPDE和HPPA看成M)后,我們按聚氨酯的合成原理有2種加料順序:第1種(A法)是先用HDI與聚酯三元醇反應(yīng)后再與M反應(yīng);第2種(B法)是HDI與M反應(yīng)后再與聚酯三元醇反應(yīng),兩種方法所得聚合物的有關(guān)性能指標(biāo)見(jiàn)表2。

表2 兩種加料法所得聚合物的性能指標(biāo)比較

    由表2可見(jiàn):兩種加料法最后的結(jié)果差別較大,B法粘度大,使用不方便,NCO值殘留量大,對(duì)貯存穩(wěn)定性影響較大,這主要是由于TMPDE是體形結(jié)構(gòu),在反應(yīng)中受空間阻礙較大,B法中后半反應(yīng)是大分子與大分子的慢反應(yīng),隨反應(yīng)溫度的升高易發(fā)生雙鍵熱聚合的岐化反應(yīng)而導(dǎo)致體系粘度升高,所以選擇A法比較合理。

    2.2催化劑的使用

    在HDI的第一步反應(yīng)中,由于對(duì)稱(chēng)結(jié)構(gòu)原因容易反應(yīng),考慮空間因素會(huì)有1個(gè)—NCO基團(tuán)與聚酯的羥基反應(yīng),由于空間位阻原因會(huì)留下1個(gè)—NCO基團(tuán),但是由于HDI的反應(yīng)速度較慢,需加入催化劑促進(jìn)反應(yīng),如果不選用催化劑,按設(shè)計(jì)工藝合成需要10h才能使NCO值達(dá)到第一步理論值,而使用0.02%的有機(jī)錫溶液可以使反應(yīng)縮減至3h。但催化劑用量大于0.4%就有凝膠的危險(xiǎn)。由于后兩步加入TMPDE和HPPA的反應(yīng)速率因相對(duì)分子質(zhì)量遞增而下降,適時(shí)加入少量催化劑以提高反應(yīng)速度。選用催化劑時(shí),控制用量和適時(shí)添加非常重要,另外,對(duì)醚化程度不同的TMPDE,催化劑的用量也有所不同。

    2.3三羥甲基丙烷二烯丙基醚的選擇

    三羥甲基丙烷二烯丙基醚(TMPDE)是含有烯丙基醚結(jié)構(gòu)的單體,它與乙烯基醚不一樣,氧原子的孤電子對(duì)與碳碳雙鍵未發(fā)生共軛,電子云密度并未明顯增大,烯丙基醚的反應(yīng)活性不及乙烯基醚,所以在合成控制中加熱到180℃都比較穩(wěn)定而不易發(fā)生熱聚合。選用醚化程度不一樣的TMPDE反應(yīng)穩(wěn)定性都差不多,但合成產(chǎn)品的性能不同,瑞典帕斯托的TMPDE與一種國(guó)產(chǎn)TMPDE樣品的性能比較見(jiàn)表3

表3 兩種TMPDE性能參數(shù)比較

    用上面的2個(gè)樣品來(lái)合成產(chǎn)品,瑞典帕斯托TMPDE合成的記為R1,國(guó)產(chǎn)TMPDE合成的記為R2,按本文的合成法合成的聚合物的有關(guān)性能指標(biāo)見(jiàn)表4。

表4 不同TMPDE合成產(chǎn)品的性能

    由表4可見(jiàn):R1的折光率、粘度、NCO%都要低于R2,穩(wěn)定性(耐熱法)R2相對(duì)也比較差。這主要由于國(guó)產(chǎn)TMPDE的單醚含量高,TMPDE分子中含雙羥基反應(yīng)受空間阻礙較大,反應(yīng)粘度也相對(duì)提高,為了促進(jìn)反應(yīng),應(yīng)選二醚含量較高的TMPDE。

    3.特性討論

    3.1三重固化性

    本文所涉及的三重固化指含UV固化的三重固化,

    目前含有UV固化的雙重固化體系的研究在國(guó)內(nèi)還剛起步,雙重固化體系均為自由基體系,主要有兩類(lèi):一類(lèi)是自由基聚合-縮聚體系,這類(lèi)體系中自由基聚合主要是通過(guò)紫外光引起的聚合,而縮聚主要是利用環(huán)氧樹(shù)脂、異氰酸酯、氨基樹(shù)脂的縮聚反應(yīng),組成混雜固化體系,這種體系可以增加附著力,但耐磨性、硬度有影響。另一類(lèi)是自由基-自由基雙重固化體系,這類(lèi)聚合都是自由基聚合,但引發(fā)的機(jī)理不一樣,它包括自由基光固化的厭氧固化體系和自由基固化的氣干體系,這類(lèi)體系是因紫外固化不完全時(shí)而用氧化還原反應(yīng)來(lái)加強(qiáng)固化,可以不改變?cè)w系的硬度,而加強(qiáng)潤(rùn)濕時(shí)間提高附著力。我們結(jié)合雙重固化的原理,研究了自由基-縮聚-自由基的三重固化體系,為了不影響紫外光固化的特性,引入另外兩種固化模式作為補(bǔ)充,更加開(kāi)拓了紫外光固化的應(yīng)用領(lǐng)域,特別是在提高附著力方面彌補(bǔ)了紫外光固化的不足。實(shí)際上,自由基-縮聚-自由基固化體系是光固化和熱聚合的體系。為了彌補(bǔ)可視光固化的不足,我們仿照當(dāng)前研究較成熟的不飽和聚酯的氣干性固化和—NCO交聯(lián)的聚氨酯固化作為后固化模式:在不飽和聚酯的聚合中為了不受氧氣的阻聚,在分子中引入TMPDE作為鏈終止劑來(lái)改善在環(huán)境空氣下的氣干而不需加蠟拋光;在聚氨酯交聯(lián)反應(yīng)中我們引入NCO基團(tuán)來(lái)參予氧化交聯(lián)和引入羥基樹(shù)脂的交聯(lián)提高極性而增強(qiáng)附著力。用上述合成的低聚物PUA按表5的配方來(lái)制備漆液。

