维普资讯 http://www.cqvip.com 2007年第12期 第34卷总第176期 广东化 工 5 www.gdchem.com 新型低游离TDI聚氨酯固化剂的合成与性能研究 谭显湛 (广东嘉宝莉化工有限公司,广东江门529085) [摘要】叙述了降低聚氨酯固化剂中游离TDI的方法——物理法和化学法,着重介绍了化学法的原理。研究了合成 工艺对降低游离TDI的影响,结果表明:当反应物NCO/OH的比值为3.0~3.2,反应物粘度适中,反应温度为65 ̄C,催 化剂使用量为0.09%,反应时间为4 h时,合成的聚氨酯固化剂游离TDI达到要求,且成漆的性能优良。 【关键词】低游离TDI;聚氨酯;固化剂;性能 The Preparation and Performance Research of Novel Low Free TDI Content P0lvurethane Curer Tan Xianzhan (Guangdong Carpoly Chemical Co.,Ltd.,Jiangmen 529085,China) Abstract:The method of reducing the free TDI content of polyurethane curer of the physical method and chemical method were reviewed,especially on the principle of chemical method.The effect of preparation process on reducing the free TDI content was studied,it was showed that the viscosity of the prepolyer was property when the NCO:OH ratio was between 3.0~3.2.the dosage of catalyst was 0.09%.the reaction temperature was 65℃and the reaction time was more than 4 h.a proper free TDI content polyurethane curer and excellent performance paints were obtained. Keywords:low free TDI content;polyurethane;curer;performance 近年来,聚氨酯双组份涂料广泛用于木器家具、室内外装 饰、机械仪表等表面涂装。其一组份是聚氨酯固化剂,目前用 量最大、应用最广的是TDI-TMP加成物。与以前采用的羟基 醇酸树脂加成物相比,具有颜色浅、干燥快、漆膜性能好、抗 黄变性好等优点。然而,其中的TDI单体是一种有毒化学品, 较容易挥发,化学性质非常活泼,极易与其它含活泼氢原子的 化合物反应。对人体的最大危害是它能与人体中的蛋白质反应, 使蛋白质变性;同时,其蒸气有强烈的催泪作用;吸入后刺激 内装饰装修材料溶剂型木器涂料中有害物质限量>) GBl858l一200l的发布实施,规定配漆后游离TD1的含量必须小 于0.7%。这表明固化剂中游离TDI必须降至1.5%以下,才可 能达到国标要求。随着科技的发展,今后对固化剂中游离TDI 的含量的要求会越来越严格 J。 为了减少聚氨酯固化剂中游离TDI含量问题,目前有两种 方法:第一种方法是物理方法,即分子蒸馏法。我国原化学工 业部早在“八五”至“九五”计划期间,已下达攻克聚氨酯固 化剂中游离TDI的课题,由于难度较大,目前仍在进行过程之 呼吸系统,引起干咳、喉痛…。较长时间吸入TDI可引起支气 管哮喘、头痛、失眠;过量吸入会损伤肺、肝脏,接触皮肤引 起皮炎、溃疡,严重的会导致死亡 J,自强制性国家标准 室 [收稿日期】2007—08 13 中。第二种方法是化学法,即通过催化使得残留的TDI进行二 聚或三聚,从而减少固化剂中游离TDI的含量。本文采用第二 [作者简介】谭显湛(1976一),男,广东江门人,助理工程师,主要从事精细化工产品的研究与开发,特别是树脂与固化剂产品的开发。 维普资讯 http://www.cqvip.com
