聚醚多元醇合成封端型水性聚氨酯乳液

陡 媛，趙振河，劉 晶

（西安工程大學，陜西 西安 710048）

聚醚多元醇合成封端型水性聚氨酯乳液

陡 媛，趙振河，劉 晶

（西安工程大學，陜西 西安 710048）

以聚醚三元醇和甲苯二異氰酸酯（TDI）為基本原料，異丙醇為稀釋劑，亞硫酸氫鈉為封端劑制得水性聚氨酯。分析并討論預聚溫度和時間、R值、封端劑用量、封端溫度及時間等因素對水性聚氨酯性能的影響。

多元醇；封端；水性聚氨酯乳液（WPU）

WPU在紡織品染色、印花、后整理，無紡布涂層整理、防水透濕等方面應用廣泛。WPU不但保留了傳統(tǒng)溶劑型聚氨酯的優(yōu)良性能，還具有無毒、不燃、不污染環(huán)境及節(jié)約能源等優(yōu)點［1］。在紡織和印染助劑方面，經常用作染色助劑、涂料印花粘接劑、柔軟與防皺整理劑、抗靜電和親水整理劑等，可提高其染色深度、牢度以及紡織物的其他性能。

本文采用聚醚三元醇與TDI合成封端型WPU交聯劑，合成方法簡單，成本低廉。探討了各因素對WPU性能的影響。

1 實驗部分

1.1 原料及儀器

甲苯二異氰酸酯（TDI），工業(yè)級，陜西天欣海綿制品有限公司；聚醚330，分析純，杭州久靈化工有限公司；異丙醇、鹽酸，化學純，陜西華星實驗科技有限公司；亞硫酸氫鈉，化學純，天津市福晨化學試劑廠；二正丁胺，化學純，天津市紅巖化學試劑廠；溴甲酚綠、甲基紅，分析純，陜西華星實驗科技有限公司。

精密增力電動攪拌器，JJ-1，上海帥登有限公司；條紋型電熱套，MH-500，北京科偉有限公司；紅外光譜儀，5700，日本株式會社；及一般實驗室設備。

1.2 封端型水性聚氨酯的制備

在裝有溫度計和真空塞的三口燒瓶中投入稱量好的聚醚330，在真空條件，溫度120～140℃脫水2 h。將脫水后的聚醚330自然冷卻到60℃左右，將計量好的TDI滴加入三口燒瓶中，緩慢升溫至70℃，保溫預聚2 h。反應結束后用冰水降溫至0～5℃，加入計量的溶劑異丙醇、封端劑NaHSO3并不斷攪拌反應40 min。最后加水強力攪拌乳化1 h，得到封端型水性聚氨酯。

1.3 性能測試

（1）-NCO基含量

準確稱取2 g左右預聚體置于錐形瓶內，加入10 mL無水甲苯溶解樣品（難溶時稍稍加熱），然后加入10 mL、1 mol/L的甲苯-二正丁胺溶液，充分震蕩后靜置20 min，以溴甲酚綠作為指示劑，用0.5 mol/L的鹽酸標定，溶液由藍色變?yōu)辄S綠色視為終點。

游離-NCO 基含量由式（1）計算：

式中，-NCO—異氰酸酯基質量分數，%；V1—空白實驗所消耗的鹽酸溶液體積，mL；V2—測試目標樣所消耗的鹽酸溶液體積，mL；c—經標定的鹽酸標準液濃度，mol/L；m—所取試樣的質量，g。

（2）乳液外觀及穩(wěn)定性

在室溫下靜置觀察乳液的外觀并測其離心穩(wěn)定性。

（3）固含量

準確稱取定量的乳液置于稱量瓶中，在烘箱中烘干至恒量，取出放在干燥器中冷卻后稱量并計算固含量。

（4）黏度

采用NDJ-79旋轉黏度儀測試，2#轉子，溫度25℃，轉速為60 r/min。

（5）成膜性

將WPU乳液均勻倒在聚四氟乙烯板上，室溫晾干，在恒溫電熱烘箱中60℃烘干，觀察成膜的軟硬度及耐水性。

（6）紅外光譜（FT-IR）分析

取適量水性聚氨酯在Nicolet5700型傅立葉變換紅外光譜儀中掃描得到樣品紅外譜圖，采樣點32，分辨率4 cm-1。

2 結果與討論

2.1 預聚溫度和時間對反應的影響

本實驗中以R值為2，滴定反應過程中游離-NCO基的含量來確定合適的預聚溫度和時間。預聚溫度和時間對反應的影響如圖1所示。

圖1 預聚溫度和時間對反應的影響Fig.1 Effect of temperature and time on prepolymerization

在預聚反應中，只有當異氰酸酯基和醇羥基反應完全時，分子分布會更為均勻，有利于后期剩余異氰酸酯基的封閉，所以在使二者充分反應的同時要盡量避免副反應的發(fā)生。如圖1所示，當溫度升高時，—NCO%的含量逐漸減少，但是在60～65℃時，在180 min的預聚時間里最終—NCO%的含量沒有達到理論值，而且依舊呈下降趨勢；在75℃時，雖然—NCO%的含量下降很快，但是最終卻低于理論值，疑是由于溫度高而發(fā)生了副反應，故最終選擇預聚溫度為70℃。由圖1可以看出，溫度為70℃時，150～180 min的預聚時間里-NCO%的含量變化不大并且接近理論值，故預聚時間為150 min較適宜。

