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CN108976371A - 一种高性能磺酸型水性聚氨酯固化剂及其制备方法与应用 - Google Patents

一种高性能磺酸型水性聚氨酯固化剂及其制备方法与应用 Download PDF

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CN108976371A CN201810666488.XA CN201810666488A CN108976371A CN 108976371 A CN108976371 A CN 108976371A CN 201810666488 A CN201810666488 A CN 201810666488A CN 108976371 A CN108976371 A CN 108976371A
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Abstract

本发明公开一种高性能磺酸型水性聚氨酯固化剂及其制备方法与应用。该制备方法是以原料的质量百分数计，将0.5‑5％的氨基二磺酸衍生物、90‑98％多异氰酸酯在40‑70℃高速分散；在氮气的保护下，滴加1.0‑2.5％的中和剂，升温至90‑120℃，保温反应至体系NCO含量达到理论值，加入阻聚剂终止反应，减压除去反应剩余的中和剂，降温至室温。本发明采用具有强亲水性的二磺酸亲水改性剂，制备的水性聚氨酯固化剂具有粘度低、易分散、NCO含量较高、与羟基匹配性好的优点，且反应条件温和，规模化生产好。该固化剂与水性羟基树脂复配制备的水性双组份聚氨酯涂料具有硬度高、光泽好和耐化学性能优异的特点。

Description

一种高性能磺酸型水性聚氨酯固化剂及其制备方法与应用
技术领域
本发明涉及一种磺酸型水性聚氨酯固化剂，特别是涉及一种水分散性好、与羟基树脂相容性 好、高光、高硬度的高性能水性聚氨酯固化剂及其制备方法与应用。该高性能磺酸型水性聚氨酯 固化剂可用作水性双组份涂料的交联成分，属于精细化合物技术领域。
背景技术
水性双组分聚氨酯涂料因其优异的涂膜性能、低VOC含量的特点而逐渐成为当今研究热点， 水性双组分聚氨酯涂料由水性羟基树脂和水性固化剂组成，其中水性聚氨酯固化剂的性能至关重 要。传统聚氨酯固化剂虽然具有较低的粘度，较高的NCO含量，但其不具备亲水性，无法被水 性羟基树脂乳化和分散，导致使用后其涂膜出现不平整、不致密、耐水耐溶剂性差、光泽度低等 涂膜缺陷。
引入亲水基团或组分对传统聚氨酯固化剂进行改性，提高其水分散性。目前大多采用非离子 型或阴离子型亲水单体对多异氰酸酯进行亲水改性。日本专利JP044649、美国专利US5200489、 US3996154、中国专利CN101381443等采用不同类型的聚醚作为亲水改性剂成功制备了水性聚 氨酯固化剂，其水分散性好，具备与羟基树脂好的匹配性能。但是在改性过程中引入了大量的聚 醚，固化剂的粘度大且NCO的含量低，增大了在配漆时固化剂的添加量及施工难度。同时作为 软段的聚醚链段含量过高直接导致了漆膜硬度低、耐水性差的问题。
为克服上述问题，研究者采用亲水性更强的阴离子亲水基团改性聚氨酯固化剂，因阴离子亲 水基的强亲水性，改性剂的使用量更低，得到的水性聚氨酯固化剂NCO含量更高、水分散性更 好，粘度更低，在与羟基树脂配漆时有更好的施工性能。在常用的阴离子亲水改性剂的阴离子有 磷酸根、羧酸根、磺酸根等，其中数磺酸基的亲水性最强，改性效果最好。如DE4433929A、 EP0703255等曾提出用羟基乙磺酸、羟基丙磺酸、端羟基聚醚磺酸等羟基磺酸型亲水改性剂对多 异氰酸酯进行改性，制备的固化剂粘度低、水分散性好。然而市售的羟基磺酸衍生物多以水溶液 的形式存在，难以获得无水的羟基磺酸衍生物。通常市场上销售的羟基磺酸以钠盐形式存在，与 多异氰酸酯反应后，钠离子会长期残留在涂膜中，降低漆膜的耐水性和光泽。为了解决这个问题CN105254842A将羟基乙磺酸、羟基丙磺酸与叔胺反应生成具有羟基的磺酸胺盐，最终改性得到 的水性聚氨酯固化剂水分散性好、有较长的活化时间、涂膜具有更好的耐水性和耐溶剂性。
