公开/公告号CN102702472A
专利类型发明专利
公开/公告日2012-10-03
原文格式PDF
申请/专利权人 博斯蒂克股份公司;
申请/专利号CN201110463047.8
申请日2011-12-22
分类号C08G18/76(20060101);C08G18/75(20060101);C08G18/71(20060101);C08G18/48(20060101);C08G18/42(20060101);C09J175/08(20060101);C09J175/06(20060101);C09J5/06(20060101);
代理机构72001 中国专利代理(香港)有限公司;
代理人孟慧岚;艾尼瓦尔
地址 法国库伯瓦
入库时间 2023-12-18 06:42:37
法律状态公告日
法律状态信息
法律状态
2020-07-24
专利权人的姓名或者名称、地址的变更 IPC(主分类):C08G18/76 变更前: 变更后: 申请日:20111222
专利权人的姓名或者名称、地址的变更
2016-01-20
授权
授权
2014-01-01
实质审查的生效 IPC(主分类):C08G18/76 申请日:20111222
实质审查的生效
2012-10-03
公开
公开
技术领域
本发明涉及具有聚醚和聚酯嵌段及烷氧基硅烷末端基的聚氨酯,其在交联后显示出高粘合力,适于用作粘合剂或者胶泥,尤其是热熔胶。
背景技术
具有直接或间接连接至由聚醚链组成的主链的烷氧基硅烷末端基的聚合物是已知的。
命名为MS聚合物(即改性硅烷)的聚合物在粘合剂领域中通常已知的,所述聚合物是市售的,尤其是来自钟渊公司(Kaneka)。这些聚合物一般具有在10-50kDa之间的分子量,通常是液体,在很多工业和日常生活领域中通过粘合可由各种材料构成的各种物体(也称作基底)而被广泛地组装使用。
这样的聚合物首先和催化剂共同以粘合层的形式涂敷在两个表面中的至少一个表面上,这两个表面分别属于将被组装的两个基底,其目的在于在组装期间和另一个基底互相接触。在使两个基底互相接触及,如果必要,在连接的表面施加压力后,聚合物与以大气湿气形式或者由以所述基底提供的水分形式存在于环境中的水反应。
这个反应,称之为交联,在其完成后导致在两个基底之间形成由在三维网络中交联的聚合物构成的粘合接合,该三维网络由通过硅氧烷类型的键共同连接成的聚合物链形成。这种接合确保了如此得到的两个基底的组装的可靠性。
但是,交联的MS聚合物的机械性能,尤其是粘合力,对于很多应用通常是不足的,对于这些应用粘合接合必须能够承受巨大的应力。
并且,粘合接合的最终粘合力只有在交联反应完成后才能得到,即,在一定的时间(称作粘合力增加时间或者硬化时间)以后,在此期间组装不能舒适地操作,或者有时甚至需要用机械夹持装置(例如夹钳或者梏具)来维持。MS聚合物因此具有缺乏生胶强度(green strength)或者生胶强度十分不足的缺点。术语“生胶强度”表示在通过粘合进行组装期间两个基底一经互相接触,在预定的时间内粘合剂就立刻能提供粘合接合的合适的粘合力从而避免观察到的缺点的能力。
在实践中,为了克服这些缺点,因此经常必需使用粘合组合物形式的MS聚合物,该组合物进一步包括具有增强作用的添加剂(例如矿物填料),或者目的在于改善生胶强度的添加剂(例如蜡)。
因此,本发明的目的在于提供具有烷氧基硅烷末端基的聚合物,其在交联后产生显示出改进的机械性能,尤其是显示出更好的粘合力的粘合接合。
本发明的另一目的在于提供具有烷氧基硅烷末端基的聚合物,其具有改善的生胶强度。
发明内容