广6 东化工 2007年第l2期 第34卷总第176期 、)l,、Vw.gdchem.com 种方法,通过选择不同的催化剂和优化的合成工艺,从而得到 性能优良且游离TDI满足国家标准要求的聚氨酯固化剂。 1实验部分 1.1实验原料 甲苯二异氰酸酯(TDI),工业品,80/20,日本三井;三羟甲 基丙烷(TMP),工业品,湖北宜化;醋酸丁酯,工业级;改性 剂,工业级;抗氧剂,工业品,汽巴;催化剂、阻聚剂,自制。 1.2反应原理 异氰酸酯可发生自加成反应,生成各种自聚物,包括二聚 体、三聚体及各种多聚体等,其中最重要的是二聚反应和三聚 反应。虽然在常温下TDI可缓慢产生自加成反应,但无催化剂 存在时,此反应进行的很缓慢。当采用催化剂时,如三烷基膦、 吡啶、叔胺等,反应速度加快。然而在采用催化聚合助剂降低 固化剂游离TDI含量的反应同时,也存在加成物和游离TDI之 间的反应以及加成物之间的分子链增长的反应。所以在采用催 化聚合助剂使固化剂中游离TDI单体进行三聚化和二聚化反应 后,要立即消除催化聚合助剂的活性,否则在它的催化聚合作 用下,反应体系的粘度要继续增大。其反应原理用主要反应式 表示如下: l lc。—= —N<\N一 r l I二聚体 l l()cN—R\ 入 /一 。 l l \ /c\0 R—N∞ 三聚体 1.3合成工艺 (1)将一部分醋酸丁酯投入干燥的四口烧瓶,升温至回流脱 水1.5 h,待无水分出时降温至40 ̄C以下。 (2)DH入抗氧剂和TDI,并通氮气保护,搅拌均匀后升温至 50 ̄60 ̄C,加入一半的TMP和改性剂反应至体系不再明显放热 为止,再加入剩余TMP,整个过程温度控制在70 ̄C以内。 (3)DH完TMP后,升温至70 ̄C保温1 h,然后升温至85~ 90℃保温1 h。 (4)降温至50 ̄C左右,取样测NCO%,然后加入催化剂,升 温至55℃维持恒温。 (5)30 min后,开始测NCO%,以后每15 min测一次,待 NCO%=8.6±0.2时,加入阻聚剂和稀释溶剂醋酸丁酯,搅拌均 匀后升温至70~75℃保持30 min。 (6)降温至40 ̄C以下过滤、出料。 1.4分析与测试 采用气相色谱检测游离TDI含量,内标法,内标物C 烷, GC900A型气相色谱仪;采用涂一4杯测定粘度,测试温度25℃; 固体分,120 ̄C烘2.5 h后测定;采用二正丁胺滴定法测定一NCO 含量。 2结果与讨论 2.1 NCO/OH比的影响 NCO/OH比影响工艺的稳定、贮存的稳定、加成物分子量 的大小和分布、与羟基树脂的混溶性等,尤其是游离TDI单体 的含量。一般降低NCO/OH比,可以降低游离TDI含量,但是 这样合成的产品,一NCO含量降低、分子量较大、粘度较高、 工艺不稳定、易胶化,对涂料的干燥性和施工都有不利的影响; 用此种方法处理时,若不考虑反应体系的浓度、活性等因素, 每降低1%的游离TDI,一NCO将降低2%,也就是说为了降低 1%的游离TDI,将加成物上几倍于游离TDI的.NCO给消耗了, 漆膜的性能降低是不言而喻的。当TDI/TMP=2.8时,游离TDI 含量仍高达2%以上,不符合国标要求。相反,增加TDI与TMP 的物质的量比,游离TDI单体多,需采用薄膜蒸发法、溶剂萃 取法等进行后处理,以降低游离TDI的含量,工艺复杂、设备 多、投资大、工时长、成本高。通过实验得知,NCO/OH比为 3.0~3.2较为理想。 2.2反应温度对游离TDI的影响 C C 0 U 0 U Reaction TemperatureflC 图1 反应温度对游离TDI含量的影响(催化剂量为O.09%,反 应时间为4 h) Fig.1 The relationship between reaction temperature and free TDI content(dosage of catalyst:0.09%,reaction time:4 h) 反应温度对产品的游离TDI含量有很大影响,见图l。从 图中可以看出,随着反应温度的升高,游离TDI含量迅速下降。 但反应温度太高,反应不易控制,产品颜色也较深【 ,而反应 温度太低,反应时间较长。实验过程中发现:在60-65 ̄C反应, 产品的游离TDI下降较快,且反应易于控制,产品颜色较浅。 维普资讯 http://www.cqvip.com 2007年第12期 第34卷总第176期 广东化工 www.gdchem.com 根据理论L6 研究见表1,TD1分子中2个一NCO基在49 ̄C和72 0(2 时的活性差别分别为6.7倍和4.7倍,因此选择在50 ̄60 ̄C使 一2,6一体TDI,并非是常用的TDI一80的组成,它只有在强催化聚 合助剂的作用下,才可能生成三聚体或二聚体,所以在加成物 中要除去游离的2,6一体TDI难度要大一些。实验结果发现,当 采用烷基磷和叔胺类的复配作为催化剂时,可以有效降低产品 的游离TDI的含量,而且整个反应平稳,易于控制。其游离TDI 的含量随催化剂用量的增加明显下降;但是用量太大时,反应 很难控制,而且产品的粘度大,贮存稳定性也较差。其用量一 般为固体分50%的固化剂总量的0.4‰左右。 NCO和一OH反应,并且在70 ̄C保温使反应趋于完全。然后在 反应后期温度升至85 ̄90 ̄C,在此温度下进行反应,其目的主 要是促进游离TDI单体进一步反应,降低游离TDI单体的含量。 这样处理后,不仅有助于降低游离TDI单体的含量,而且有利 于漆膜性能提高。 表1 邻、对位一NCO基团的反应速率常数比较 Tab.1 The constant of reaction rate of ortho and para-NCO group < 0 2.3反应时间对游离TDl的影响 反应时间与游离TDI含量的关系见图2。