[发明专利]一种生物基高性能水性聚氨酯树脂的制备方法及其产品

说明书

本发明公开了一种生物基高性能水性聚氨酯树脂的制备方法及其产品，包括以下步骤：1)将生物基多元醇，内乳化剂，与二元异氰酸酯放入三口烧瓶中混合，加入催化剂，在设定温度和搅拌速度下，进行反应，得到聚氨酯预聚物；2)向步骤1)中的聚氨酯预聚物中加入生物基小分子扩链剂，进行扩链反应，反应结束后，加入中和剂继续进行搅拌，然后向反应液中滴加去离子水进行乳化，得到生物基高性能水性聚氨酯树脂。本发明将刚性结构的生物基小分子链单体(环二肽)引入植物油基水性聚氨酯链段中，在改善水性聚氨酯的热稳定性与力学性能的同时，能够进一步提高水性聚氨酯生物基的固含量。

技术领域

本发明属于水性聚氨酯树脂制备技术领域，具体涉及一种生物基高性能水性聚氨酯树脂的制备方法及其产品。

背景技术

水性聚氨酯(WPU)作为一种基于传统溶剂型聚氨酯发展而来的合成树脂材料，在部分继承了传统聚氨酯材料具有物理机械强度高、耐磨性能好等优点的同时，减轻了挥发性有机物质(VOC)的释放问题，拥有了环保、毒性低、相容性好等新特性，已经广泛的应用在涂料、胶粘剂、织物涂层与整理剂、皮革合成革涂饰剂等领域。

近年来，由于石油资源的枯竭，石油产品衍生物的产量逐年降低，影响到了包括聚氨酯制造业在内的众多领域，为了应对能源危机，从可持续发展角度出发，利用可再生资源如纤维素、木质素和植物油等来代替石化原料的研究成为了一个有前途的新兴领域。

然而，相比于溶剂型聚氨酯产品，单一的植物油基水性聚氨酯固含量偏低，在力学、热稳定性与耐水性等方面均存在不足。这也是，目前公开的大部分植物油基水性聚氨酯发明专利的普遍不足：

中国发明专利申请CN 111087572 A公开了一种具有耐磨、耐溶剂、耐水性能的生物基水性聚氨酯树脂及其制备方法，该乳液主要材料为含活性氢的多元醇，具有二聚脂肪酸主链的长链化合物，亲水扩链剂，小分子扩链剂，成盐剂，去离子水，后扩链剂和溶剂，其中小分子扩链剂主要采用1,4-丁二醇、二甘醇、环己二甲醇等小分子二元醇，而后扩链剂主要采用乙二胺、己二胺、异佛尔酮二胺等二元胺，制备得到的水性聚氨酯的断裂强度仅为14～24MPa，固含量在20～40％之间。

中国发明专利申请CN 108467467 A公开了一种植物油基阴离子型水性聚氨酯乳液及其制备和应用。该水性聚氨酯是由植物基多元醇，二异氰酸酯，扩链剂，中和剂和催化剂作为原材料制备得到，其中采用的扩链剂为DMPA或DMBA。由于多元醇的特殊预交联结构，提高聚氨酯的交联密度，增加材料力学性能和耐水性，制备成功率高，但其拉伸强度不高，最高为17.5MPa，固含量在10～15％之间。上述两种水性聚氨酯在强度和固含量都偏低，在具体的应用中，往往受限，因而进一步研发高性能的水性聚氨酯，是充满前景的一大研究方向。

发明内容

本发明的目的是提供一种强度高和固含量高的生物基高性能水性聚氨酯树脂的制备方法及其产品，拓展水性聚氨酯的应用领域。

本发明这种生物基高性能水性聚氨酯树脂的制备方法，包括以下步骤：

1)预聚氨酯预聚物的制备：将生物基多元醇，内乳化剂，与二元异氰酸酯放入三口烧瓶中混合，加入催化剂，在设定温度和搅拌速度下，进行反应，得到聚氨酯预聚物；

2)生物基高性能水性聚氨酯树脂的制备：向步骤1)中的聚氨酯预聚物中加入生物基小分子扩链剂，进行扩链反应，反应结束后，加入中和剂继续进行搅拌，然后向反应液中滴加去离子水进行乳化，得到生物基高性能水性聚氨酯树脂。

所述步骤1)中，生物基多元醇为蓖麻油，所述的生物基多元醇的羟基值为162-168mg KOH/g；二元异氰酸酯为异氟尔酮二异氰酸酯、甲苯二异氰酸酯、二甲基甲烷二异氰酸酯中的任意一种；内乳化剂为二羟甲基丙酸、二羟甲基丁酸、2,5-二羟基苯甲酸及咖啡酸的任意一种，催化剂为有机锡类催化剂，叔胺基类催化剂的一种；设定温度为78～85℃，搅拌为机械搅拌，反应搅拌速度为180～250r/min，反应时间为3～4h。