现在已经发现,通过下面描述的制备方法得到的聚氨酯可以完全或部分地实现这些目的。
因此,本发明首先涉及制备具有聚氨酯-聚醚和聚氨酯-聚酯嵌段的包括至少两个末端嵌段的聚氨酯的方法,所述两个末端嵌段各自由连接至烷氧基硅烷末端基的聚氨酯-聚酯嵌段组成,所述方法包括以下连续的步骤:
(i)包括聚醚多元醇(A)的醇混合物与化学计量过量的脂肪族二异氰酸酯(B)的反应,形成具有至少两个-NCO末端基的聚氨酯-聚醚嵌段,然后
(ii)来自步骤(i)的聚氨酯与化学计量过量的聚酯多元醇(C)的反应,形成具有聚氨酯-聚醚和聚氨酯-聚酯嵌段的包括至少两个末端嵌段的聚氨酯,所述两个末端嵌段各自由连接至-OH末端基的聚氨酯-聚酯嵌段组成,然后
(iii)来自步骤(ii)的具有-OH末端基的聚氨酯和化学计量的异氰酸根合硅烷(D)的反应。
具体实施方式
已经发现采用根据本发明的方法导致均质且热稳定的聚氨酯的形成。
在合适催化剂存在下通过大气水分交联后,如此得到的聚氨酯形成具有大于交联MS聚合物得到的且通常大于3MPa的粘合力值的粘合接合。这样的粘合力值意味着其可以用作结构型粘合剂或者半结构型粘合剂,例如作为建筑工业中常规基底(混凝土、玻璃、大理石)上的密封剂,或者用于粘合汽车和造船工业中的窗户。
并且,如此得到的聚氨酯是热塑性聚合物(在无水环境中),其熔点(差示扫描量热法测量)在30-120℃之间,优选在30-90℃之间。因此,其可用做热熔胶以及热涂敷在待组装的基底的界面上。作为室温固化的结果,在基底之间立即产生粘合接合,赋予粘合剂有利的生胶强度性能。
在步骤(i)中使用的醇混合物包括一种或多种聚醚多元醇(A)。
聚醚多元醇(A)通常选自脂肪族和芳香族聚醚多元醇。优选地,它们的分子量介于0.5-20kDa之间,羟基官能度介于2-4.6之间。羟基官能度是每摩尔聚醚多元醇的羟基官能的平均数。所述分子量是数均分子量(通常称作Mn);除非另有指明,同样适用于本文中所有的针对聚合物所述的分子量。
作为脂肪族聚醚多元醇的例子,我们可以提及下列物质的烷氧基化衍生物:
-二元醇(例如乙二醇、丙二醇、新戊二醇),
-三元醇(例如甘油、三羟甲基丙烷和己烷-1,2,6-三醇,或者
-四元醇(例如季戊四醇)。
这些产品是广泛市售的。
根据优选的变形,步骤(i)中使用的聚醚多元醇(A)是单独的聚醚二元醇或者其和至多30wt%的聚醚三元醇的混合物。
更优选地,聚醚多元醇(A)选自羟基官能度等于2或3的聚丙二醇(或者PPG),其中我们可以提及:
根据特别有利的变形,将多分散指数为1-1.4的聚丙二醇二元醇或三元醇用作聚醚多元醇(A)。
多分散指数是重均分子量和数均分子量的比值。这些聚丙二醇可以商标名
在步骤(i)中使用的醇的混合物可进一步包括一种或多种扩链剂,选自分子量介于60-500Da之间的二醇和多元胺。
作为所述二醇的例子,我们可以提及乙二醇、丙二醇、二甘醇、二丙二醇、甲基-3-丙二醇-1,5、1,4-丁二醇、1,6-己二醇、2-乙基-1,3-己二醇、N,N-双(羟基-2-丙基)苯胺、3-甲基-1,5-戊二醇。
作为所述多元胺的例子,我们可以提及乙二胺、二苯甲烷二胺、异佛尔酮二胺、六亚甲基二胺、二乙基甲苯二胺。
根据本发明方法的步骤(i),上面描述的至少一种聚醚多元醇与下式的二异氰酸酯(B)反应:
NCO-R1-NCO(I)
其中R1表示包含5-15个碳原子的二价脂肪族或芳香族烃基,其可以是线性的、支化的或者环状的。
R1有利地选自下面的二价基团之一,下面给出的它们的结构式显示二价自由价:
-a)衍生自异佛尔酮的二价基团:
-b)
-c)
