具有低游离异氰酸酯单体的聚氨酯预聚物的制备方法

摘要

本发明公开了一种具有低游离异氰酸酯单体的聚氨酯预聚物的制备方法，该方法先将三元醇和二元醇组成混合醇在120-150℃下，真空脱水；将异氰酸酯单体及酯类溶剂放入反应容器维持温度在30-70℃，再将混合醇在滴加到所述反应容器中；滴加完毕后，继续在搅拌状态下于40-70℃反应3-6小时后，冷却出料得到聚氨酯预聚物；将所得的聚氨酯预聚物分离，分离出来的重组分用兑稀溶剂调节聚氨酯预聚物固含量和游离异氰酸酯单体的含量。本发明可实现真正的连续化生产，所有回收溶剂和异氰酸酯单体全部循环利用，零排放，实现真正的清洁生产；产品具有粘度低、NCO值含量高且可调可控、游离异氰酸酯单体含量低、固含量高和相容性好等特点。

说明书

技术领域

本发明涉及一种聚氨酯预聚物，特别是一种具有低游离异氰酸酯单体的聚氨酯预聚物的制备方法。 

背景技术

聚氨酯是应用于建材、家具、涂料、塑料、皮革和粘合剂等多个行业的重要产品和材料。聚氨酯性能的优劣关系到木器家具、玩具、汽车、制革、鞋业和复合薄膜等数以千亿计的产品的质量安危。聚氨酯涂料的涂膜具有硬度高、韧性好、耐化学品性强以及干燥快等优点，是性能卓越、应用最广泛的溶剂型涂料之一。聚氨酯涂料是由两个组份构成，一个组份是以醇酸树脂、聚酯树脂和丙烯酸树脂等羟基物质，另一个关键组份是异氰酸酯单体与醇经初步聚合而成的聚氨酯预聚物，聚氨酯预聚物又可以作为中间产物用于配漆时再次发生深度聚合反应。聚氨酯预聚物由于以异氰酸酯单体为原料，那么其难免会有一定的异氰酸酯单体，原则上异氰酸酯单体越少越好。例如，目前在木器家具涂料中，超过75％的涂料是双组份聚氨酯涂料，都要用到聚氨酯预聚物。评价预聚物的指标如下：(1)色浅透明，要求达到“水白色”、粘度低、有足够的官能度和反应活性且贮存稳定，这主要是要求副反应要少；(2)与羟基组分混溶性良好，这与体系的极性和聚合物分子量分布相关；(3)异氰酸酯单体含量尽可能低，GB18581-2001《室内装饰装修材料溶剂型木器涂料中有害物质限量》规定聚氨酯涂料中游离TDI含量不大于0.7％。游离的异氰酸酯单体有着较大的毒性，而且低游离单体预聚物具有较低的粘度、较长的釜中寿命和较长的储存期。(4)NCO基团含量高，NCO基团含量是评价聚氨酯预聚物好坏的又一重要指标，含量越高，其后续产品性能越好。 

通过改变基于摩尔过量的异氰酸酯单体与有机多元醇的反应生成的聚氨酯预聚物，具有粘度低，分子量小，分子量分布窄，与羟基树脂间的相容性好等优点。但是，在形成聚氨酯预聚物的过程中，摩尔过量的异氰酸酯单体的使用会残留部分异氰酸酯单体，这导致潜在的工业卫生问题。 

降低预聚物中未反应的异氰酸酯单体的方法包括化学合成法、分子筛、溶剂萃取、薄膜蒸发器和分子蒸馏。 

化学合成法是通过配方设计和特殊的合成工艺，采用化学反应或者使用高效催化剂等 方法使残留在预聚物中的异氰酸酯单体达到消除的目的。美国专利US 5925781公开了一种降低游离异氰酸酯单体的方法，该方法先将2,4-TDI和分子量范围3000-8000的聚酯多元醇反应，再引入液体二苯基甲烷二异氰酸酯（MDI）反应掉多余的醇，最后使用小分子的甲醇消除游离的2,4-TDI。但是由于2,6-TDI活性比2,4-TDI要小，该方法对于工业化常用的TDI80原料效果不佳，而且采用大分子量的聚酯多元醇制备的聚氨酯预聚物不仅粘度大，而且NCO基团含量低。公开号为CN 1424345A的中国发明专利申请采用后三聚法，在第一阶段加成反应的基础上，增加了一步反应，引入催化剂以三聚法把游离TDI除去，最终制品为50％的固含量时，其NCO基团含量为7-9％,所含的游离TDI含量为1.0-2.0％。公开号为CN 101456940A中国发明专利申请在第二阶段引入反应活性比羟基低的乙酰乙酸酯消除游离TDI。我国目前的生产状况就是为了满足环保要求而采用本方法生产预聚物，生产的预聚物NCO基团含量低，粘度大，贮存时间不到半年，游离异氰酸酯含量始终高于1.0％，而且很难达到高固体含量，不能解决根本的问题。 

