一种可紫外光固化水性聚氨酯乳液及其制备方法和应用技术

本发明专利技术属于高分子新材料技术领域，尤其涉及一种可紫外光固化水性聚氨酯乳液及其制备方法和应用。本发明专利技术采用聚碳酸亚丙酯二元醇、二异氰酸酯和反应性单体为主要原料，引入紫外光固化双键基团，使得丙烯酸酯树脂与聚氨酯树脂通过化学键连接起来，有效地实现了两种树脂各自优异性能的有机统一，采用本发明专利技术可紫外光固化水性聚氨酯乳液固化的薄膜硬度高，具有良好的耐溶剂性、耐腐蚀性、耐刮伤性及力学强度。并且，该可紫外光固化水性聚氨酯乳液的原料无需有机溶剂，制备中不需使用丙酮作溶剂降低体系粘度，反应性单体可降低体系粘度，避免了有机溶剂的使用，进一步解决VOC的排放问题，减少了对环境的污染和对健康的危害。

UV curable waterborne polyurethane emulsion and preparation method and application thereof

【技术实现步骤摘要】
一种可紫外光固化水性聚氨酯乳液及其制备方法和应用
本专利技术属于高分子新材料
，尤其涉及一种可紫外光固化水性聚氨酯乳液及其制备方法和应用。
技术介绍
对于环境保护的重视是社会发展的共同趋势，紫外光固化聚氨酯涂料等环保新材料正逐步取代传统溶剂型聚氨酯材料进入市场应用，逐步取代传统产品。并且，由于紫外光固化聚氨酯涂料具有快速固化和无需加热烘烤等高效节能的特点，令其非常适用于流水线操作，其市场的发展逐年递增，越来越多地应用于商品的工业化生产之中，为整个表面涂覆行业带来了一次新的革命。水性紫外光固化体系结合了传统的光固化涂料和水性涂料的诸多优点，相比与传统的溶剂型聚氨酯材料，其VOC含量低，气味小，属于环境友好型材料。然而目前市面上的水性聚氨酯材料固含一般在305％～35％左右，水性体系由于水分含量高，在使用过程中存在固化速度低，漆膜性能差等缺点。传统的紫外光固化水性聚氨酯主要以异氰酸酯和聚合物多元醇为原料，其中最为常用的聚合物多元醇为聚酯多元醇和聚醚多元醇。然而，聚酯型水性聚氨酯的酯键易水解，耐水性差；聚醚型水性聚氨酯本身强度、硬度低，不耐刮擦，产品性能较差。因此，如何提高水性聚氨酯耐水性、耐腐蚀性、硬度和耐刮擦性能成为了本领域技术人员亟待解决的技术问题。
技术实现思路
有鉴于此，本专利技术提供了一种可紫外光固化水性聚氨酯乳液及其制备方法和应用，用于提高水性聚氨酯耐水性、耐腐蚀性、硬度和耐刮擦性能。本专利技术的具体技术方案如下：一种可紫外光固化水性聚氨酯乳液，所述可紫外光固化水性聚氨酯乳液的原料包括：聚碳酸亚丙酯二元醇、二异氰酸酯、亲水功能单体、催化剂、扩链剂、反应性单体、阻聚剂、中和剂和去离子水；所述反应性单体选自甲基丙烯酸羟乙酯、丙烯酸羟乙酯、甲基丙烯酸羟丙酯、三羟甲基丙烷三丙烯酸酯、季戊四醇三丙烯酸酯和环氧改性丙烯酸酯中的一种或多种。本专利技术中，采用聚碳酸亚丙酯二元醇、二异氰酸酯和反应性单体为主要原料，引入紫外光固化双键基团，使得丙烯酸酯树脂与聚氨酯树脂通过化学键连接起来，有效地实现了两种树脂各自优异性能的有机统一，使得采用本专利技术可紫外光固化水性聚氨酯乳液固化的薄膜具有更好的硬度，薄膜具有良好的丰满度、耐水性、耐腐蚀性、耐磨和耐刮伤性及较高的力学强度，提高了可紫外光固化水性聚氨酯乳液的实际应用价值。并且，该可紫外光固化水性聚氨酯乳液的原料无需有机溶剂，制备中不需使用丙酮作溶剂降低体系粘度，反应性单体可降低体系粘度，避免了有机溶剂的使用，进一步解决VOC的排放问题，减少了对环境的污染和对健康的危害。优选的，以质量份计，所述原料包括：所述聚碳酸亚丙酯二元醇60份、所述二异氰酸酯20～40份、所述亲水功能单体2～10份、所述催化剂0.12～0.36份、所述扩链剂1～10份、所述反应性单体10～50份、所述阻聚剂0.2～0.5份、所述中和剂2～10份和去离子水10～30份。