美国专利US6767958曾以N,N-二甲基环己胺为催化剂、采用2-环己氨基-乙磺酸和3-环己氨 基-丙磺酸对多异氰酸酯改性，制备得到亲水性好、涂膜性能理想的水性聚氨酯固化剂。中国专 利CN104448232A通过改进合成工艺，成功将4-环己氨基-丁磺酸接枝到多异氰酸酯上制备得到 水性聚氨酯固化剂。CN101754990A提出用4-氨基甲苯-2-磺酸对多异氰酸酯改性，同时添加一 定量的聚醚醇PEO1，得到非常易于水分散的水性聚氨酯固化剂。但上述专利中使用的亲水改性 剂磺酸基含量少，磺酸的官能度均为1，在提高固化剂的水分散性时需添加大量的亲水改性剂， 降低固化剂的NCO基含量，提高固化剂的粘度，增加水性双组分的施工难度。
总体来看，市场现有的固化剂总体都有NCO含量低、粘度高的缺点。其与羟基树脂的相容 性不好，涂膜透明性差、光泽及曝光性欠佳。因此，制备具备水分散性和施工性优异、与羟基树 脂匹配性好，及漆膜性能优异的水性聚氨酯固化剂仍存在较大的技术难度。
发明内容
本发明目的在于克服现有技术存在的问题，提供一种粘度低、水分散性好、NCO含量高、 具有优异的物理性能和化学性能、制备工艺简单、适合大规模工业生产的氨基二磺酸改性的高性 能水性聚氨酯固化剂及其制备方法。
本发明的另一目的在于提供一种高性能磺酸型水性聚氨酯固化剂在双组份水性聚氨酯涂料 中的应用。
为达到上述目的，本发明采用的技术方案是：
一种高性能磺酸型水性聚氨酯固化剂的制备方法，以原料的质量百分数计，将0.5-5％的氨 基二磺酸衍生物、90-98％多异氰酸酯在40-70℃高速分散；在氮气的保护下，滴加1.0-2.5％的中 和剂，升温至90-120℃，保温反应至体系NCO含量达到理论值，加入阻聚剂终止反应，减压除 去反应剩余的中和剂，降温至室温，得到高性能磺酸型水性聚氨酯固化剂；
所述的氨基二磺酸衍生物的通式为：
HO3S-R1-NH-R2-SO3H (1)
其中R1和R2都为碳原子数1～10的烃基或芳基，R1和R2都包含羟基、羰基、酯键和叔氨基 中的至少一种；R1和R2相同或不同；
所述氨基二磺酸衍生物中磺酸基-SO3H的质量含量为30-75％；
所述的多异氰酸酯的平均官能度至少为1.8，NCO的质量含量为18-30％；
中和剂的用量与氨基二磺酸的摩尔比为1.5-3:1；中和剂为三乙胺、N,N-二甲基环己胺、N,N- 二甲基丁胺、N,N-二甲基-2-乙基己胺、N,N-二乙基甲胺、N,N-二甲基甲酰胺、N-甲基吗啉、四 乙基亚甲基二胺中的一种或多种。
为进一步实现本发明目的，优选地，所述的氨基二磺酸衍生物为3,3-亚氨基双-1-丙磺酸、 3-[(2-磺乙基)氨基]-1-丙烷磺酸、4,4’-亚氨基双-1-丁磺酸、4-[(2-磺乙基)氨基]-1-丁烷磺酸和4-[(2- 磺丙基)氨基]-1-丁烷磺酸的一种或二种以上混合物。
优选地，所述的多异氰酸酯为己二异氰酸酯(HDI)的三聚体、缩二脲多异氰酸酯、异佛尔 酮二异氰酸酯(IPDI)三聚体和4,4’-二环己基甲烷二异氰酸酯(H12MDI)中的一种或多种混合 物。
优选地，所述的阻聚剂为对甲苯磺酸甲酯、对苯二酚、苯甲酰氯、磷酸、硫酸二甲酯中的一 种或多种。
优选地，所述的高速分散的转速为500-1500rpm；高速分散的时间为5-120分钟。
优选地，所述的滴加1.0-2.5％的中和剂的时间为5-15分钟。
优选地，所述的减压除去反应剩余的中和剂是在0.05MPa-0.1MPa的真空度下进行，减压时 间为15-60min。
优选地，所述的阻聚剂的加入量为原料总质量的0.05-0.5％。
一种高性能磺酸型水性聚氨酯固化剂，由上述的制备方法制得，所述的高性能磺酸型水性聚 氨酯固化剂的固含量为100wt％，NCO质量含量为15-23％，25℃的粘度为1000-6500mPa·s，外 观为无色透明或者淡黄色透明的粘稠液体。
所述的高性能水性磺酸型水性聚氨酯固化剂在水性双组份聚氨酯涂料中的应用，其特征在于： 其与水性聚氨酯羟基组分混合复配使用，控制NCO/OH的摩尔比为0.8-3.0:1。
优选地，所述的符合通式(1)的氨基二磺酸中的R1和R2为碳原子数1～6的链状烃基，进 一步优选地，R1和R2为乙基、丙基、丁基、戊基中的一个或两个。氨基二磺酸中磺酸基质量含 量达40％-66％；
本发明磺酸型水性聚氨酯固化剂粘度低、水分散性好、与羟基树脂匹配性优良、NCO含量 高，适用于双组份水性聚氨酯涂料。该磺酸型水性聚氨酯固化剂与水性羟基树脂复配后得到的漆 膜硬度高、耐水及耐化学性能优异，可作为交联组分广泛应用于建筑、汽车、家具、皮革、桥梁 等领域。
与现有技术相比，本发明具有以下优点和有益效果：