美国专利US 4061662公开了通过使预聚物反应产物经过分子筛实现脱除未反应的TDI的目的，但是存在分子筛脱附困难等缺点，致使大量单体浪费，所需分子筛不能重复利用，导致成本高，污染环境。 

萃取法利用游离异氰酸酯单体与预聚物在特定的混合溶剂中溶解性的不同，将游离异氰酸酯单体经过多次浸泡、溶解、洗涤的工艺萃取出来，将萃取液再经处理回收其中的异氰酸酯单体。该方法需大量溶剂多次提取，工艺繁琐，生产效率很低，而且萃取液要进行再处理，生产成本较高。公开号为CN1939949A中国专利申请公开了一种低游离TDI聚氨酯预聚物的制造方法，该方法利用高选择性催化剂提高合成转化率，同时利用预聚物不溶于某些溶剂而TDI单体能溶的特征，在合成过程中加入相转移溶剂，使得预聚物一旦生成就从体系析出，而催化剂和TDI单体存在于溶剂中继续进行反应，从而有效降低聚合物中游离TDI的含量，最后减压蒸馏去除相转移溶剂，但是残留的相转移溶剂会影响产品的性能。 

薄膜蒸发法的主体设备是薄膜蒸发器和高真空系统。在高温负压下，使预聚物以薄膜状态迅速通过塔板，游离异氰酸酯单体被蒸出。公开号为CN 1389500A的中国发明专利申请中公开了一种聚氨酯预聚物中游离单体的分离方法，该方法预先合成50％固含的聚氨酯预聚物，加入高沸点的萃取剂和萃取夹带剂进行分子蒸馏，最终得到的产品中游离TDI含量低于0.5％，萃取剂含量1％。 

由于薄膜蒸发法不需要通过深化反应来实现降低游离异氰酸酯单体含量，相比化学反应法的确是一种制备低粘度、高NCO含量、低异氰酸酯和高固含量的高性能预聚物的方法。薄膜蒸发法比溶剂萃取和分子筛吸附简单，而且经济环保，不需要随后将异氰酸酯单体从易燃的己烷溶剂或分子筛中分离。 

然而，由于异氰酸酯单体比酯类溶剂有更高的沸点和蒸发焓，因此，针对异构体反应活性不同的异氰酸酯单体制备的聚氨酯预聚物，活性低的异氰酸酯单体制备的聚氨酯预聚物中未反应的异氰酸酯单体浓度大，分离装置的负荷大，通常造成残余的异氰酸酯单体不能分离完全，不能制备具有低游离异氰酸酯单体的预聚物；活性高的异氰酸酯单体制备的聚氨酯预聚物中未反应的异氰酸酯单体浓度小，预聚物还没流动到出口时，异氰酸酯单体和酯类溶剂就已经蒸发完，由于缺少溶剂的“湿润”，预聚物粘度会达到非常大，出现“干蒸”的情况，导致无法出料，不能得到预聚物产品。 

发明内容

本发明所要解决的技术问题在于提供了一种综合性能优异的，可以连续化生产的，粘度低于2000mPa·s，NCO基团含量达到12-20％，游离异氰酸酯单体含量低于0.5％，固含量达到50-90％的具有低游离异氰酸酯单体的聚氨酯预聚物的制备方法。 

本发明对于具有异构体反应活性差异的异氰酸酯单体的聚氨酯预聚物制备，有更好的效果。 

本发明的目的通过如下技术方案实现： 

具有低游离异氰酸酯单体的聚氨酯预聚物的制备方法，包括如下步骤： 

（1）将三元醇和分子量为60-200的小分子直链二元醇组成混合醇，在120-150℃下，真空脱水2-4小时，控制其含水率低于0.02％，待用；所述二元醇占混合醇质量百分比为5％-95％； 

