[发明专利]一种阻燃水性聚氨酯及制备方法

说明书

技术领域

本发明涉及高分子材料加工领域，特别是一种阻燃水性聚氨酯。

技术背景

水性聚氨酯(WPU)以水为分散介质，具有无毒、环保、气味小、安全可靠、节约能源等优点，是一种新型的绿色环保材料，已广泛应用于皮革涂饰、合成革涂饰、织物涂层、涂料、建筑保温材料、泡沫等领域。但聚氨酯属易燃材料，且燃烧速度快，放出热量高，燃烧时还伴随着可燃性熔滴，使火焰迅速传播。如果不对其进行阻燃处理，将成为引发火灾的潜在隐患。因此，在保留水性聚氨酯优良性能的前提下提高其阻燃性能，是水性聚氨酯材料功能化的重要发展方向之一。

Seo J W等通过有机/无机杂化，制备了水性聚氨酯/纳米硅复合乳液，用硅对聚氨酯进行热稳定性改性，但是硅作为单纯的阻燃元素其阻燃效果并不佳，需要与其它阻燃剂或化合物如二碱式亚磷酸铅、三碱式硫酸铅、碳酸钙、氢氧化铝(或氢氧化镁)、硼酸锌等协同使用，才能达到理想的阻燃效果；东华大学的王炜等用含磷、卤素阻燃聚醚多元醇代替部分环氧丙烷缩合物，与异佛尔酮二异氰酸酯反应，再用亚硫酸氢钠对异氰酸酯基团封端，得到封端型的水性聚氨酯，但是由于卤素的毒性和不环保，与水性聚氨酯的环保无毒要求不符。

硅系化合物的降解产物对环境的压力小，是公认的环境友好的阻燃剂，在阻燃家族中倍受青睐。其中，纳米硅溶胶的分子式可表示为mSiO₂·nH₂O，内部结构为硅氧键(-Si-O-Si-)，表层由硅羟基(-Si-OH)所覆盖。本发明采用超声波分散法制备了硅烷偶联剂/纳米硅溶胶改性的水性聚氨酯无卤阻燃材料，利用纳米硅溶胶具有良好的耐高温性、水溶性、反应性及比表面积大、无毒、无味、无卤、阻燃等特点，来提高WPU的阻燃性，同时以硅烷偶联剂对水性聚氨酯乳液改性，制得的涂料具有优良的耐水性、附着力和力学性能等，且该制备方法操作性好，具有良好的应用前景，为无卤阻燃水性聚氨酯的研究和实际应用提供新的思路。

发明内容

为了克服现有技术存在的阻燃效果差、不环保等问题，拓展聚氨酯的用途，本发明提供了一种阻燃水性聚氨酯，及其制备方法，本发明利用硅烷偶联剂和纳米硅溶胶的优良性质来提高WPU的阻燃性，实现了阻燃水性聚氨酯的制备。

本发明的是通过以下技术方案实现的：

一种阻燃水性聚氨酯，由以下重量份的原料制成：聚醚二醇55～65份、甲苯二异氰酸酯30～40份、2，2-二羟甲基丙酸4～10份、催化剂1～3份、硅烷偶联剂0.5～2.0份、三乙胺3.5～9份、水8～15份、消泡剂0.5～2.0份、纳米硅溶胶5～10份。

所述硅烷偶联剂选自3-氨基丙基乙氧基硅烷、γ-(2，3-环氧丙氧基)丙基三甲氧基硅烷或γ-氨丙基三乙氧基硅烷。

所述消泡剂选自聚二甲基硅氧烷或聚氧丙烯甘油醚。

所述催化剂选自二丁基二月桂酸锡或二丁基氧化锡。

所述纳米硅溶胶的固含量为30～40％。

所述水优选去离子水。

所述阻燃水性聚氨酯的制备方法，步骤如下：

(1)分别将聚醚二醇和2，2-二羟甲基丙酸在120～125℃、4～4.5kPa条件下真空脱水2.0～3.0h，然后密封保存备用；

(2)在带有高速分散机、温度计和高纯氮气保护的密闭反应器中加入甲苯二异氰酸酯，将2，2-二羟甲基丙酸和聚醚二醇的混合物加热到120～130℃，使2，2-二羟甲基丙酸溶解，冷却至室温后加入到上述反应器中，再加入催化剂，在氮气保护氛围、70～75℃下以700～1000r/min的速度搅拌反应4.0～4.5h，得到聚氨酯预聚体；

(3)将三乙胺和硅烷偶联剂溶于5～10℃的水中，缓慢加入上述聚氨酯预聚体，以100～180rpm的剪切速率、30～50m/s的转子速度高速剪切乳化30～40min，加入消泡剂，分散均匀后得到硅烷偶联剂改性的水性聚氨酯乳液；

(4)将纳米硅溶胶加入到上述聚氨酯乳液中，超声分散30～40min，得到硅烷偶联剂/纳米硅溶胶改性水性聚氨酯。

本发明的有益效果：

1、本发明中以硅烷偶联剂改性的水性聚氨酯乳液制得涂料，由于硅烷偶联剂的一端与异氰酸酯封端的聚氨酯预聚体分子的主链相接(-NH₂与-NCO反应)，另一端的Si-O链则伸展到基层表面，从而在硅烷偶联剂改性的树脂中表现出有机硅的特性，如优良的耐水性、附着力和力学性能等，且该制备方法操作性好，具有良好的推广应用前景。