优选的，所述聚碳酸亚丙酯二元醇的分子量为1000～3000；所述聚碳酸亚丙酯二元醇的羟基官能度为2；所述聚碳酸亚丙酯二元醇分子内碳酸酯基团的摩尔分率为0.3～0.4。本专利技术中，聚碳酸亚丙酯多元醇是以二氧化碳为起始原料，加入引发剂，与环氧丙烷进行催化反应共聚合成，力学性能好，成本低，大规模生产消耗二氧化碳气体可以缓解节温室效应，同时节省石油等能源，对环境保护、节能减排具有很大的意义。本专利技术中，二异氰酸酯为脂肪族二异氰酸酯，使得可紫外光固化水性聚氨酯乳液光固化的薄膜耐黄变性能相较于芳香族的水性聚氨酯乳液光固化的薄膜更好，扩链剂为非亲水扩链剂。优选的，所述二异氰酸酯选自异佛尔酮二异氰酸酯、六亚甲基二异氰酸酯和氢化二苯基甲烷二异氰酸酯中的一种或多种；所述亲水功能单体选自二羟甲基丙酸(DMPA)、二羟甲基丁酸(DMBA)、均苯四酸二酐(BPDA)、1,2-丙二醇-3-磺酸钠、1,4-丁二醇-2-磺酸钠和2-[(2-氨基乙基)氨基]乙磺酸钠盐中的一种或多种，更优选为二羟甲基丙酸；所述催化剂选自辛酸亚锡、二月桂酸二正丁基锡和醋酸锡中的一种或多种；所述扩链剂选自乙二醇、1,4-丁二醇、一缩二乙二醇、1,6-己二醇、丙三醇、三羟甲基丙烷、乙二胺、1,6-己二胺、乙醇胺和二乙醇胺中的一种或多种，更优选为1,4-丁二醇。优选的，所述阻聚剂选自2,2,6,6-四甲基哌啶氧化物(TEMPO)、对苯二酚和2,6二叔丁基-4-甲基酚中的一种或多种；所述中和剂选自三乙胺、三丙胺、三丁胺、氢氧化钠和氨水中的一种或多种。本专利技术还提供了一种可紫外光固化水性聚氨酯乳液的制备方法，包括以下步骤：a)将聚碳酸亚丙酯二元醇、二异氰酸酯和亲水功能单体在催化剂的作用下，进行第一反应，得到中间体；b)在所述中间体中加入扩链剂，进行第二反应，得到聚氨酯预聚体；c)在所述聚氨酯预聚体中加入反应性单体和阻聚剂进行第三反应，再加入中和剂进行中和反应后，加入去离子水乳化，得到可紫外光固化水性聚氨酯乳液；其中，所述反应性单体选自甲基丙烯酸羟乙酯、丙烯酸羟乙酯、甲基丙烯酸羟丙酯、三羟甲基丙烷三丙烯酸酯、季戊四醇三丙烯酸酯和环氧改性丙烯酸酯中的一种或多种。本专利技术中，采用聚碳酸亚丙酯二元醇、二异氰酸酯和反应性单体为主要原料，反应性单体能与聚氨酯预聚体的端基(-NCO)发生发应，得到的可紫外光固化水性聚氨酯乳液为丙烯酸酯封端的水性聚氨酯丙烯酸酯乳液。采用本专利技术可紫外光固化水性聚氨酯乳液固化的薄膜具有更好的硬度，薄膜具有良好的丰满度、耐水性、耐腐蚀性、耐磨和耐刮伤性及较高的力学强度，提高了可紫外光固化水性聚氨酯乳液的实际应用价值。并且，该可紫外光固化水性聚氨酯乳液的原料无需有机溶剂，制备中不需使用丙酮作溶剂降低体系粘度，反应性单体可降低体系粘度，避免了有机溶剂的使用，进一步解决VOC的排放问题，减少了对环境的污染和对健康的危害。优选的，步骤a)所述第一反应的温度为70℃～90℃；所述第一反应的时间为2h～6h。优选的，步骤b)所述第二反应的温度为40℃～70℃；所述第二反应的时间为1h～2h，更优选为1h。优选的，步骤c)所述第三反应的温度为70℃～80℃，所述第三反应的时间为1h～3h；所述中和反应的温度为40℃～50℃，所述中和反应的时间为5min～30min；所述乳化的温度为10℃～25℃，所述乳化的时间为10min～60min。本专利技术中，步骤c)乳化之后，优选以400rpm的速率搅拌乳化分散30min，冷却得到可紫外光固化水性聚氨酯乳液，可紫外光固化水性聚氨酯乳液的固含量为80％～90％。本专利技术还提供了上述技术方案所述可紫外光固化水性聚氨酯乳液和/或上述技术方案所述制备方法制得的可紫外光固化水性聚氨酯乳液在涂料中的应用。综上所述，本专利技术提供了一种可紫外光固化水性聚氨酯乳液，所述可紫外光固化水性聚氨酯乳液的原料包括：聚碳酸亚丙酯二元醇、二异氰酸酯、亲水功能单体、催化剂、扩链剂本文档来自技高网...