（2）在氮气保护下，先将异氰酸酯单体及酯类溶剂放入反应容器并搅拌均匀，维持温度在30-70℃，再将步骤（1）脱水后的混合醇在搅拌条件下滴加到所述反应容器中，滴加时间1-2小时；滴加完毕后，继续在搅拌状态下于40-70℃反应3-6小时后，控制温度至40℃以下，冷却出料得到聚氨酯预聚物；所述异氰酸酯单体中的NCO基团和混合醇中的OH基团的摩尔比例为3-9∶1； 

（3）将步骤（2）所得的聚氨酯预聚物按0.5-10g/min的进料速度进入分离装置分离，分离出来的异氰酸酯单体及溶剂返用作步骤（2）的原料；分离出来的聚氨酯预聚物用兑稀溶剂调节聚氨酯预聚物固含量至50％-90％，制得低游离异氰酸酯单体的聚氨酯预聚物，游离异氰酸酯单体的含量低于0.5％。 

为进一步实现本发明目的，所述分离装置由第一级分离装置和第二级分离装置组成，所述第一级分离装置的分离温度控制在100-200℃，一级冷阱温度控制在10-40℃，真空度控制在100-10000Pa；第二级分离装置的分离温度控制在150-230℃，二级冷阱温度控制在2-20℃，真空度控制在0.1-1000Pa； 

所述第一级分离装置和第二级分离装置是内冷式分子蒸馏器或外冷式薄膜蒸发器，将步骤（2）所得的聚氨酯预聚物通过分布器在所述第一级分离装置和第二级分离装置； 

所述异氰酸酯单体优选为2,4-甲苯二异氰酸酯和/或2,6-甲苯二异氰酸酯。 

当异氰酸酯单体中2,4-异氰酸酯单体和2,6-异氰酸酯单体的浓度比值大于3时，分离装置的进料速度为6-10g/min；当异氰酸酯单体中2,4-甲苯二异氰酸酯和2,6-异氰酸酯单体的浓度比值小于3时，分离装置的进料速度为0.5-6g/min。 

当异氰酸酯单体中2,4-甲苯二异氰酸酯和2,6-甲苯二异氰酸酯的浓度比值大于3时，NCO基团和混合醇中的OH基团的摩尔比例为3-6∶1；当TDI中2,4-异氰酸酯单体和2,6-甲苯二异氰酸酯的浓度比值小于3时，NCO基团和混合醇中的OH基团的摩尔比例为6-9∶1。 

所述三元醇为丙三醇、三甘醇、1，2,6-己三醇、三羟甲基乙烷或三羟甲基丙烷。 

所述分子量为60-200的小分子直链二元醇包括乙二醇、1，3-丙二醇、1，4-丁二醇、1，6-己二醇或二甘醇。 

所述酯类溶剂为醋酸乙酯、醋酸正丙酯、醋酸异丙酯、醋酸正丁酯、醋酸异丁酯、乙二醇乙醚醋酸酯或丙二醇甲醚醋酸酯。 

所述兑稀溶剂为醋酸乙酯、醋酸正丙酯、醋酸异丙酯、醋酸正丁酯或醋酸异丁酯。

本发明采用在低温下，分子量为60-200的小分子直链二元醇和三元醇混合滴加与异氰酸酯发生加成反应，合成的预聚物NCO基团含量高且可调可控、粘度小，可以保证预聚物中NCO含量达到要求，从而解决国内外产品大多选择大分子量的聚醚或聚酯多元醇，配漆时预聚物使用量多等问题。 

本发明引入高沸点酯类溶剂和调节进入分离装置的进料速度，解决具有异构体活性差异的异氰酸酯单体制备的聚氨酯预聚物的无法出料或残余游离异氰酸酯单体浓度高等问题。 

本发明界定合适配比的小分子量直链二元醇和三元醇混合物，在低温下，混合多元醇滴加进入过量的异氰酸酯单体，实现控制ABA结构，达到增大NCO值的目的（脱离游离异氰酸酯单体后）。其中A表示异氰酸酯，B表示多元醇，ABA代表NCO基团封端的聚氨酯预聚物。聚氨酯预聚物是热敏性易聚合的高分子物质，高温下其粘度迅速降低。通过采用薄膜蒸发器，对物料的异氰酸酯单体浓度进行调节，稳定薄膜蒸发器的负荷，使物料在高温下具有合适的停留时间，分布器将物料迅速分布成0.1-2mm的薄膜，增加传热面积，高真空度强化了异氰酸酯单体的蒸发。采用该蒸发方法，预聚物可以含有少于约0.5％重量的游离异氰酸酯单体，轻组分是澄清的，并在室温下保持透明。轻组分在检测分析后可以被重复使用以生产更多的预聚物。得到的预聚物具有低的粘度，低的异氰酸酯单体和高而且可调可控的NCO基团含量。 