表5 三重固化體系的配方

    注:在使用前才把白水用稀釋劑稀釋后同181X一起加入漆液并攪勻。

    用表5配方制得的漆液,用稀釋劑稀釋至適當(dāng)粘度后噴涂在白鐵皮上(涂布量130g/m2),在400mJ/cm2的紫外燈(大約是5kW的2支UV燈在15cm處的光強(qiáng))下,以18m/min的速度固化后,于室溫(20℃)下觀察漆膜的固化情況,見(jiàn)表6。

表6 漆膜的固化情況

    注:硬度使用鉛筆法測(cè)出。

    將配方中的181X去掉,同樣按上述方法制作樣板,經(jīng)過(guò)紫外光固化后,于室溫(20℃)下觀察漆膜的固化情況,見(jiàn)表7。

表7 漆膜的固化情況

    將配方中的藍(lán)水和白水去掉,同樣按上述方法制作樣板,經(jīng)過(guò)紫外光固化后,于室溫(20℃)下觀察漆膜的固化情況,見(jiàn)表8。

表8 漆膜的固化情況

    從表6可以看出:此固化確實(shí)是兩階段固化,前一階段為紫外光固化,后一階段為氣干性的氧化還原固化和聚氨酯交聯(lián)固化。涂膜表面光澤高,硬度大,附著力好。從表7可知:是NCO的交聯(lián)在起作用。從表8中我們可以看出:去掉藍(lán)白水后,氧化還原反應(yīng)被中斷,烯丙基醚的紫外光固化反應(yīng)比較慢。雖然能夠參加紫外光固化,但成膜后的性能也有影響,在實(shí)驗(yàn)中把光引發(fā)劑用量提高至6%作為單一的紫外光固化后也能雙重固化,但其性能不如三重固化,幾種固化膜性能的比較見(jiàn)表9。

表9 幾種固化膜性能比較

    從表9可以看出:本聚合物的三重固化性能并沒(méi)有改變UV固化的性能,并且在附著力上還有所提高,成膜的綜合性能還比較好,這主要是由于在低聚物的合成中我們引入的丙烯酸酯和烯丙基醚鍵及剩下的NCO基團(tuán)在三重固化中互相促進(jìn)對(duì)方的反應(yīng),共同為整體固化服務(wù)的結(jié)果。 

    3.2耐黃變性

    將芳香族聚醚類(lèi)丙烯酸酯聚氨酯(UCB公司的Eb-210)、脂肪族丙烯酸酯聚氨酯(Sartomer公司的CN996)分別按單一的紫外光固化法制得的漆膜與按表5配方制得的漆膜性能做比較,以標(biāo)準(zhǔn)白板為參照,采用ASTME-313測(cè)定涂有涂膜的白色底的玻璃板,試驗(yàn)結(jié)果見(jiàn)表10。

表10 泛黃指數(shù)比較

    注:標(biāo)準(zhǔn)白板的泛黃指數(shù)是-1.42。

    由表10可以看出:本三重固化聚合物的耐黃變性>脂肪族聚氨酯>芳香族聚氨酯。另外我們可以做一個(gè)最簡(jiǎn)單的實(shí)驗(yàn)來(lái)證明這種聚合物的耐黃變性:95份PUA和5份I-1173攪勻后涂在一張白紙的一半,通過(guò)紫外光固化機(jī)固化后對(duì)比黃變性,便可看出其耐黃變性的突出。

    3.3附著力

    通過(guò)上述試驗(yàn),我們已基本可以看出該聚合物的附著力性能。下面我們將按表5配方制成的涂布液分別涂布于樺木、紅檀木、PVC板、白口鐵上(涂布量80g/m2),經(jīng)4h后用劃格法測(cè)附著力,具體結(jié)果見(jiàn)表11。

表11附著力結(jié)果

    從表11可以看出:三重固化體系在木材(特別是含油脂重的紅檀木)、PVC板及白口鐵等基材上的附著力都達(dá)到了理想的效果,解決了一般純UV固化過(guò)程中最大的障礙,拓寬了紫外光固化的應(yīng)用面。

    4.結(jié)語(yǔ)

    用1,6-己二異氰酸酯、聚酯三元醇和三羥甲基丙烷二烯丙基醚及2-羥基-3-苯氧基-丙醇丙烯酸酯合成了一種具有三重固化特性的低聚物。指出合成過(guò)程中須注意聚酯三元醇的加料在前面較好,有機(jī)錫催化劑的用量控制在0.2%有利于反應(yīng),烯丙基醚需用二醚含量大于82%的較好。該聚合物具有紫外光固化和氧化還原氣干性固化及聚氨酯交聯(lián)固化(自由基-自由基固化-縮聚固化)的三重固化特性和突出的耐黃變性、優(yōu)異的附著力等。

    來(lái)源:涂料與涂裝資訊網(wǎng) 作者:余宗萍 楊軍 方程 孫余憑

    余宗萍 楊軍 方程(蘇州市明大高分子科技材料有限公司215234)

    孫余憑(江南大學(xué)化學(xué)化工材料學(xué)院,江蘇無(wú)錫214000)

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