-(CH2)6-(或者六亚甲基基团)
-d)
-e)
在根据本发明方法现在的步骤(i)中,聚醚多元醇(A)与过量的,就当量官能团而言,式(I)的脂肪族二异氰酸酯(B)进行反应。这表明步骤(i)中所使用的两个反应物的量对应于过量的-NCO基团的当量数(以二异氰酸酯的量表示),相对于-OH基团的当量数(以聚醚多元醇(A)的量表示),如果需要,通过用作扩链剂的二醇和/或二胺中的-OH、-NH2和/或-NH-基团的当量数而增加。
优选地,这些数量对应于介于1.3-5之间的-NCO/-OH当量比。所述比例被定义为等于-NCO基团的当量数除以起相应量的两种反应物携带的官能团作用的-OH、-NH2和/或-NH-基团的当量数,即,一方面是二异氰酸酯,和另一方面是聚醚多元醇的混合物,其包括如果需要的扩链剂。待加入反应器的以重量计的反应物的量是基于此比例确定的,而且,在聚醚多元醇的情况下,是基于它们的羟基指数IOH的。羟基指数IOH是每克聚醚多元醇的羟基官能团的数量,特别在本文中,所述数量以确定羟基官能团所用的KOH以毫克计的当量数的形式表示。
优选在选自例如有机锡或者铋/锌羧酸盐的催化剂存在下,和通过将合适量的二异氰酸酯(B)加至已经装载在反应器中的合适量的聚醚多元醇(A)中实施步骤(i)。反应在介于70-100℃的温度下进行。
根据本发明方法的步骤(ii),在步骤(i)结束时形成的具有-NCO末端基的聚氨酯-聚醚嵌段与聚酯多元醇(C)反应。
聚酯多元醇(C)选自脂肪族和芳香族聚酯多元醇,和这些化合物的混合物。优选地,它们的分子量介于1-10kDa之间,优选介于2-6kDa之间,并且它们的羟基官能度可以在2-4之间变化。举例来说,我们可以提及:
-自然来源的聚酯多元醇,例如蓖麻油;
-来自下列物质的缩合的聚酯多元醇:
-一种或多种脂肪族多元醇(线性、支化或环状)或者芳香族多元醇,例如乙二醇、1,2-丙二醇、1,3-丙二醇、甘油、三羟甲基丙烷、1,6-己二醇、1,2,6-己三醇、丁二醇、蔗糖、葡萄糖、山梨糖醇、季戊四醇、甘露糖醇、三乙醇胺、N-甲基二乙醇胺和这些化合物的混合物,和
-一种或多种多元羧酸或其酯或酸酐衍生物,例如1,6-己二酸、十二烷二酸、壬二酸、癸二酸、己二酸、1,18-十八烷二酸、邻苯二甲酸、丁二酸和这些酸的混合物,不饱和酸酐例如马来酸酐或邻苯二甲酸酐,或内酯例如己内酯。
这些产品中的许多是可商购的。
在可用的聚酯多元醇(C)中,我们因此可以提及下面这些羟基官能度等于2的产品:
前面提及的
优选地,聚己内酯、蓖麻油或者来自乙二醇、1,3-丙二醇和/或1,6-己二醇与己二酸和/或邻苯二甲酸的缩合的聚酯多元醇被用作聚酯多元醇。
在根据本发明方法的步骤(ii)中,优选使用一种或多种-OH官能度在2-3范围内的聚酯多元醇,更特别优选羟基官能度为2的。
在根据本发明方法的步骤(ii)中,步骤(i)中形成的聚氨酯与就当量官能团而言过量的聚酯多元醇(C)反应。优选反应物的用量对应于-NCO/-OH当量比介于0.10-0.80之间,所述当量比如上定义。待装载入反应器的反应物按重量计的用量是基于此比例决定的,而且,在聚酯多元醇的情况下,是基于它们的羟基指数IOH的,所述羟基指数的定义加以必要的修正与上面对于聚醚多元醇给出的定义是一样的。
在步骤(ii)中,优选使用熔点大于或等于55℃的聚酯多元醇(C),对应于标记的结晶度。在根据本发明的方法结束时得到的聚氨酯的生胶强度得到了有利的改善。
步骤(ii)优选通过将合适量的聚酯多元醇(C)加至已装载在反应器中的合适量的在步骤(i)中形成的聚氨酯中而进行。反应在介于70-110℃的温度下进行。