【技术保护点】
1.一种可紫外光固化水性聚氨酯乳液，其特征在于，所述可紫外光固化水性聚氨酯乳液的原料包括：聚碳酸亚丙酯二元醇、二异氰酸酯、亲水功能单体、催化剂、扩链剂、反应性单体、阻聚剂、中和剂和去离子水；/n所述反应性单体选自甲基丙烯酸羟乙酯、丙烯酸羟乙酯、甲基丙烯酸羟丙酯、三羟甲基丙烷三丙烯酸酯、季戊四醇三丙烯酸酯和环氧改性丙烯酸酯中的一种或多种。/n

【技术特征摘要】
1.一种可紫外光固化水性聚氨酯乳液，其特征在于，所述可紫外光固化水性聚氨酯乳液的原料包括：聚碳酸亚丙酯二元醇、二异氰酸酯、亲水功能单体、催化剂、扩链剂、反应性单体、阻聚剂、中和剂和去离子水；
所述反应性单体选自甲基丙烯酸羟乙酯、丙烯酸羟乙酯、甲基丙烯酸羟丙酯、三羟甲基丙烷三丙烯酸酯、季戊四醇三丙烯酸酯和环氧改性丙烯酸酯中的一种或多种。


2.根据权利要求1所述的可紫外光固化水性聚氨酯乳液，其特征在于，以质量份计，所述原料包括：所述聚碳酸亚丙酯二元醇60份、所述二异氰酸酯20～40份、所述亲水功能单体2～10份、所述催化剂0.12～0.36份、所述扩链剂1～10份、所述反应性单体10～50份、所述阻聚剂0.2～0.5份、所述中和剂2～10份和去离子水10～30份。


3.根据权利要求1所述的可紫外光固化水性聚氨酯乳液，其特征在于，所述聚碳酸亚丙酯二元醇的分子量为1000～3000；
所述聚碳酸亚丙酯二元醇的羟基官能度为2；
所述聚碳酸亚丙酯二元醇分子内碳酸酯基团的摩尔分率为0.3～0.4。


4.根据权利要求1所述的可紫外光固化水性聚氨酯乳液，其特征在于，所述二异氰酸酯选自异佛尔酮二异氰酸酯、六亚甲基二异氰酸酯和氢化二苯基甲烷二异氰酸酯中的一种或多种；
所述亲水功能单体选自二羟甲基丙酸、二羟甲基丁酸、均苯四酸二酐、1,2-丙二醇-3-磺酸钠、1,4-丁二醇-2-磺酸钠和2-[(2-氨基乙基)氨基]乙磺酸钠盐中的一种或多种；
所述催化剂选自辛酸亚锡、二月桂酸二正丁基锡和醋酸锡中的一种或多种；
所述扩链剂选自乙二醇、1,4-丁二醇、一缩二乙二醇、1,6-己二醇、丙三醇、三羟甲基丙烷、乙二胺、1,6-己二胺、乙醇胺和二乙醇胺中的一种或多种。


5.根据权利要求1所述的可...

【专利技术属性】
技术研发人员：冼文琪，刘保华，王昱，谢良军，王勇攀，
申请(专利权)人：广东工业大学，
类型：发明
国别省市：广东;44