一种生物基热塑性聚氨酯弹性体及其制备方法 |
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申请号 | CN201610608331.2 | 申请日 | 2016-07-28 | 公开(公告)号 | CN106188475A | 公开(公告)日 | 2016-12-07 |
申请人 | 东莞市雄林新材料科技股份有限公司; | 发明人 | 何建雄; 王一良; | ||||
摘要 | 本 发明 涉及一种 生物 基热塑性聚 氨 酯弹性体的制备方法,其包括:(1)将生物基多元醇、二硫化钼、甲基 硅 油、抗 氧 剂加入反应釜中;(2)将生物基二异氰酸酯与烷基二醇扩链剂与步骤(1)的反应产物和催化剂混合均匀后进入双螺杆 挤出机 ,边挤出边反应制备得到热塑性聚氨酯弹性体;所述生物基多元醇由 菜籽油 基多元醇、稻壳基多元醇和甜菜渣基多元醇按1-5:3-7:2-9的 质量 比配制而成。本发明通过采用生物基多元醇和生物基二异氰酸酯,使制备得到的生物基热塑性聚氨酯弹性体具有足够好的耐热性,可广泛应用在 建筑材料 、公共场所设施、医疗设施与医疗器械或纺织材料中。 | ||||||
权利要求 | 1.一种生物基热塑性聚氨酯弹性体的制备方法,其特征在于,所述方法包括: |
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说明书全文 | 一种生物基热塑性聚氨酯弹性体及其制备方法技术领域[0001] 本发明涉及高分子材料技术领域,尤其涉及一种生物基热塑性聚氨酯弹性体及其制备方法。 背景技术[0002] 随着石油、天然气等化石资源的不断消耗以及环境污染问题的进一步加剧,寻找一种环保、可再生的新能源已经成为科研工作者当前研究的主要任务。生物质的主要成分是纤维素、半纤维素和木质素,是一种唯一可再生的碳源,可转化成常规的固态、液态和气态燃料。多元醇是有机合成的主要原料之一,主要来源于化石资源的衍生物。生物质在一定条件下液化可以制备具有一定反应活性的生物质基多元醇,从而缓解了对化石资源的依赖,为生物质的进一步利用扩宽了道路。 [0003] 我国是农业大国,据资料统计,我国水稻年产近2亿吨,稻壳通常占水稻的20%,依此计算,稻壳约4000万吨。稻壳是水稻外面的一层壳,是生物质资源中的一种,将其液化制备稻壳基多元醇,然后将液化所得的稻壳基多元醇用于有机高分子的合成,从而为稻壳的综合利用提供了科学、合理的新途径;另外,由于我国菜籽油的产量较高,并且有较多废弃的甜菜渣,因此,如能将这些生物材料进行利用,进行生物基多元醇的制备,将对聚氨酯材料的生产带来巨大改变。 [0004] 目前,由于丙烯和苯胺价格的波动,挥发性多元醇和MDI价格都可能影响行业利润。另外,严格的环保法规对有害原料的使用会造成新挑战。各大公司正投资开发生物基TPU薄膜市场,有望能抵消原油价格波动,也有助于减少碳排放。一些公司,如阿科玛,杜邦,普立万和麦金莎已将目光投向生物TPU薄膜市场。 [0005] 因此,如何制备一种生物基热塑性聚氨酯弹性体,并使其具有优异的性能已成为目前亟待解决的问题。 发明内容[0006] 为解决上述技术问题,本发明提供了一种生物基热塑性聚氨酯弹性体及其制备方法,本发明制备得到的生物基热塑性聚氨酯弹性体具有足够好的耐热性,可广泛应用在建筑材料、公共场所设施、医疗设施与医疗器械或纺织材料中。 [0007] 为达此目的,本发明采用了以下技术方案: [0008] 第一方面,本发明提供了一种生物基热塑性聚氨酯弹性体的制备方法,所述方法包括: [0010] 其中,所述二硫化钼与甲基硅油的质量比为1:1-5;所述二硫化钼和甲基硅油的两者质量之和占生物基多元醇质量的1-5%;所述抗氧剂占生物基多元醇质量的0.1-0.3%; [0011] (2)将生物基二异氰酸酯与烷基二醇扩链剂分别预热至50-55℃后,与步骤(1)的反应产物和催化剂混合均匀后进入双螺杆挤出机,边挤出边反应制备得到热塑性聚氨酯弹性体; [0012] 其中,所述生物基多元醇由菜籽油基多元醇、稻壳基多元醇和甜菜渣基多元醇按1-5:3-7:2-9的质量比配制而成。 [0013] 其中,所述生物基二异氰酸酯与步骤(1)的反应产物的质量比为1-3:1-3;所述扩链剂与步骤(1)的反应产物的质量比为1-3:6-10;所述催化剂占所制备的热塑性聚氨酯弹性体产品质量的0.01-0.1%。 [0014] 本发明通过采用生物基多元醇和生物基二异氰酸酯,二者发挥协同作用,使制备得到的生物基热塑性聚氨酯弹性体具有足够好的耐热性,可广泛应用在建筑材料、公共场所设施、医疗设施与医疗器械或纺织材料中。 [0015] 本发明对生物基多元醇的来源进行了优选,采用菜籽油基多元醇、稻壳基多元醇和甜菜渣基多元醇的组合并将其按1-5:3-7:2-9的质量比进行配制,三者发挥协同作用,能够最大程度地增强热塑性聚氨酯弹性体的耐热性。 [0016] 根据本发明,所述生物基多元醇由菜籽油基多元醇、稻壳基多元醇和甜菜渣基多元醇按1-5:3-7:2-9的质量比配制而成,例如1:3:2、1:3:4、1:3:6、1:3:9、2:5:2、2:4:5、5:3:2、4:3:5或3:3:5,优选按2:3:7的质量比配制而成。 [0017] 根据本发明,所述菜籽油基多元醇的制备方法,包括以下步骤: [0019] 2)将步骤1)得到的菜籽油、羟基化试剂加入反应器中,在60-75℃的反应温度下保温3-5h,进行羟基化反应,制备得到菜籽油基生物多元醇。 [0020] 根据本发明,所述磷酸用量为菜籽油质量的2-5%;所述甲酸用量为菜籽油质量的20-60%;所述双氧水用量为菜籽油质量的2-3倍。 [0021] 根据本发明,所述稻壳基多元醇的制备方法,包括以下步骤: [0022] 以浓硫酸为催化剂,在130-190℃下,将稻壳粉原料按照液固比(3-9):1加入到液化剂中反应30-150min,冷却后加入丙酮溶解,加入氢氧化钠调节pH到中性,减压蒸馏除去丙酮及水,得稻壳基多元醇。 [0023] 根据本发明,所述的稻壳粉原料为真空干燥的粒径为60-80目的颗粒。 [0024] 根据本发明,所述液化剂为聚乙二醇与正辛醇按照质量比为6-8:1-5混合的溶液。 [0025] 根据本发明,所述甜菜渣基多元醇的制备方法,包括以下步骤: [0026] 1)将甜菜渣粉碎筛分取30-70目; [0027] 2)将100-160重量份的乙二醇和碳酸乙烯酯按1-5:3-9的比例配制的液化溶剂加入反应器,随后加入10-20重量份步骤1)制备的粉碎的甜菜渣,微波加热至130-150℃,反应40-60min,反应结束后立即用冷水冷却,得到甜菜渣基多元醇。 [0028] 根据本发明,所述生物基二异氰酸酯的制备方法,包括以下步骤: [0030] 本发明中所述生物基二异氰酸酯的具体制备方法为文献:“生物质基1,4-丁二异氰酸酯的制备及其在医用聚氨酯材料中的应用”,张永振等,聚氨酯工业,2013年第6期中提供的方法,在此不做赘述,也可采用其它生物基二异氰酸酯,在此不做特殊限定。 [0031] 根据本发明,所述抗氧剂为2,6-二叔丁基-4-甲基苯酚、四(4-羟基-3,5-叔丁基苯基丙酸)季戊四醇酯、3,5-二叔丁基-4-羟基苯丙酸十八酯中的至少一种。 [0032] 根据本发明,所述扩链剂为1,4-丁二醇、1,3-丙二醇、1,4-环己二醇、新戊二醇、1,6-己二醇中的至少一种。 [0033] 根据本发明,所述催化剂为三亚乙基二胺、辛酸亚锡、二丁基锡二月桂酸酯中的至少一种。 [0034] 第二方面,本发明还提供了如第一方面所述的方法制备得到的生物基热塑性聚氨酯弹性体。 [0035] 本发明制备得到的生物基热塑性聚氨酯弹性体具有足够好的耐热性,可广泛应用在建筑材料、公共场所设施、医疗设施与医疗器械或纺织材料中。 [0036] 第三方面,本发明还提供了如第二方面所述的生物基热塑性聚氨酯弹性体在建筑材料、公共场所设施、医疗设施与医疗器械或纺织材料中的应用。 [0037] 与现有技术相比,本发明至少具有以下有益效果: [0038] 本发明制备得到的生物基热塑性聚氨酯弹性体具有足够好的耐热性,并具有良好的可降解性,可广泛应用在建筑材料、公共场所设施、医疗设施与医疗器械或纺织材料中。 具体实施方式[0039] 为便于理解本发明,本发明列举实施例如下。本领域技术人员应该明了,所述实施例仅仅是帮助理解本发明,不应视为对本发明的具体限制。 [0040] 实施例1 [0041] (1)在2L反应釜中加入生物基多元醇500g(由菜籽油基多元醇、稻壳基多元醇和甜菜渣基多元醇按2:3:7的质量比配制而成),二硫化钼和甲基硅油(质量比1:3)的混合物15g,2,6-二叔丁基-4-甲基苯酚1g,保持反应釜压力为-0.098MPa,95℃保温2h; [0042] 所述菜籽油基多元醇的制备方法为: [0043] 1)将菜籽油、甲酸、磷酸加入反应器中,然后将双氧水加到该体系中,在55℃的反应温度下保温6h;然后静置分层,用水洗涤,再用碱中和,静置分层后,除去下层液,抽真空脱水; [0044] 2)将步骤1)得到的菜籽油、羟基化试剂加入反应器中,在72℃的反应温度下保温3h,进行羟基化反应,制备得到菜籽油基生物多元醇; [0045] 其中,磷酸用量为菜籽油质量的3%;所述甲酸用量为菜籽油质量的60%;所述双氧水用量为菜籽油质量的3倍; [0046] 所述稻壳基多元醇的制备方法为: [0047] 以浓硫酸为催化剂,在190℃下,将粒径为60目的稻壳粉原料按照液固比7:1加入到液化剂中反应120min,冷却后加入丙酮溶解,加入氢氧化钠调节pH到中性,减压蒸馏除去丙酮及水,得稻壳基多元醇; [0048] 其中,所述液化剂为聚乙二醇与正辛醇按照质量比为6:3混合的溶液; [0049] 所述甜菜渣基多元醇的制备方法为: [0050] 1)将甜菜渣粉碎筛分取60目; [0051] 2)将120重量份的乙二醇和碳酸乙烯酯按1:7的比例配制的液化溶剂加入反应器,随后加入10重量份步骤1)制备的粉碎的甜菜渣,微波加热至150℃,反应50min,反应结束后立即用冷水冷却,得到甜菜渣基多元醇; [0052] (2)将116g的生物基二异氰酸酯与31g的1,4-丁二醇分别加热至50℃,与280g步骤(1)得到的反应产物和辛酸亚锡0.06g,经浇注机混合后进入双螺杆挤出机,在双螺杆挤出机中边反应边挤出,制备得到热塑性聚氨酯弹性体。 [0053] 其中,螺杆各区设置温度如下:80℃、130℃、185℃、210℃、180℃、150℃,整个反应挤出时间为58秒。 [0054] 实施例2 [0055] (1)在2L反应釜中加入生物基多元醇500g(由菜籽油基多元醇、稻壳基多元醇和甜菜渣基多元醇按3:3:5的质量比配制而成),二硫化钼和甲基硅油(质量比1:3)的混合物15g,四(4-羟基-3,5-叔丁基苯基丙酸)季戊四醇酯1g,保持反应釜压力为-0.098MPa,95℃保温2h; [0056] 所述菜籽油基多元醇的制备方法为: [0057] 1)将菜籽油、甲酸、磷酸加入反应器中,然后将双氧水加到该体系中,在55℃的反应温度下保温6h;然后静置分层,用水洗涤,再用碱中和,静置分层后,除去下层液,抽真空脱水; [0058] 2)将步骤1)得到的菜籽油、羟基化试剂加入反应器中,在72℃的反应温度下保温3h,进行羟基化反应,制备得到菜籽油基生物多元醇; [0059] 