1)本发明采用阴离子型的氨基二磺酸亲水改性单体，该亲水单体中磺酸基的含量高，与单 官能度的氨基磺酸相比，只需要加入少量的氨基二磺酸即可大幅提升多异氰酸酯的水分散性。亲 水改性剂用量的减少可以更好地保留多异氰酸酯原有的NCO基团，从而可得NCO含量高的水 性聚氨酯固化剂。以氨基二磺酸改性得到的水性聚氨酯固化剂，可以在保证水分散性的同时，更 多地保留多异氰酸酯原有的刚性，在与羟基树脂复配涂膜后得到的漆膜具有更高的硬度。同时， 作为粉料的氨基二磺酸因其添加量少于单官能度的氨基磺酸，得到的水性聚氨酯固化剂粘度低， 与羟基树脂复配后拥有更低的施工粘度，大大减少了施工难度，在施工方式上提供了更多的可能 如喷涂、淋涂、浸涂等；本发明的水性聚氨酯固化剂综合性能优异，粘度低、水分散性好、NCO 含量高、物理性能和化学性能都非常良好。
2)本发明制备的磺酸型水性聚氨酯固化剂具有无毒不易燃的特点，不采用有机锡等金属催 化剂，属于环境友好型涂料固化剂。在反应结束时采用保温抽真空的方式除掉反应剩余的叔胺中 和剂，大大减缓了水性聚氨酯固化剂与潮气的反应，从而提高了固化剂的储存稳定性。在实际生 产中，抽真空得到的中和剂可收集再利用，此法在提升产品储存性能之余又降低了产品的VOC 含量，又节省了物料。
3.本发明采用阴离子型氨基磺酸亲水单体改性的多异氰酸酯，得到的水性聚氨酯固化剂与丙 烯酸树脂、醇酸树脂、聚酯树脂等羟基树脂具有良好的相容性，根据需要以不同比例复配使用即 可应用于建筑内外墙、桥梁、工业品、家具涂料，也可以用作水性皮革涂饰、水性粘合剂、水性 油墨中的交联组分。
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做进一步的描述，需要说明的是，实施例不构 成对本发明保护范围的限定。
下面实施例中，磺酸型水性聚氨酯固化剂和双组份水性涂料的性能采用以下方法检测：根据 GB/T 12009使用二正丁胺滴定法测定磺酸型水性聚氨酯固化剂的NCO含量；根据 GB/T12009.3-89使用NDJ-1型旋转粘度计测定磺酸型水性聚氨酯固化剂的粘度；根据GB/T1728-1989测定涂膜表干时间；根据GB T6739-2006测定涂膜硬度；根据ISO 2409-2007中 文版测定涂膜附着力；根据GB/T 1732-93测定涂膜抗冲击性；根据GB/T9754-2007采用60°角 WGG60-E4型光泽度计测定涂膜光泽；根据GB/T 5209-1985采用室温浸泡法测定涂膜耐水性； 根据GB-1763-79测定涂膜耐醇性；根据GB/T6753.3-1986，对固化剂储存前后的外观、粘度及 与羟基树脂复配后涂膜的硬度、耐性、附着力等进行测定比较，从而判断固化剂的储存稳定性； 根据GB/T 7123.1-2002等测定涂料其他性能。
使用纳米粒度分析仪(ZS Nano S)测定其粒径作为水性聚氨酯固化剂分散性的度量：向装有 50g去离子水的锥形瓶中加入15g水性聚氨酯固化剂，用磁力搅拌器于500rpm搅拌2min得到水 性聚氨酯固化剂水分散体乳液。再将乳液稀释到成0.5％，测试其粒度。
实施例1：
(1)高性能磺酸型水性聚氨酯固化剂的制备
原料组分及用量如下表1：
表1
制备工艺：在氮气保护下，将HDI三聚体加热至60℃，加入3,3-亚氨基双-1-丙磺酸。用高 速分散机以1000rpm转速高速分散30min，将上述混合物转移到装有机械搅拌、回流管、温度计 和氮气进出口的四口圆底烧瓶中，将三乙胺在15min内缓慢添加到体系中。将上述混合物搅拌均 匀后升温至80℃反应6h至体系NCO含量达到理论值时，降温至50℃，加入对甲苯磺酸甲酯终 止反应并保温1h并在-0.1MPa真空度下搅拌30min将反应剩余的中和剂除去，冷却至室温后出 料。
(2)水性聚氨酯固化剂性能：固含量为100％，粘度(25℃)为1000mPa·s，NCO质量含 量为21.5％，外观为无色透明粘稠液体，SO3 -质量分数为1.6％，分散体平均粒度(Dp)＝122nm。
(3)双组份水性涂料的配制：
称取计量的水性羟基树脂(双组份羟基丙烯酸乳液H2D012A，嘉宝莉化工集团股份有限公 司)，放于分散桶中，加入0.1wt％的消泡剂(德国迪高TEGO-810水性消泡剂)、0.15wt％的流平 剂(德国迪高TEGO-450流平剂)、0.5wt％的增稠剂(DOW公司的增稠剂RM-8W)、2wt％的成 膜助剂(二丙二醇丁醚/二丙二醇甲醚＝1:1)，于700rpm转速下分散20min，得到水性羟基组分。 然后按NCO/OH摩尔比1.4:1，将上述制备的水性聚氨酯固化剂慢慢加入到其中，搅拌3min，通 过加入适量自来水调节漆的固含量至40％。搅拌均匀后，用300目滤布过滤，得到双组份水性 涂料，其漆膜性能如下表2所示：