2.2 R值的影響

R值為（-NCO）/（-OH）的物質的量比。R值對乳液性能的影響如表1所示。

由表1可以看出，隨著R值增大，乳液的外觀變差，黏度減小，穩(wěn)定性變差。這是由于R值較小時，預聚體中聚醚多元醇的比值較大，生成的預聚體分子質量大，易交聯產生大分子使乳液黏度變大。R值增大時黏度也就隨之減小，但是當R值太大，體系中游離-NCO的含量增大，副反應增多，使得乳液外觀變差，同時-NCO含量的增多增加了硬段間分子間的作用力，成膜性更好，但是-NCO%過大使乳液的穩(wěn)定性下降。綜合考慮，R值最終取2.2。

表1 R值對乳液性能的影響Tab.1 Effect of R value on emulsion properties

2.3 溶劑用量的影響

在預聚過程里，由于-NCO與-OH的反應，使得體系黏度增大，有時甚至產生凝膠，并且封端時由于降溫，體系會變得黏稠，這時需要加入溶劑使聚氨酯大分子舒展開，黏度變小，以利于后續(xù)實驗進行。本實驗選擇異丙醇作為無水溶劑，亞硫酸氫鈉封閉異氰酸酯基的反應是在水性體系進行的，故而溶劑異丙醇為二者提供了油-水兩相的反應環(huán)境。隨著溶劑用量的增加，封端率會出現極值，這是由于雖然加入異丙醇使得體系黏度下降有利于封端反應的進行，但是當其用量過大時，-NCO與-OH的質量分數下降，影響封端率。所以異丙醇的用量為35%（相對于預聚體）較佳。

2.4 封端劑用量的影響

本文選擇解封溫度低的高效封閉劑亞硫酸氫鈉［2］，其用量對封端率的影響如圖2所示。

由于在預聚過程中，異氰酸酯基并沒有完全反應完全，就需要適量的亞硫酸氫鈉將端-NCO封閉。理論上來說，亞硫酸氫鈉與游離異氰酸酯基1：1反應生成-NHCOSO3，但是為了使-NCO被封閉完全，亞硫酸氫鈉的用量都要大于1（相對于剩余-NCO）。但是如圖2所示，亞硫酸氫鈉的量增大到一定程度后封端率反而下降，并且封閉產物中殘留過多的游離亞硫酸氫鈉。在使用中，亞硫酸氫鈉會分解釋放出二氧化硫而污染環(huán)境，同時會影響產物的外觀［3］。亞硫酸氫鈉的量為2.0較適宜。

圖2 NaHSO3用量對封端率的影響Fig.2 Effect of sodium bisulfite amount on blocking ratio

2.5 封端溫度及時間的影響

封端過程是一個放熱反應，放出的熱量會加劇逆反應或者可能引起副反應，所以封端溫度要盡量低。隨著溫度的升高，封端率會明顯下降，考慮到實驗的操作性及成本，最終溫度確定為0～5℃（冰水浴）。

封端率隨著時間的延長而提高，但是40 min后反而出現下降趨勢。封端時間確定為40 min。

2.6 封端型水性聚氨酯FT-IR 表征

封端型水性聚氨酯的紅外光譜如圖3所示。

在圖3可以看到產物在2 280～2 270 cm-1處沒有出現-NCO 的吸收峰，在1 720 cm-1處出現了CO-NH的C=O強伸縮振動峰，并且在3 350cm-1處及1 530 cm-1附近出現了CO-NH中-NH的變形振動峰，這3 個峰是聚氨酯結構中氨基甲酸酯的特征振動峰［4］。同時在1 100 cm-1處有1個醚鍵C-OC的伸縮振動峰，由此可以證明產物是聚醚型水性聚氨酯。

圖3 封端型水性聚氨酯的紅外光譜圖Fig.3 Infrared spectrum of waterborne blocked polyurethane

3 結論

聚醚多元醇330和甲苯-二異氰酸酯（TDI）在R值2.2、預聚溫度70℃、預聚時間150 min、溶劑用量35%、nNaHSO3/n-NCO=2：1、封端溫度0～5℃、封端時間40 min條件下合成的產物經測定為聚醚封端型水性聚氨酯，其綜合性能優(yōu)異。

［1］丁莉，杲云.水性聚氨酯膠粘劑結構與性能的研究［J］.功能高分子學報，2001，14 （1）：95-99.

［2］鄧森元.聚氨酯乳液［J］.廣州化工，2000，28（2）：12.

［3］顧繼友，高振華，李志國.亞硫酸氫鈉封閉異氰酸酯的研究［J］.聚氨酯工業(yè)，2003，18（1）.

［4］楊金花，秦志忠.高穩(wěn)定性聚酯型陰離子水性聚氨酯乳液的合成工藝研究［J］.合成材料老化與應用，2004，33（4）：27-30.

Synthesis of waterborne blocked polyurethane emulsion based on polyether polyols

DOU Yuan， ZHAO Zhen-he ，LIU Jing
（Xi'an Polytechnic University，Xi'an，Shanxi 710048，China）

Using polyether triol and toluene diisocyanate as the basic raw materials， isopropanol as the diluent and sodium bisulfite as the blocking agent， the waterborne blocked polyurethane emulsion was synthesized. And the effects of isocyanate index （R value）， temperature and time of prepolymerization， blocking agent amount and temperature and time of blocking on the properties of blocked waterborne polyurethane emulsion were analyzed and discussed.

polyols； blocking； waterborne polyurethane（WPU）

TQ433.4+32

A

1001-5922（2015）07-0057-03

2014-08-08

陡媛（1990-），女，研究生。研究方向：染整助劑的研發(fā)。E-mail：578539586@qq.com。

趙振河，教授，多年從事染整助劑的合成和開發(fā)。E-mail：zhaozhenhe@Yahoo.com.cn。