根据本发明方法的步骤(iii),在步骤(ii)结束时形成的具有-OH末端基的聚氨酯与下式的异氰酸根合硅烷(DD)反应:
NCO-R2-Si(R3)p(OR4)3-p (II)
其中:
-R2表示包含1-3个碳原子的二价线性亚烷基;
-R3和R4,可以相同或不同,各自表示具有1-4个碳原子的线性或支化的烷基,具有当存在数个R3(或R4)时后者是相同或不同的的可能性;
-P是等于0、1或2的整数。
式(II)的异氰酸根合硅烷是可广泛商购的。我们可以提及例如γ-异氰酸根合-正丙基-三甲氧基硅烷,其可以名称
在现在的步骤(iii)中使用的异氰酸根合硅烷和在步骤(ii)中形成的具有-OH末端基的聚氨酯的用量有利地对应于介于0.95-1.05之间的-NCO/-OH当量比。步骤(iii)在约100℃的温度下进行。
在步骤(iii)结束时,得到了最终的具有聚氨酯-聚醚和聚氨酯-聚酯嵌段的聚氨酯,其包括至少两个各自由连接于烷氧基硅烷末端基的聚氨酯-聚酯嵌段组成的末端嵌段。所述最终的聚氨酯具有1040kDa范围内的分子量(Mn),优选15-30kDa,对应的多分散指数在约2-5之间变化。所述最终的聚氨酯在100℃时的粘度(使用布鲁克菲尔德(Brookfield)RTV粘度计测量)在很宽的范围内变化,介于3-300Pa.s。
根据本发明方法的优选变化方案,步骤(i)中使用的醇的混合物包含至少80wt%的多分散指数在1-1.4之间变化的聚丙二醇二元醇或三元醇(A);并且在步骤(ii)中使用的聚酯多元醇(C)具有大于或等于55℃的熔点。
在此变化方案的情况下,在合适的催化剂存在下交联之后,得到了产品,该产品在拉伸测试中显示至少等于250%的断裂伸长率,对应于特别的弹性粘合接合,其能够例如在组装中承受振动的机械应力。这样的性能对用于交通工具(例如机动车公共汽车、卡车、或者火车或者船舶)领域是尤其值得欣赏的。
本发明还涉及具有包括至少两个各自由连接于烷氧基硅烷末端基的聚氨酯-聚酯嵌段组成的末端嵌段的聚氨酯-聚醚和聚氨酯-聚酯嵌段的聚氨酯,所述聚氨酯可以通过同样是本发明的目的、如上所述的方法得到。
本发明还涉及包括根据本发明的聚氨酯和0.01%-3%,优选0.1-1%的交联催化剂的粘合组合物。
根据本发明的组合物中可用的交联催化剂可以是本领域技术人员已知的用于硅烷醇缩合的任意催化剂。我们可以提及例如以下这些催化剂:
-钛的有机衍生物,例如乙酰基丙酮酸钛(可以名称
-铝的有机衍生物,例如铝的螯合物(可以名称
-锡的有机衍生物,例如二丁基月桂酸锡(或者DBTL),
-胺类,例如1,8-二氮杂双环[5.4.0]十一碳烯-7或者DBU。
根据本发明的组合物还可以包含UV稳定剂,例如胺类、抗氧剂或者可兼容的增粘树脂(compatible tackifying resins)。
抗氧剂可以包括捕获自由基的主抗氧剂,通常是取代酚,例如来自CIBA的
关于任选包括在根据本发明的组合物中的一种或多种增粘树脂,术语“可兼容的增粘树脂”指的是当其与根据本发明的聚合物按照50%/50%的比例混合时得到基本上均匀的混合物的增粘树脂。
这些增粘树脂有利地选自:
-(i)在弗瑞德-克来福特(Friedel-Crafis)催化剂存在下,通过萜烯烃与酚聚合得到的树脂;
-(ii)通过包括α-甲基苯乙烯的聚合的方法得到的树脂,所述方法也包括与酚的反应;
-(iii)天然来源的松香或其改性物,例如提取自松脂的松香,提取自树根的树松香及其氢化、二聚化、聚合或被一元醇或者多元醇,例如甘油或者季戊四醇酯化的衍生物;