本发明与现有技术相比，具有如下优点和有益效果： 

（1）本发明的合成方法制备的预聚物与传统化学法相比，游离异氰酸酯单体含量低、 粘度低、分子量分布均匀、与树脂的相容性好。 

（2）采用低温反应，异构体活性易于控制，副反应少，预聚物产品色泽好，耐黄性优。 

（3）采用三元醇和分子量为60-200的小分子直链二元醇混合制备的聚氨酯预聚物，与异氰酸酯同聚酯和聚醚多元醇反应生成的预聚物相比，NCO含量更高且可调可控、粘度低，更利于在分离装置内进行分离。 

（4）在进入分离装置前，通过引入高沸点酯类溶剂和调节进料速度，使分离装置的负荷处于一个稳定的状态，得到产品的游离异氰酸酯单体含量低而且稳定。 

（5）调节冷阱温度和适当的抽气量，保证一级和二级的异氰酸酯单体和溶剂均得到有效地回收，实现真正的零排放。 

（6）精确分析回收溶剂的组成，根据异氰酸酯内活性异构体比重新设计NCO∶OH比和进料速度，再按照配方与异氰酸酯单体和二元醇以及三元醇的混合物反应，整个工业化生产过程及产品质量稳定，能够实现长时间连续运行。 

具体实施方式

为更好理解本发明，下面结合实施例对本发明进行进一步的说明，但是本发明要求保护的范围并不局限于实施例表述的范围。 

实施例1 

将1，3-丙二醇10g和三羟甲基丙烷65g组成混合醇在120℃下，真空脱水2小时，控制其含水率低于0.01％，待用；在氮气保护下，先将482g TDI 100(全部由2,4-TDI组成)及255g乙二醇乙醚醋酸酯放入反应容器并搅拌均匀，维持温度在60℃，再将脱水后的混合醇在搅拌条件下滴加到所述反应容器中，滴加时间1小时。滴加完毕后，继续在搅拌状态下于70℃反应6小时后，控制温度至40℃以下，冷却出料得到聚氨酯预聚物； 

将所得的聚氨酯预聚物按10g/min的进料速度，通过分布器进入内冷式分子蒸馏器，一级分离温度控制在100℃，一级冷阱温度控制在11℃，真空度控制在2000Pa；二级分离温度控制在150℃，二级冷阱温度控制在3℃，真空度控制在2Pa；分离出来的聚氨酯预聚物用264g醋酸正丁酯调节聚氨酯预聚物固含量至50％，制得低游离异氰酸酯单体的聚氨酯预聚物。 

实施例2 

将乙二醇31g和三羟甲基乙烷32g组成混合醇在150℃下，真空脱水4小时，控制其含水率低于0.02％，待用；在氮气保护下，先将579g TDI80(80％2,4-TDI和20％2,6-TDI组成)及148g醋酸正丁酯放入反应容器并搅拌均匀，维持温度在55℃，再将脱水后的混合醇在搅拌条件下滴加到所述反应容器中，滴加时间1.5小时。滴加完毕后，继续在搅拌状态下于65℃反应4小时后，控制温度至40℃以下，冷却出料得到聚氨酯预聚物； 

将所得的聚氨酯预聚物按7.5g/min的进料速度，通过分布器进入内冷式分子蒸馏器， 一级分离温度控制在130℃，一级冷阱温度控制在15℃，真空度控制在4000Pa；二级分离温度控制在180℃，二级冷阱温度控制在6℃，真空度控制在20Pa；分离出来的聚氨酯预聚物组分用76g醋酸正丙酯调节聚氨酯预聚物固含量至85％，制得低游离异氰酸酯单体的聚氨酯预聚物。 