(4)双组份水性涂料的性能
表2 双组份水性涂料的综合性能
从以上实施例1固化剂性能说明，采用磺酸基官能度为2的氨基二磺酸衍生物改性聚异氰酸 酯可以减少粉料的投入，从而可以在保证所需固化剂水分散性的前提下降低水性聚氨酯固化剂的 粘度，从而大大降低了施工的难度。以氨基二磺酸衍生物作为亲水改性剂，只需牺牲一个NCO 基团即可引入两个强亲水磺酸基团，减少了聚异氰酸酯NCO基团的消耗从而制备得到NCO含 量高的水性聚氨酯固化剂，保留了更多聚异氰酸酯的刚性从而提高漆膜的耐性和硬度。表2说明 本实施例制备的水性聚氨酯固化剂用于双组份聚氨酯涂料的硬度、耐水耐醇等性能优于拜耳公司 的固化剂产品Bayhydur XP2487的性能。
实施例2：
(1)高性能磺酸型水性聚氨酯固化剂的制备
原料组分及用量如下表3：
表3
制备工艺：在氮气保护下，将IPDI三聚体加热至60℃，加入3,3-亚氨基双-1-丙磺酸。用高 速分散机以1000rpm转速高速分散30min，将上述混合物转移到装有机械搅拌、回流管、温度计 和氮气进出口的四口圆底烧瓶中，将三乙胺在15min内缓慢添加到体系中。将上述混合物搅拌均 匀后升温至80℃反应6h至体系NCO含量达到理论值时，降温至50℃，加入对甲苯磺酸甲酯终 止反应并保温1h并在-0.1MPa真空度下搅拌30min将反应剩余的中和剂除去，冷却至室温后出 料。
(2)水性聚氨酯固化剂性能：固含量为100％，粘度(25℃)为2100mPa·s，NCO质量含 量为16.5％，外观为无色透明粘稠液体，SO3 -质量分数为1.6％，分散体平均粒度(Dp)＝142nm。
(3)双组份水性涂料的配制：
称取计量的水性羟基树脂(双组份羟基丙烯酸乳液H2D012A，嘉宝莉化工集团股份有限公 司)，放于分散桶中，加入0.1wt％的消泡剂(德国迪高TEGO-810水性消泡剂)、0.15wt％的流平 剂(德国迪高TEGO-450流平剂)、0.5wt％的增稠剂(DOW公司的增稠剂RM-8W)、2wt％的成 膜助剂(二丙二醇丁醚/二丙二醇甲醚＝1:1)，于700rpm转速下分散20min，得到水性羟基组分。 然后按NCO/OH摩尔比1.4:1，将上述制备的水性聚氨酯固化剂慢慢加入到其中，搅拌3min，通 过加入适量自来水调节漆的施工粘度。搅拌均匀后，用300目滤布过滤，得到双组份水性涂料， 其漆膜性能如下表4所示：
(4)双组份水性涂料的性能
表4 双组份水性涂料的综合性能
实施例3：
(1)高性能磺酸型水性聚氨酯固化剂的制备
原料组分及用量如下表5：
表5
制备工艺：在氮气保护下，将HDI缩二脲加热至60℃，加入4,4’-亚氨基双-1-丁磺酸。用高 速分散机以1000rpm转速高速分散45min，将上述混合物转移到装有机械搅拌、回流管、温度计 和氮气进出口的四口圆底烧瓶中，将三乙胺在15min内缓慢添加到体系中。将上述混合物搅拌均 匀后升温至80℃反应6h至体系NCO含量达到理论值时，降温至50℃，加入对甲苯磺酸甲酯终 止反应并保温1h并在-0.1MPa真空度下搅拌30min将反应剩余的中和剂除去，冷却至室温后出 料。
(2)水性聚氨酯固化剂性能：固含量为100％，粘度(25℃)为1800mPa·s，NCO质量含 量为21.6％，外观为无色透明粘稠液体，SO3 -质量含量为1.4％，分散体平均粒度(Dp)＝130nm。
(3)双组份水性涂料的配制：
称取计量的水性羟基树脂(双组份羟基丙烯酸乳液H2D012A，嘉宝莉化工集团股份有限公 司)，放于分散桶中，加入0.1wt％的消泡剂(德国迪高TEGO-810水性消泡剂)、0.15wt％的流平 剂(德国迪高TEGO-450流平剂)、0.5wt％的增稠剂(DOW公司的增稠剂RM-8W)、2wt％的成 膜助剂(二丙二醇丁醚/二丙二醇甲醚＝1:1)，于700rpm转速下分散20min，得到水性羟基组分。 然后按NCO/OH摩尔比1.4:1，将上述制备的水性聚氨酯固化剂慢慢加入到其中，搅拌3min，通 过加入适量自来水调节漆的固含量至40％。搅拌均匀后，用300目滤布过滤，得到双组份水性 涂料，其漆膜性能如下表6所示：
(4)双组份水性涂料的性能
表6 双组份水性涂料的综合性能
实施例4：
(1)高性能磺酸型水性聚氨酯固化剂的制备
原料组分及用量如下表7：
表7
