一种有机硅改性水性聚氨酯及其制备方法和应用技术

本发明专利技术提供了一种有机硅改性水性聚氨酯，其采用以下步骤制备而成：S1：将二异氰酸酯和有机硅植物油基多元醇在65～85℃下混合并分散均匀，加入扩链剂和催化剂后反应10～30min；所述有机硅植物油基多元醇由环氧化植物油和有机硅单体进行环氧开环反应制得，所述有机硅单体的结构式为其中，R为甲基或者乙基，R1为烷基、取代烷基或杂烷基的一种，R2为羟基、氨基或羧基的一种；S2：加入丁酮或丙酮稀释，继续反应30～150min，反应完毕后冷却至室温，通过中和剂中和并加水乳化，旋转蒸发去除丁酮或丙酮，即得有机硅改性水性聚氨酯乳液，其具有良好的储存稳定性及优异的防污性能。本发明专利技术还提供上述有机硅改性水性聚氨酯的应用。应用。应用。

【技术实现步骤摘要】
一种有机硅改性水性聚氨酯及其制备方法和应用


[0001]本专利技术属于高分子材料领域，具体涉及一种有机硅改性水性聚氨酯及其制备方法和应用。

技术介绍

[0002]蛋白质、细胞、微生物、水生生物等生物污损物易在日常用品、建材、生物医用材料及 海洋设备等表面粘附聚集，给医疗卫生、食品、航运等行业带来一系列问题，严重威胁着人 类的健康和财产安全。其中海洋生物污损增加船舶航行阻力、堵塞海洋工程设施，甚至导致 基材局部穿孔腐蚀，影响海洋工程设施的服役性能和使用寿命。此外，在海洋污损物清理过 程中还可能引起生物入侵、疫情传播等导致经济损失和社会危害。涂覆防污涂料可有效阻止 各种污损物对基材的侵蚀与污染而不影响基材性能，是最方便有效的防污损措施。目前防污 涂料技术还严重依赖使用有毒的杀生剂，对人类和生态环境构成严重威胁。因此非释放型环 境友好聚合物涂料代替传统释放型涂料，用于阻止海洋生物污损，减少对海洋生态环境的危 害，是海洋防污涂料未来的发展方向。
[0003]表1.新型环境友好防污涂料的主要类型、结构特点及存在的问题
[0004][0005]目前新型防污涂料主要包括阻止污损型、污损可脱附型、杀生型和降解自抛光涂料等， 他们主要结构特点和存在的问题如表1所示。在众多防污涂料中，有机硅低表面能的污损可 脱附型涂料成为目前防污涂料研究的热点。这是由于其自身的低表面能性质可使污损物难以 在表面附着，即使附着也不牢固，在水流或其它外力作用下易脱落，在海洋防污、医疗卫生、 公共卫生等领域具有巨大的应用潜力。
[0006]低表面能防污涂料的低表面能性质减少了其与污损物之间的附着力，同时也减弱了涂层 与基材之间的附着力。但可以通过引入环氧基团、氨基甲酸酯、脲基甲酸酯、多巴胺等极性 基团与基材形成氢键，有效提高涂层与基材的附着力，增强涂层的机械性能。将有机硅低表 面能涂料和聚氨酯结合，不仅能克服有机硅涂层机械性能差及与基材附着力差
的缺点，同时 还能有效地提高聚氨酯的耐水性、耐候性，成为低表面能防污涂层活跃的研究领域之一。
[0007]目前有关有机硅改性聚氨酯主要通过在软段主链引入聚二甲基硅氧烷二醇(PDMS)。 四川大学谭鸿课题组(Biomacromolecules 2020,21,4,1460
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1470)基于含PDMS的软段，制 备了一系列有机硅改性聚氨酯，成膜过程中，硅易向表面迁移，极大程度提高了聚氨酯涂层 的耐水解性能。然而，通过软段主链引入硅，涂层机械性能差。而且现有有机硅改性聚氨酯 多基于溶剂型聚氨酯，含有大量挥发性有机化合物(VOC)，或直接将预聚物浇筑后固化成 膜，不利于长期储存和运输。水性聚氨酯涂料以水为分散介质，既承继了溶剂型聚氨酯强附 着力、高硬度、高耐磨等优点，又有着低VOC的优势，可有效减少环境污染和对人类健康的 危害。而且目前有机硅改性聚氨酯的原材料多来源于日益枯竭的石化资源，发展天然可再生 的资源替代石化资源合成聚氨酯成为实现高分子材料可持续发展的一个重要方向。由典型绿 色可再生植物油资源合成的多元醇，其甘油三脂结构赋予聚氨酯良好的生物降解性能，多羟 基官能团结构可提高聚氨酯涂膜交联度、力学性能和耐水性。然而目前硅氟改性植物油基水 性聚氨酯的研究相对较少，开发有机硅植物油多元醇制备水性聚氨酯防污涂料具有重要研究 价值。

