[发明专利]一种水性聚氨酯乳液及其制备方法

说明书

技术领域

本发明涉及高分子材料领域，特别涉及一种水性聚氨酯乳液及其制备方法。

背景技术

水性聚氨酯是以水代替有机溶剂作为分散介质的新型聚氨酯体系，也称水分散聚氨酯、水系聚氨酯或水基聚氨酯。水性聚氨酯以水为溶剂，具有无污染、安全可靠、机械性能优良、相容性好、易于改性等优点。聚氨酯树脂的水性化已逐步取代溶剂型，成为聚氨酯工业发展的重要方向。水性聚氨酯可广泛应用于涂料、胶粘剂、织物涂层与整理剂、皮革涂饰剂、纸张表面处理剂和纤维表面处理剂。水性聚氨酯整个合成过程可分为两个阶段。第一阶段为预逐步聚合，即由低聚物二醇、扩链剂、水性单体、二异氰酸酯通过溶液逐步聚合生成相对分子质量为l000量级的水性聚氨酯预聚体；第二阶段为中和后预聚体在水中的分散。

水性聚氨酯的合成基本采用自乳化法，在聚氨酯预聚体分子链中引入亲水基团，中和成盐后直接将其分散于水中。水性聚氨酯根据自乳化的工艺不同，可以将其分为四种类别：阳离子型水性聚氨酯，阴离子型水性聚氨酯，两性离子型水性聚氨酯，非离子水性聚氨酯。其中阴离子型的水性聚氨酯使用的亲水基团一般为磺酸基团或羧酸基团，用带有磷酸亲水基团的扩链剂来合成水性聚氨酯的研究较少，而用同时带有磷酸亲水基团和羧酸亲水基团的扩链剂来合成水性聚氨酯却未见报道。

发明内容

本发明所要解决的技术问题是：提供一种同时含有磷酸亲水基团和羧酸亲水基团的水性聚氨酯乳液，进一步提供一种该水性聚氨酯乳液的制备方法。

为了解决上述技术问题，本发明采用的技术方案为：

一种水性聚氨酯聚合单体，其特征在于，所述水性聚氨酯聚合单体的结构式为：

其中，R₁为烷基，m＝1-20，n＝1-20，m和n为整数，M为碱金属离子或者铵离子。

本发明的水性聚氨酯聚合单体的有益效果在于：同时包含磷酸亲水基团及羧酸亲水基团，为聚合后的水性聚氨酯的良好性能奠定基础，填补了现有技术中同时含有磷酸亲水基团及羧酸亲水基团的水性聚氨酯聚合单体产品的研究空白。

本发明又提供了一种水性聚氨酯乳液，由以下重量百分比的原料制备而成：5-20％的低聚物多元醇、0-5％的小分子扩链剂、5％-14％的二异氰酸酯、1-5％的亲水扩链剂、1-5％的成盐试剂、0.1-0.5％的催化剂和50-70％的去离子水，所述低聚物多元醇为聚酯多元醇或聚醚多元醇，所述低聚物多元醇的分子量为500-6000，所述亲水扩链剂的结构式为：

其中，R₁为烷基，m＝1-20，n＝1-20，m和n为整数。

本发明的水性聚氨酯乳液的有益效果在于：

(1)同时包含磷酸亲水基团及羧酸亲水基团，并以磷酸亲水基团及羧酸亲水基团使聚氨酯分散于水中，双亲水基团的存在进一步的提高了水性聚氨酯的稳定性；

(2)由于碳磷键的键能较碳碳键的键能大且由于通过亲水性扩链剂引入了酰胺键，酰胺键的稳定性比酯的稳定性高好几倍，使水性聚氨酯乳液比较于传统磺酸型水性聚氨酯和羧酸型水性聚氨酯，化学稳定性更强及耐水耐溶剂性能更好。磷酸基团具有很强的极性，它能与基材表面的极性基团形成氢键，形成黏接强度较大的接头，从而使T-剥离强度变大，此时的剥离是内聚力的破坏，表现出优异的附着力性能。

(3)由于磷元素的存在，使水性聚氨酯乳液具有优异的阻燃性能，这是传统的磺酸型或羧酸型水性聚氨酯均没有的性能；

(4)填补了现有技术中同时含有磷酸亲水基团及羧酸亲水基团的水性聚氨酯产品的研究空白。

本发明还提供一种水性聚氨酯乳液的制备方法，包括以下步骤：

(1)将所述低聚物多元醇和所述小分子扩链剂进行脱水处理，直至所述低聚物多元醇和所述小分子扩链剂的水分含量为0.05％；

(2)将步骤(1)中脱水后的所述低聚物多元醇和小分子扩链剂，与所述二异氰酸酯混合，加入溶剂，在60-85℃下进行，反应过程中测量反应体系的NCO含量；

(3)当NCO含量稳定不变后，加入所述亲水扩链剂和催化剂，在反应体系的粘度不超过5000MPas的条件下进行反应，反应过程中，测量反应体系的NCO含量；

(4)当NCO含量稳定不变后，冷却至45-50℃，加入所述成盐试剂，进行中和反应，获得水性聚氨酯预聚物；

(5)将所述水性聚氨酯预聚物倒入水中进行乳化分散，将乳化分散后的所述水性聚氨酯预聚物脱除溶剂，获得所述水性聚氨酯乳液。