制备工艺：在氮气保护下，将HDI三聚体加热至60℃，加入3,3-亚氨基双-1-丙磺酸。用高 速分散机以1000rpm转速高速分散30min，将上述混合物转移到装有机械搅拌、回流管、温度计 和氮气进出口的四口圆底烧瓶中，将N,N-二甲基环己胺在15min内缓慢添加到体系中。将上述 混合物搅拌均匀后升温至80℃反应6h至体系NCO含量达到理论值时，降温至50℃，加入对甲 苯磺酸甲酯终止反应并保温1h并在-0.1MPa真空度下搅拌30min将反应剩余的中和剂除去，冷 却至室温后出料。
(2)水性聚氨酯固化剂性能：固含量为100％，粘度(25℃)为1900mPa·s，NCO质量含 量为21.5％，外观为无色透明粘稠液体，SO3 -质量含量为1.6％，分散体平均粒度(Dp)＝123nm。
(3)双组份水性涂料的配制：
称取计量的水性羟基树脂(双组份羟基丙烯酸乳液H2D012A，嘉宝莉化工集团股份有限公 司)，放于分散桶中，加入0.1wt％的消泡剂(德国迪高TEGO-810水性消泡剂)、0.15wt％的流平 剂(德国迪高TEGO-450流平剂)、0.5wt％的增稠剂(DOW公司的增稠剂RM-8W)、2wt％的成 膜助剂(二丙二醇丁醚/二丙二醇甲醚＝1:1)，于700rpm转速下分散20min，得到水性羟基组分。 然后按NCO/OH摩尔比1.4:1，将上述制备的水性聚氨酯固化剂慢慢加入到其中，搅拌3min，通 过加入适量自来水调节漆的固含量至40％。搅拌均匀后，用300目滤布过滤，得到双组份水性 涂料，其漆膜性能如下表8所示：
(4)双组份水性涂料的性能
表8 双组份水性涂料的综合性能
实施例5：
(1)水性聚氨酯固化剂的制备
原料组分及用量如下表9：
表9
制备工艺：在氮气保护下，将HDI三聚体加热至60℃，加入3,3-亚氨基双-1-丙磺酸。用高 速分散机以1000rpm转速高速分散30min，将上述混合物转移到装有机械搅拌、回流管、温度计 和氮气进出口的四口圆底烧瓶中，将三乙胺在15min内缓慢添加到体系中。将上述混合物搅拌均 匀后升温至80℃反应6h至体系NCO含量达到理论值时，降温至50℃，加入对苯二酚终止反应 并保温1h并在-0.1MPa真空度下搅拌30min将反应剩余的中和剂除去，冷却至室温后出料。
(2)水性聚氨酯固化剂性能：固含量为100％，粘度(25℃)为1900mPa·s，NCO质量含 量为21.5％，外观为无色透明粘稠液体，SO3 -质量含量为1.6％，分散体平均粒度(Dp)＝122nm。
(3)双组份水性涂料的配制：
称取计量的水性羟基树脂(双组份羟基丙烯酸乳液H2D012A，嘉宝莉化工集团股份有限公 司)，放于分散桶中，加入0.1wt％的消泡剂(德国迪高TEGO-810水性消泡剂)、0.15wt％的流平 剂(德国迪高TEGO-450流平剂)、0.5wt％的增稠剂(DOW公司的增稠剂RM-8W)、2wt％的成 膜助剂(二丙二醇丁醚/二丙二醇甲醚＝1:1)，于700rpm转速下分散20min，得到水性羟基组分。 然后按NCO/OH摩尔比1.4:1，将上述制备的水性聚氨酯固化剂慢慢加入到其中，搅拌3min，通 过加入适量自来水调节漆的固含量至40％。搅拌均匀后，用300目滤布过滤，得到双组份水性 涂料，其漆膜性能如下表10所示：
(4)双组份水性涂料的性能
表10 双组份水性涂料的综合性能
实施例6：
(1)高性能磺酸型水性聚氨酯固化剂的制备
原料组分及用量如下表11：
表11
制备工艺：在氮气保护下，将HDI三聚体、3,3-亚氨基双-1-丙磺酸加入到装有机械搅拌、回 流管、温度计和氮气进出口的四口圆底烧瓶中，将三乙胺缓慢添加到体系中。将上述很合物搅拌 后升温至80℃反应12h，加入对甲苯磺酸甲酯终止反应并保温1h并在-0.1MPa真空度下搅拌 30min将反应剩余的中和剂除去。最终得到的产物明显发黄浑浊，固化剂具备一定的水分散性但 仍有大量固体以粉末形式悬浮在体系中。
实施例7：
(1)高性能磺酸型水性聚氨酯固化剂的制备
原料组分及用量如下表12：
表12
制备工艺：在氮气保护下，将HDI三聚体加热至60℃，加入3,3-亚氨基双-1-丙磺酸。用高 速分散机以500rpm转速高速分散30min，将上述混合物转移到装有机械搅拌、回流管、温度计 和氮气进出口的四口圆底烧瓶中，将三乙胺在15min内缓慢添加到体系中。将上述混合物搅拌均 匀后升温至80℃反应6h至体系NCO含量达到理论值时，降温至50℃，加入对甲苯磺酸甲酯终 止反应并保温1h并在-0.1MPa真空度下搅拌30min将反应剩余的中和剂除去，冷却至室温后出 料。发现体系中仍然悬浮少量粉末状固体颗粒。