-(iv)通过具有约5、9或10个碳原子的由石油馏分得到的不饱和脂肪族烃的混合物的氢化、聚合或共聚(与芳香族烃)所得到的树脂;
-(v)萜烯树脂,通常源自在弗瑞德-克来福特催化剂存在下萜烯烃例如单帖烯(或者蒎烯)的聚合;
-(vi)基于天然萜烯的共聚物,例如苯乙烯/萜烯、α-甲基苯乙烯/萜烯和乙烯基甲苯/萜烯;或者其它
-(vii)具有在100℃小于100Pa.s粘度的丙烯酸树脂。
根据本发明的组合物可进一步包括其它(共)聚合物,选自例如:
-乙烯和醋酸乙烯酯的共聚物(EVA),
-丙烯酸系聚合物,
-无定形聚α-烯烃(通常表示为首字母缩写词APAO),以及优选用烷氧基甲硅烷基接枝的反应性无定形聚α-烯烃(称作APAOR),
-苯乙烯嵌段共聚物,例如苯乙烯-异戊二烯-苯乙烯(SIS),
-聚乙烯、聚丙烯、聚酰胺或者聚酯。
根据本发明的组合物优选,在其最后使用前,包装入气密包装中以使其免受环境水分影响。所述包装可以有利地由铝、由高密度聚乙烯或由涂有铝箔的聚乙烯组成。圆柱式筒是所述包装的一个实施方案。
本发明最后涉及组装两个基底的方法,包括以下步骤:
-通过在30-120℃之间的温度加热熔化如上定义的粘合组合物,然后
-以厚度为0.3-5mm,优选1-3mm的层的形式将组合物涂敷在分别属于待组装的两个基底的两个表面的至少一个上,所述两个基底是用来在组装到密接表面上期间互相接触的,然后,不超过对应于粘合组合物的最大开放组装时间的时间,
-使两个基底在它们的密接表面上有效接触。
最大开放组装时间是这样的时间间隔,在其之后施涂在基底上的粘合剂层失去它通过粘合连接所述基底和另一个基底的能力。
合适的基底是例如无机基底,例如玻璃、陶瓷、混凝土、金属或者合金(例如铝、钢、非铁金属、电镀金属);或者其它有机基底,例如木材、塑料例如PVC、聚碳酸酯、PMMA、聚乙烯、聚丙烯、聚酯、环氧树脂;金属基底和涂漆的复合材料(例如在汽车工业中)。
给出下面的实施例单纯是为了举例说明本发明,而不能被解释为是对其范围的限制。
实施例1:
A)制备根据本发明的聚氨酯:
步骤(i):合成包括两个-NCO末端基和一个或多个聚醚嵌段的聚氨酯:
将38.96g羟值为13.5mg KOH/g(对应于-OH官能团当量数等于0.241mmol/g)的聚醚多元醇
然后在大气压下将4.2mg铋/锌羧酸盐催化剂(
步骤(ii):合成具有聚醚和聚酯嵌段、包括两个各自连接至-OH末端基的聚酯末端嵌段的聚氨酯:
将58.90g数均分子量为3500Da、羟值为30.9mg KOH/g(对应于-OH官能团当量数等于0.551mmol/g)的结晶聚酯二元醇
然后将反应器转至大气压下,并维持在惰性气氛下,加入0.5g抗氧剂(来自Ciba的
然后将反应器再次置于20mbar的减压下并加热至100℃,以及加聚反应持续2.5小时直至来自步骤a)的聚氨酯的-NCO官能团完全耗尽(通过红外分析中-NCO波段的消失进行检测)。
得到101.30g具有0.153mmol/g的-OH官能团含量的聚氨酯。
步骤(iii):合成具有聚醚和聚酯嵌段、包括两个各自连接至烷氧基甲硅烷基末端基的聚酯末端嵌段的聚氨酯:
将3.16g γ-异氰酸根合-正丙基-三甲氧基硅烷(滴定测量-NCO基团为19.9%w/w)(对应于等于1的NCO/OH比)加至来自步骤b)的反应器中。
然后反应器维持在惰性气氛下、在100℃下保持1.5小时直至反应完成(通过红外分析中-NCO波段的消失进行检测)。
得到104.57g白色、室温下为固体的产品。
使用布鲁克菲尔德RTV粘度计测量(100℃下,转速为20rev/min以及No.29针)的上述产品的熔融状态的粘度为32000mPa.s。