随着反应时间的 增加,产品的游离TDI含量降低,同时产品的粘度也逐渐增加。 图2反应时间对游离TDI含量的影响(催化剂量为0.09%,反应 温度为65℃) Fig.2 The effect of reaction time on the free TDI content(dosage of catalyst:0.09%.temperature:65℃1 2.4催化剂的影响 化学法降低固化剂中游离TDI的主要反应是采用催化剂促 使残留的TDI进行二聚或三聚,从而降低游离的TDI,因此催 化剂对反应有着重要的影响。促使TDI进行三聚的催化剂种类 很多,如碱金属盐、羧酸盐、烷基磷、叔胺类化合物等都可以 使TDI发生三聚反应。实验过程中发现,有些催化剂对降低游 离TDI含量效果不是很明显,主要是因为游离单体基本上为 2.5漆膜性能检测结果 根据常用配方,使用相同的油漆配两种固化剂,一种是原来 的固化剂,一种为降低游离TDI的固化剂,性能检测结果见表2。 表2配制成PU漆的性能对比 Tab.2 The performance of PU paints by using the made free TD1 content curer 3结论 新型PU固化剂具有成本低、气味小、颜色浅、游离单体 少、弹性好、不易变黄等优点,漆膜性能接近TDI-TMP固化 聚酯高光面漆,性能都达到优良。 (下转第55页) 维普资讯 http://www.cqvip.com 2007年第12期 第34卷总第176期 广东化工 55 www.gdchem.com 脂在丙酮、四氢呋喃和二氧六环中具有良好的溶解性,且溶液 稳定,可室温保存7 d,有利于加工成型。 Ishii等将这两种树脂分别在丙酮中溶解后,加入MDA改 [10]Hoisington M A,Duke J R,Apen P G.High temperature,polymeric。 structural f0ams from high internal phase emulsion polyme zations[J].Polymer, 1997,38:3347. 性,形成新溶液。取玻璃布浸渍,干燥后热处理制成层压板(表 4)。表4表明,苯环有乙基取代的BEDM一二胺体系能溶于低沸 点溶剂,其固化成型时间短,无须后固化,层压板具有良好的 耐热性和粘接性。 [11]Usn ̄mA,FunHK,ZhuHL,eta1.[Bis(4一maleimidopheny1)]methane[J].Acta Cryst,2003,E59:652. [12]李柏松,王宇光,曾敏,等.双马来酰亚胺树脂改性研究进展[J].绝缘 材料通讯,2002,(3):3l一36. [1 4]Grenier—Loustalot M F,Da C L.Eutectic mixture of two bismaleimide monome ̄:thermal andmechanistic studyinthemolten state[J].Polymer,l997, 38:6303. 此外,Ishii等 副将表4的2 预聚物与环氧树脂、酚醛树脂 溶于二氧六环中,取玻璃布浸渍、干燥后在200 ̄C下固化80min, 制得层压板的剥离强度达2.2 kg/cm,T 为221 oC,尺寸变化率 (230℃,17 d)仅为2%,便于钻孔处理。 [1 5]Konda T, Kunitomo H. Bismaleimide—containing thermosetting compositions with good curability,and their cured products with low dielectric 3结论 与BDM相比,BEDM树脂的溶解性显著改善,有利于加工 处理和提高材料性能。烯丙基化合物和芳香族二元胺等改性的 losstangent[P].JP:20053l4656,2005一ll—l0. [16]柯刚.3,3’-二乙基一N,N’-4,4’一二苯甲烷双(多)马来酰亚胺改性聚苯醚树脂 的研究[D].武汉:湖北省化学研究院,2003. [1 7]KanayamaK,OonumaY.Production ofBismaleimides[P].JP:5l40096, l 993.06.08. BEDM树脂具有良好的溶解性,加工成型方便,固化物的耐热 性、粘接性和电绝缘性能优良,且吸水率低,因而在高性能印 制电路板、层压板、密封材料、模压复合材料、摩擦材料、工 程塑料、粘接剂、粉体涂料等领域具有较好的应用前景。 [1 8]Enoki H,Suzuki K.Production of Bismaleimde[P].JP:0 ll 72372, l 989.07.07. 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