实施例8：
(1)高性能磺酸型水性聚氨酯固化剂的制备
原料组分及用量如下表13：
表13
制备工艺：在氮气保护下，将HDI三聚体加热至60℃，加入3,3-亚氨基双-1-丙磺酸。用高 速分散机以1000rpm转速高速分散30min，将上述混合物转移到装有机械搅拌、回流管、温度计 和氮气进出口的四口圆底烧瓶中，将三乙胺在15min内缓慢添加到体系中。将上述混合物搅拌均 匀后升温至80℃反应6h至体系NCO含量达到理论值时，降温至50℃，加入对甲苯磺酸甲酯终 止反应并保温1h并在-0.1MPa真空度下搅拌30min将反应剩余的中和剂除去，冷却至室温后加 入丙二醇甲醚醋酸酯稀释搅拌均匀后出料。
(2)水性聚氨酯固化剂性能：固含量为100％，粘度(25℃)为6000mPa·s，NCO质量含 量为17.2％，外观为无色透明粘稠液体，SO3 -质量含量为1.2％，分散体平均粒度(Dp)＝120nm。
(3)双组份水性涂料的配制：
称取计量的水性羟基树脂(双组份羟基丙烯酸乳液H2D012A，嘉宝莉化工集团股份有限公 司)，放于分散桶中，加入0.1wt％的消泡剂(德国迪高TEGO-810水性消泡剂)、0.15wt％的流平 剂(德国迪高TEGO-450流平剂)、0.5wt％的增稠剂(DOW公司的增稠剂RM-8W)、2wt％的成 膜助剂(二丙二醇丁醚/二丙二醇甲醚＝1:1)，于700rpm转速下分散20min，得到水性羟基组分。 然后按NCO/OH摩尔比1.4:1，将上述制备的水性聚氨酯固化剂慢慢加入到其中，搅拌3min，通 过加入适量自来水调节漆的固含量至40％。搅拌均匀后，用300目滤布过滤，得到双组份水性 涂料，其漆膜性能如下表14所示：
(4)双组份水性涂料的性能
表14 双组份水性涂料的综合性能
实施例9：
(1)高性能磺酸型水性聚氨酯固化剂的制备
原料组分及用量如下表15：
表15
制备工艺：在氮气保护下，将HDI三聚体加热至60℃，加入3,3-亚氨基双-1-丙磺酸和4,4’- 亚氨基双-1-丁磺酸。用高速分散机以1000rpm转速高速分散30min，将上述混合物转移到装有 机械搅拌、回流管、温度计和氮气进出口的四口圆底烧瓶中，将三乙胺在15min内缓慢添加到体 系中。将上述混合物搅拌均匀后升温至80℃反应6h至体系NCO含量达到理论值时，降温至50℃， 加入对甲苯磺酸甲酯终止反应并保温1h并在-0.1MPa真空度下搅拌30min将反应剩余的中和剂 除去，冷却至室温后出料。
(2)水性聚氨酯固化剂性能：固含量为100％，粘度(25℃)为1900mPa·s，NCO质量含 量为21.5％，外观为无色透明粘稠液体，SO3 -质量含量为1.6％，分散体平均粒度(Dp)＝115nm。
(3)双组份水性涂料的配制：
称取计量的水性羟基树脂(双组份羟基丙烯酸乳液H2D012A，嘉宝莉化工集团股份有限公 司)，放于分散桶中，加入0.1wt％的消泡剂(德国迪高TEGO-810水性消泡剂)、0.15wt％的流平 剂(德国迪高TEGO-450流平剂)、0.5wt％的增稠剂(DOW公司的增稠剂RM-8W)、2wt％的成 膜助剂(二丙二醇丁醚/二丙二醇甲醚＝1:1)，于700rpm转速下分散20min，得到水性羟基组分。 然后按NCO/OH摩尔比1.4:1，将上述制备的水性聚氨酯固化剂慢慢加入到其中，搅拌3min，通 过加入适量自来水调节漆的固含量至40％。搅拌均匀后，用300目滤布过滤，得到双组份水性 涂料，其漆膜性能如下表16所示：
(4)双组份水性涂料的性能
表16 双组份水性涂料的综合性能
实施例10：
(1)高性能磺酸型水性聚氨酯固化剂的制备
原料组分及用量如下表17：
表17
制备工艺：在氮气保护下，将HDI三聚体加热至60℃，加入3,3-亚氨基双-1-丙磺酸。用高 速分散机以1000rpm转速高速分散30min，将上述混合物转移到装有机械搅拌、回流管、温度计 和氮气进出口的四口圆底烧瓶中，将三乙胺在15min内缓慢添加到体系中。将上述混合物搅拌均 匀后升温至80℃反应6h至体系NCO含量达到理论值时，降温至50℃，加入对甲苯磺酸甲酯终 止反应并保温1h并在-0.1MPa真空度下搅拌30min将反应剩余的中和剂除去，冷却至室温后出 料。
(2)水性聚氨酯固化剂性能：固含量为100％，粘度(25℃)为1400mPa·s，NCO质量含 量为22.2％，外观为无色透明粘稠液体，SO3 -质量含量为0.6％，分散体平均粒度(Dp)＝182nm。