技术实现思路

[0008]本专利技术的目的是针对以上要解决的技术问题，提供一种制备过程简单、易于控制，便于 实现工业化生产的有机硅改性水性聚氨酯的制备方法，该方法制得的有机硅改性水性聚氨酯 具有良好的储存稳定性，防污性能优秀且力学性能和耐水性性能得到提升，同时可实现涂层 降解自抛光和长效防污的协调统一。
[0009]为了实现以上专利技术目的，本专利技术提供了以下技术方案：
[0010]一种有机硅改性水性聚氨酯的制备方法，包括以下步骤：S1：将二异氰酸酯和有机硅植 物油基多元醇在65～85℃下混合并分散均匀，加入扩链剂和催化剂后反应10～30min；所述有 机硅植物油基多元醇由环氧化植物油和有机硅单体进行环氧开环反应制得，所述有机硅单体 的结构式为其中，R为甲基或者乙基，R1为烷基、取代烷基或杂烷基的 一种，R2为羟基、氨基或羧基的一种；
[0011]S2：加入丁酮或丙酮稀释，继续反应30～150min，反应完毕后冷却至室温，通过中和剂 中和并加水乳化，旋转蒸发去除丁酮或丙酮，即得有机硅改性水性聚氨酯乳液。
[0012]本专利技术的有益效果：
[0013]相比于现有技术，本专利技术通过将有机硅植物油基多元醇用来制备有机硅改性水性聚氨 酯，有机硅可向表面迁移、聚氨酯侧链烷氧基水解缩合原位生成化学键合纳米SiO2，构建了 从表层到底层不同Si浓度梯度的防污结构及表面超疏水纳米拓扑防污结构，以及同时利用植 物油基水性聚氨酯的可生物降解性，可实现涂层降解自抛光和长效防污的协调统一。
[0014]其次，有机硅植物油多元醇主要原料采用来源于绿色可再生的植物油资源，代替
石油化 工产品，增加了由其制备的聚合物的可降解性和安全性，不产生二次污染，有助于减缓全球 性的化石资源过度消耗、能源和环境问题。
[0015]而且，植物油基多元醇的多羟基结构及烷氧基水解交联作用，赋予了水性聚氨酯更优异 的力学性能和耐水性能，进而广泛应用于纺织、日用品、海洋防污和医疗卫生领域。
[0016]在聚氨酯的制备中，本领域常规的二异氰酸酯、催化剂、扩链剂和中和剂均可用于本发 明中，反应条件也为常规的控制条件。
[0017]优选地，所述有机硅植物油基多元醇、二异氰酸酯和扩链剂的羟基摩尔比为 1.0:1.8～2.6:0.5～1.5。
[0018]优选地，所述有机硅改性水性聚氨酯乳液的固含量为5～50％。
[0019]优选地，以二异氰酸酯和有机硅植物油基多元醇的总质量计，所述催化剂的固含量为 0.1～1％。
[0020]优选地，步骤S1中反应的温度为50～90℃，反应的时间为20～30min；步骤S2中反应温 度为70～80℃，反应时间为60～90min。
[0021]优选地，所述环氧化植物油中的环氧基与所述有机硅单体中的R2的摩尔比为1.0:1.2～5。
[0022]优选地，所述环氧化植物油为环氧化的大豆油、蓖麻油、桐油、葵花籽油、亚麻籽油、 棉籽油或橄榄油中的一种或几种。
[0023]优选地，所述环氧化植物油中的环氧基团数量不少于3个，所述有机硅单体可修饰在环 氧基团被开环后的任一侧。
[0024]优选地，有机硅单体的结构式中，n为0～3的整数。
[0025]下面以结构式如下的环氧化植物油为例进行说明：
[0026]环氧植物油的结构式为：
[0027][0028]经环氧开环后，如式(1)中的1、2位，3、4位，5、6位和7、8位的环氧基团被开环， 此时可修饰在1、2位中的任意一个位置，3、4位中的任意一个位置，5、6 位中的任意一个位置和7、8位中的任意一个位置。如本文档来自技高网...

【技术保护点】

【技术特征摘要】
1.一种有机硅改性水性聚氨酯的制备方法，其特征在于，包括以下步骤：S1：将二异氰酸酯和有机硅植物油基多元醇在65～85℃下混合并分散均匀，加入扩链剂和催化剂后反应10～30min；所述有机硅植物油基多元醇由环氧化植物油和有机硅单体进行环氧开环反应制得，所述有机硅单体的结构式为其中，R为甲基或者乙基，R1为烷基、取代烷基或杂烷基的一种，R2为羟基、氨基或羧基的一种；S2：加入丁酮或丙酮稀释，继续反应30～150min，反应完毕后冷却至室温，通过中和剂中和并加水乳化，旋转蒸发去除丁酮或丙酮，即得有机硅改性水性聚氨酯乳液。2.根据权利要求1所述的制备方法，其特征在于，有机硅植物油基多元醇、二异氰酸酯和扩链剂的羟基摩尔比为1.0:1.8～2.6:0.5～1.5。3.根据权利要求1所述的制备方法，其特征在于，所述有机硅改性水性聚氨酯乳液的固含量为5～50％。4.根据权利要求1所述的制备方法，其特征在于，以二异氰酸酯和有机硅植物油基多元醇的总质量计，所述催化剂的固含量为0.1～1％。5.根据权利要求1所述的制备方法，其特征在于，步骤S...

【专利技术属性】
技术研发人员：尹衍升，张怡，葛涛，路金林，周艳，
申请(专利权)人：广州航海学院，
类型：发明
国别省市：