通过差示扫描量热法(DSC)测量的熔点为81℃。
数均分子量为19596Da以及重均分子量为44523Da,通过尺寸排阻色谱法或GPC(凝胶渗透色谱)测量。
B)相应的组合物:
将0.2wt%的由二丁基二新癸酸锡(来自例如TIB化学公司)组成的交联催化剂加至来自步骤iii)的反应器中。
在包装入铝筒以避免水分前,将得到的组合物在20mbar的减压下搅拌15分钟。
组合物随后被提交进行以下测试。
在接伸测试中测量断裂强度和伸长率:
测试的原理由以下步骤组成:在拉伸测试机中拉长由交联粘合组合物构成的标准测试样品,其中拉伸测试机的移动夹头以恒定的100mm/min的速率移动,以及在测试样品发生断裂时记录施加的拉伸应力(以MPa为单位)和测试样品的伸长率(以%为单位)。
标准测试样品是哑铃形的,如国际标准ISO 37中说明的。所使用的哑铃形的窄的部分长度为20mm,宽4mm,厚度为500μm。
为了制备哑铃形,将如上所述包装的组合物加热至100℃,然后将形成厚度为500μm的膜所必须的量挤出至A4硅化纸片上,并在23℃及55%相对湿度下放置两周以交联。然后通过从交联膜上简单剪裁获得哑铃形。
得到的测试结果显示在表3中。
测量粘合组合物的固化时间的测试:
这个测试用于量化预先制备的粘合组合物的生胶强度。
两个相同的矩形木片(长10cm,宽2cm及厚1cm)通过将其垂直排放在位于其末端的边长为2-cm的正方形接触区域上来组装。为此,接着进行下面的步骤。
将如上所述包装的组合物加热至100℃,从而挤出一股直径2mm、长度2cm的胶粘剂,其平行于大致处于边长为2-cm的正方形区域中心的两片之一的宽度沉积,目的在于与另一片接触。
在沉积所述股后,将两片互相接触并手动挤压从而在它们的接触区域(如上定义的)形成厚度介于200-250μm的粘合组合物的层。
一旦组装如此进行,操作员在每只手中保持住两片的自由末端,在组装体上加以绕轴的小幅度转动,倾向于以很小的角度开启和闭合由两片形成的正确角度。
固化时间定义为这样一段时间,从执行组装开始,在所述时间之后由将两片连接在一起的粘合接合得到的粘合力不再允许前面提及的绕轴转动。
结果示于表3中。
实施例2-12:
重复实施例1A),以制备根据本发明的聚氨酯:
-但是,在步骤(i)中,用包括至少一种具有示于表1中的性质和成分含量(%w/w)的聚醚多元醇(A)的醇的混合物替换
-在步骤(ii)中,还用具有示于表1中的性质和成分含量(%w/w)的聚酯多元醇的混合物替换
-对于步骤(i)和(ii)中的NCO/OH比,使用示于表1的数值。
得到的熔融粘度、熔点和重均分子量的数值示于表2中。
使用每个如此得到的聚氨酯重复实施例1B)。
对应组合物得到的测试结果示于表3中。
实施例13(对比实施例):
使用包括两个直接连接于聚丙二醇型主链的正丙基二甲氧基甲基硅烷末端基的MS聚合物,所述聚合物以名称S 303H从钟渊公司得到。
通过简单混合制备由99.8%此聚合物和0.2%来自实施例1B)的交联催化剂组成的组合物,然后包装入铝筒中。
然后重复实施例1B)中描述的测试,并且得到的结果示于表3中。
实施例14(对比实施例):
使用由两个通过包含氨基甲酸酯官能团的单元间接连接于聚丙二醇型主链的甲氧基硅烷末端基组成的MS聚合物重复实施例13。这个聚合物以名称
得到的结果也示于表3中。
机译: 具有聚醚和聚酯嵌段以及烷氧基硅烷端基的聚氨酯
机译: 具有聚醚和聚酯嵌段以及烷氧基硅烷端基的聚氨酯
机译: 具有聚醚和聚酯嵌段以及烷氧基硅烷端基的聚氨酯