(3)双组份水性涂料的配制：
称取计量的水性羟基树脂(双组份羟基丙烯酸乳液H2D012A，嘉宝莉化工集团股份有限公 司)，放于分散桶中，加入0.1wt％的消泡剂(德国迪高TEGO-810水性消泡剂)、0.15wt％的流平 剂(德国迪高TEGO-450流平剂)、0.5wt％的增稠剂(DOW公司的增稠剂RM-8W)、2wt％的成 膜助剂(二丙二醇丁醚/二丙二醇甲醚＝1:1)，于700rpm转速下分散20min，得到水性羟基组分。 然后按NCO/OH摩尔比1.4:1，将上述制备的水性聚氨酯固化剂慢慢加入到其中，搅拌3min，通 过加入适量自来水调节漆的固含量至40％。搅拌均匀后，用300目滤布过滤，得到双组份水性 涂料，其漆膜性能如下表18所示：
(4)双组份水性涂料的性能
表18 双组份水性涂料的综合性能
对比例1
(1)水性聚氨酯固化剂的制备
各组分的原料及用量如下表19：
表19
制备工艺：在氮气保护下，将HDI三聚体、3-环己氨基丙磺酸、N,N-二甲基环己胺加入到 装有机械搅拌、回流管、温度计和氮气进出口的四口圆底烧瓶中，于80℃下一起搅拌10h。待体 系冷却至室温后出料。
(2)水性聚氨酯固化剂性能：固含量为100％，粘度(25℃)为5000mPa·s，NCO质量含 量为20.8％，外观为无色透明粘稠液体，SO3 -质量含量为1.5％，分散体平均粒度(Dp)＝152nm。
(3)双组份水性涂料的配制：
称取计量的水性羟基树脂(双组份羟基丙烯酸乳液H2D012A，嘉宝莉化工集团股份有限公 司)，放于分散桶中，加入0.1wt％的消泡剂(德国迪高TEGO-810水性消泡剂)、0.15wt％的流平 剂(德国迪高TEGO-450流平剂)、0.5wt％的增稠剂(DOW公司的增稠剂RM-8W)、2wt％的成 膜助剂(二丙二醇丁醚/二丙二醇甲醚＝1:1)，于700rpm转速下分散20min，得到水性羟基组分。 然后按NCO/OH摩尔比1.4:1，将上述制备的水性聚氨酯固化剂慢慢加入到其中，搅拌3min，通 过加入适量自来水调节漆的固含量至40％。搅拌均匀后，用300目滤布过滤，得到双组份水性 涂料，其漆膜性能如下表20所示：
(4)双组份水性涂料的性能
表20 双组份水性涂料的综合性能
对比例2
(1)水性聚氨酯固化剂的制备
各组分的原料及用量如下表21：
表21
制备工艺：在氮气保护下，将150g HDI三聚体、4-环己氨基丁磺酸、N,N-二甲基环己胺加 入到装有机械搅拌、回流管、温度计和氮气进出口的四口圆底烧瓶中于100℃下一起搅拌4h，停 止反应并加入剩余HDI三聚体。待体系冷却至室温即可出料。
(2)水性聚氨酯固化剂性能：固含量为100％，粘度(25℃)为6000mPa·s，NCO质量含 量为20.4％，外观为无色透明粘稠液体，SO3 -质量含量为1.7％，分散体平均粒度(Dp)＝137nm。
(3)双组份水性涂料的配制：
称取计量的水性羟基树脂(双组份羟基丙烯酸乳液H2D012A，嘉宝莉化工集团股份有限公 司)，放于分散桶中，加入0.1wt％的消泡剂(德国迪高TEGO-810水性消泡剂)、0.15wt％的流平 剂(德国迪高TEGO-450流平剂)、0.5wt％的增稠剂(DOW公司的增稠剂RM-8W)、2wt％的成 膜助剂(二丙二醇丁醚/二丙二醇甲醚＝1:1)，于700rpm转速下分散20min，得到水性羟基组分。 然后按NCO/OH摩尔比1.4:1，将上述制备的水性聚氨酯固化剂慢慢加入到其中，搅拌3min，通 过加入适量自来水调节漆的固含量至40％。搅拌均匀后，用300目滤布过滤，得到双组份水性 涂料，其漆膜性能如下表22所示：
(4)双组份水性涂料的性能
表22 双组份水性涂料的综合性能
对比例3
(1)水性聚氨酯固化剂的制备
各组分的原料及用量如下表23：
表23
制备工艺：在氮气保护下，将HDI三聚体、4-氨基甲苯-2-磺酸、N,N-二甲基环己胺、聚醚 醇PEO1加入到装有机械搅拌、回流管、温度计和氮气进出口的四口圆底烧瓶中，于100℃下一 起搅拌30min，加入对甲苯磺酸终止反应。待体系冷却后出料。
(2)水性聚氨酯固化剂性能：固含量为100％，粘度(25℃)为5400mPa·s，NCO质量含 量为18.0％，外观为无色透明粘稠液体，SO3 -质量含量为0.98％，氧化烯基团含量为6.7％，分散 体平均粒度(Dp)＝110nm。
(3)双组份水性涂料的配制：