实施例3 

将1，4-丁二醇49g和1，2,6-己三醇11g组成混合醇在150℃下，真空脱水3小时，控制其含水率低于0.01％，待用；在氮气保护下，先将601g TDI80(80％2,4-TDI和20％2,6-TDI组成)及139g丙二醇甲醚醋酸酯放入反应容器并搅拌均匀，维持温度在40℃，再将脱水后的混合醇在搅拌条件下滴加到所述反应容器中，滴加时间1小时。滴加完毕后，继续在搅拌状态下于45℃反应3小时后，控制温度至40℃以下，冷却出料得到聚氨酯预聚物； 

将所得的聚氨酯预聚物按6g/min的进料速度，通过分布器进入外冷式薄膜蒸馏器，一级分离温度控制在160℃，一级冷阱温度控制在19℃，真空度控制在6000Pa；二级分离温度控制在190℃，二级冷阱温度控制在8℃，真空度控制在100Pa；分离出来的聚氨酯预聚物组分用108g醋酸异丙酯调节聚氨酯预聚物固含量至75％，制得低游离异氰酸酯单体的聚氨酯预聚物。 

实施例4 

将1，6-己二醇32g和三甘醇13g组成混合醇在140℃下，真空脱水1小时，控制其含水率低于0.01％，待用；在氮气保护下，先将200g 2,4-TDI和341g 2,6-TDI及225g醋酸正丙酯放入反应容器并搅拌均匀，维持温度在70℃，再将脱水后的混合醇在搅拌条件下滴加到所述反应容器中，滴加时间1.5小时。滴加完毕后，继续在搅拌状态下于70℃反应5小时后，控制温度至40℃以下，冷却出料得到聚氨酯预聚物； 

将所得的聚氨酯预聚物按2g/min的进料速度，通过分布器进入外冷式薄膜蒸馏器，一级分离温度控制在180℃，一级冷阱温度控制在22℃，真空度控制在8000Pa；二级分离温度控制在210℃，二级冷阱温度控制在12℃，真空度控制在200Pa；分离出来的聚氨酯预聚物组分用47g醋酸乙酯调节聚氨酯预聚物固含量至50％，制得低游离异氰酸酯单体的聚氨酯预聚物。 

实施例5 

将二甘醇41g和丙三醇8g组成混合醇在130℃下，真空脱水2小时，控制其含水率低于0.02％，待用；在氮气保护下，先将582g TDI65(65％2,4-TDI和35％2,6-TDI组成)及176g醋酸乙酯放入反应容器并搅拌均匀，维持温度在50℃，再将脱水后的混合醇在搅拌条件下滴加到所述反应容器中，滴加时间1.5小时。滴加完毕后，继续在搅拌状态下于55℃反应3小时后，控制温度至40℃以下，冷却出料得到聚氨酯预聚物； 

将所得的聚氨酯预聚物按0.5g/min的进料速度，通过分布器进入外冷式薄膜蒸馏器， 一级分离温度控制在200℃，一级冷阱温度控制在28℃，真空度控制在10000Pa；二级分离温度控制在225℃，二级冷阱温度控制在18℃，真空度控制在1000Pa；分离出来的聚氨酯预聚物组分用23g醋酸异丁酯调节聚氨酯预聚物固含量至75％，制得低游离异氰酸酯单体的聚氨酯预聚物。 

表1聚氨酯预聚体的性能指标 

如表1所示，本发明所制备的聚氨酯预聚体固含量高，NCO值高而且可调可控，游离TDI质量分数低，二甲苯容忍度也得以很大的提升，耐黄性能好。产品和分离设备性能稳定，游离的异氰酸酯和单体得到有效回收利用，实现了真正的零排放。 

在上述实施实例中，NCO基团的百分含量是用二丁胺滴定法检测；固化剂中游离异氰酸酯单体的含量采用气相色谱检测。二甲苯容忍度测试方法：准确称取1.0g（的聚氨酯预聚体试样于干燥的烧杯中，然后向烧杯中滴加二甲苯溶液直至出现白色混浊不溶解为止，记录所用二甲苯的质量，则二甲苯的质量与试样质量的比值即为试样的二甲苯容忍度。二甲苯容忍度的大小衡量了试样与其它树脂的相容能力。固体含量按GB/T19252—89，粘度采用GB/T 9751.1-2008进行测试。 

当然，以上实施例仅是用于对本发明的说明，本发明的具体应用并不仅限于例子中说到的应用。尽管在前面已对本发明进行了相当详细的说明，可以理解这些详细说明仅是为了对本发明进行描述，对本领域熟悉的人可以在本发明的权利要求范围内作任何的修改和进行进一步的发挥。