称取计量的水性羟基树脂(双组份羟基丙烯酸乳液H2D012A，嘉宝莉化工集团股份有限公 司)，放于分散桶中，加入0.1wt％的消泡剂(德国迪高TEGO-810水性消泡剂)、0.15wt％的流平 剂(德国迪高TEGO-450流平剂)、0.5wt％的增稠剂(DOW公司的增稠剂RM-8W)、2wt％的成 膜助剂(二丙二醇丁醚/二丙二醇甲醚＝1:1)，于700rpm转速下分散20min，得到水性羟基组分。 然后按NCO/OH摩尔比1.4:1，将上述制备的水性聚氨酯固化剂慢慢加入到其中，搅拌3min，通 过加入适量自来水调节漆的固含量至40％。搅拌均匀后，用300目滤布过滤，得到双组份水性 涂料，其漆膜性能如下表24所示：
(4)双组份水性涂料的性能
表24 双组份水性涂料的综合性能
从以上实施例可以看出，采用氨基二磺酸改性的磺酸型水性聚氨酯固化剂与水性羟基树脂复 配得到的涂膜具有更高的硬度和更优异的耐水性能。同时该固化剂在配漆时展现了较长的活化适 用期，涂膜具有良好的耐化学性能、干速、光泽、附着力及抗冲击性能。本发明的磺酸型水性聚 氨酯固化剂NCO含量高、粘度低、性能优良，制备工艺简单，适用于水性双组份涂料领域。

Claims (10)

1.一种高性能磺酸型水性聚氨酯固化剂的制备方法，其特征在于：以原料的质量百分数计，将0.5-5％的氨基二磺酸衍生物、90-98％多异氰酸酯在40-70℃高速分散；在氮气的保护下，滴加1.0-2.5％的中和剂，升温至90-120℃，保温反应至体系NCO含量达到理论值，加入阻聚剂终止反应，减压除去反应剩余的中和剂，降温至室温，得到高性能磺酸型水性聚氨酯固化剂；
所述的氨基二磺酸衍生物的通式为：
HO3S-R1-NH-R2-SO3H (1)
其中R1和R2都为碳原子数1～10的烃基或芳基，R1和R2都包含羟基、羰基、酯键和叔氨基中的至少一种；R1和R2相同或不同；
所述氨基二磺酸衍生物中磺酸基-SO3H的质量含量为30-75％；
所述的多异氰酸酯的平均官能度至少为1.8，NCO的质量含量为18-30％；
中和剂的用量与氨基二磺酸的摩尔比为1.5-3:1；中和剂为三乙胺、N,N-二甲基环己胺、N,N-二甲基丁胺、N,N-二甲基-2-乙基己胺、N,N-二乙基甲胺、N,N-二甲基甲酰胺、N-甲基吗啉、四乙基亚甲基二胺中的一种或多种。
2.根据权利要求书1所述的高性能磺酸型水性聚氨酯固化剂的制备方法，其特征在于：所述的氨基二磺酸衍生物为3,3-亚氨基双-1-丙磺酸、3-[(2-磺乙基)氨基]-1-丙烷磺酸、4,4’-亚氨基双-1-丁磺酸、4-[(2-磺乙基)氨基]-1-丁烷磺酸和4-[(2-磺丙基)氨基]-1-丁烷磺酸的一种或二种以上混合物。
3.根据权利要求书1所述的高性能磺酸型水性聚氨酯固化剂的制备方法，其特征在于：所述的多异氰酸酯为己二异氰酸酯的三聚体、缩二脲多异氰酸酯、异佛尔酮二异氰酸酯三聚体和4,4’-二环己基甲烷二异氰酸酯中的一种或多种混合物。
4.根据权利要求书1所述的高性能磺酸型水性聚氨酯固化剂的制备方法，其特征在于：所述的阻聚剂为对甲苯磺酸甲酯、对苯二酚、苯甲酰氯、磷酸、硫酸二甲酯中的一种或多种。
5.根据权利要求书1所述的高性能磺酸型水性聚氨酯固化剂的制备方法，其特征在于：所述的高速分散的转速为500-1500rpm；高速分散的时间为5-120分钟。
6.根据权利要求书1所述的高性能磺酸型水性聚氨酯固化剂的制备方法，其特征在于：所述的滴加1.0-2.5％的中和剂的时间为5-15分钟。
7.根据权利要求书1所述的高性能磺酸型水性聚氨酯固化剂的制备方法，其特征在于：所述的减压除去反应剩余的中和剂是在0.05MPa-0.1MPa的真空度下进行，减压时间为15-60min。
8.根据权利要求书1所述的高性能磺酸型水性聚氨酯固化剂的制备方法，其特征在于：所述的阻聚剂的加入量为原料总质量的0.05-0.5％。
9.一种高性能磺酸型水性聚氨酯固化剂，其特征在于：其由权利要求书1-8任一项所述的制备方法制得，所述的高性能磺酸型水性聚氨酯固化剂的固含量为100wt％，NCO质量含量为15-23％，25℃的粘度为1000-6500mPa·s，外观为无色透明或者淡黄色透明的粘稠液体。
10.权利要求书9所述的高性能水性磺酸型水性聚氨酯固化剂在水性双组份聚氨酯涂料中的应用，其特征在于：其与水性聚氨酯羟基组分混合复配使用，控制NCO/OH的摩尔比为0.8-3.0:1。
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