其中,磷酸用量为菜籽油质量的2%;所述甲酸用量为菜籽油质量的45%;所述双氧水用量为菜籽油质量的2.5倍; [0060] 所述稻壳基多元醇的制备方法为: [0061] 以浓硫酸为催化剂,在190℃下,将粒径为60目的稻壳粉原料按照液固比7:1加入到液化剂中反应120min,冷却后加入丙酮溶解,加入氢氧化钠调节pH到中性,减压蒸馏除去丙酮及水,得稻壳基多元醇; [0062] 其中,所述液化剂为聚乙二醇与正辛醇按照质量比为6:5混合的溶液; [0063] 所述甜菜渣基多元醇的制备方法为: [0064] 1)将甜菜渣粉碎筛分取60目; [0065] 2)将120重量份的乙二醇和碳酸乙烯酯按1:7的比例配制的液化溶剂加入反应器,随后加入10重量份步骤1)制备的粉碎的甜菜渣,微波加热至150℃,反应50min,反应结束后立即用冷水冷却,得到甜菜渣基多元醇; [0066] (2)将116g的生物基二异氰酸酯与31g的1,3-丙二醇分别加热至50℃,与280g步骤(1)得到的反应产物和二丁基锡二月桂酸酯0.06g,经浇注机混合后进入双螺杆挤出机,在双螺杆挤出机中边反应边挤出,制备得到热塑性聚氨酯弹性体。 [0067] 其中,螺杆各区设置温度如下:80℃、120℃、180℃、200℃、180℃、150℃,整个反应挤出时间为50秒。 [0068] 实施例3 [0069] (1)在2L反应釜中加入生物基多元醇500g(由菜籽油基多元醇、稻壳基多元醇和甜菜渣基多元醇按1:3:2的质量比配制而成),二硫化钼和甲基硅油(质量比1:3)的混合物15g,3,5-二叔丁基-4-羟基苯丙酸十八酯1g,保持反应釜压力为-0.098MPa,95℃保温2h; [0070] 所述菜籽油基多元醇的制备方法为: [0071] 1)将菜籽油、甲酸、磷酸加入反应器中,然后将双氧水加到该体系中,在55℃的反应温度下保温6h;然后静置分层,用水洗涤,再用碱中和,静置分层后,除去下层液,抽真空脱水; [0072] 2)将步骤1)得到的菜籽油、羟基化试剂加入反应器中,在72℃的反应温度下保温3h,进行羟基化反应,制备得到菜籽油基生物多元醇; [0073] 其中,磷酸用量为菜籽油质量的3%;所述甲酸用量为菜籽油质量的50%;所述双氧水用量为菜籽油质量的2倍; [0074] 所述稻壳基多元醇的制备方法为: [0075] 以浓硫酸为催化剂,在190℃下,将粒径为60目的稻壳粉原料按照液固比7:1加入到液化剂中反应120min,冷却后加入丙酮溶解,加入氢氧化钠调节pH到中性,减压蒸馏除去丙酮及水,得稻壳基多元醇; [0076] 其中,所述液化剂为聚乙二醇与正辛醇按照质量比为7:1混合的溶液; [0077] 所述甜菜渣基多元醇的制备方法为: [0078] 1)将甜菜渣粉碎筛分取60目; [0079] 2)将120重量份的乙二醇和碳酸乙烯酯按1:7的比例配制的液化溶剂加入反应器,随后加入10重量份步骤1)制备的粉碎的甜菜渣,微波加热至150℃,反应50min,反应结束后立即用冷水冷却,得到甜菜渣基多元醇; [0080] (2)将116g的生物基二异氰酸酯与31g的1,4-环己二醇分别加热至50℃,与280g步骤(1)得到的反应产物和辛酸亚锡0.06g,经浇注机混合后进入双螺杆挤出机,在双螺杆挤出机中边反应边挤出,制备得到热塑性聚氨酯弹性体。 [0081] 其中,螺杆各区设置温度如下:80℃、130℃、185℃、210℃、180℃、150℃,整个反应挤出时间为58秒。 [0082] 实施例4 [0083] (1)在2L反应釜中加入生物基多元醇500g(由菜籽油基多元醇、稻壳基多元醇和甜菜渣基多元醇按1:3:6的质量比配制而成),二硫化钼和甲基硅油(质量比1:3)的混合物15g,2,6-二叔丁基-4-甲基苯酚1g,保持反应釜压力为-0.098MPa,95℃保温2h,制备得到改性聚醚多元醇; [0084] 所述菜籽油基多元醇的制备方法为: [0085] 1)将菜籽油、甲酸、磷酸加入反应器中,然后将双氧水加到该体系中,在55℃的反应温度下保温6h;然后静置分层,用水洗涤,再用碱中和,静置分层后,除去下层液,抽真空脱水; [0086] 2)将步骤1)得到的菜籽油、羟基化试剂加入反应器中,在72℃的反应温度下保温3h,进行羟基化反应,制备得到菜籽油基生物多元醇; [0087] 其中,磷酸用量为菜籽油质量的3%;所述甲酸用量为菜籽油质量的60%;所述双氧水用量为菜籽油质量的3倍; [0088] 所述稻壳基多元醇的制备方法为: [0089] 以浓硫酸为催化剂,在190℃下,将粒径为60目的稻壳粉原料按照液固比7:1加入到液化剂中反应120min,冷却后加入丙酮溶解,加入氢氧化钠调节pH到中性,减压蒸馏除去丙酮及水,得稻壳基多元醇; [0090] 其中,所述液化剂为聚乙二醇与正辛醇按照质量比为6:5混合的溶液; [0091] 所述甜菜渣基多元醇的制备方法为: [0092] 1)将甜菜渣粉碎筛分取60目; [0093] 2)将120重量份的乙二醇和碳酸乙烯酯按1:7的比例配制的液化溶剂加入反应器,随后加入10重量份步骤1)制备的粉碎的甜菜渣,微波加热至150℃,反应50min,反应结束后立即用冷水冷却,得到甜菜渣基多元醇; [0094] (2)将116g的生物基二异氰酸酯与31g的1,6-己二醇分别加热至50℃,与280g步骤(1)得到的反应产物和三亚乙基二胺0.06g,经浇注机混合后进入双螺杆挤出机,在双螺杆挤出机中边反应边挤出,制备得到热塑性聚氨酯弹性体。 [0095] 其中,螺杆各区设置温度如下:80℃、150℃、190℃、220℃、180℃、150℃,整个反应挤出时间为52秒。 [0096] 对比例1 [0097] 与实施例1相比,除采用数均分子量为1000的聚四氢呋喃醚二醇外,其它与实施例1相同。 [0098] 对比例2 [0099] 与实施例1相比,除采用数均分子量为1000的聚环氧丙烷二醇外,其它与实施例1相同。 [0100] 对比例3 [0101] 与实施例1相比,除二异氰酸酯采用甲苯二异氰酸酯外,其它与实施例1相同。 [0102] 对比例4 [0103] 与实施例1相比,除二异氰酸酯采用4,4-二苯甲烷二异氰酸酯外,其它与实施例1相同。 [0104] 对比例5 [0105] 与实施例1相比,除生物基多元醇由菜籽油基多元醇、稻壳基多元醇和甜菜渣基多元醇按1:1:1的质量比配制而成外,其它与实施例1相同。 [0106] 对比例6 [0107] 与实施例1相比,除生物基多元醇由菜籽油基多元醇、稻壳基多元醇和甜菜渣基多元醇按6:1:8的质量比配制而成外,其它与实施例1相同。 [0108] 对比例7 [0109] 与实施例1相比,除不添加菜籽油基多元醇外,其它与实施例1相同。 [0110] 对比例8 [0111] 与实施例1相比,除不添加稻壳基多元醇外,其它与实施例1相同。 [0112] 对比例9 [0113] 与实施例1相比,除不添加甜菜渣基多元醇外,其它与实施例1相同。 [0114] 对比例10 [0115] 与实施例1相比,除仅添加菜籽油基多元醇作为生物基多元醇外,其它与实施例1相同。 [0116] 对比例11 [0117] 与实施例1相比,除仅添加稻壳基多元醇作为生物基多元醇外,其它与实施例1相同。 [0118] 对比例12 [0119] 与实施例1相比,除仅添加甜菜渣基多元醇作为生物基多元醇外,其它与实施例1相同。 [0120] 将上述实施例1-4和对比例1-12所制备的热塑性聚氨酯弹性体,其耐热性能如表1-2所示。 [0121] 其中,测定玻璃化转变温度采用的是ASTM D-3417-99;测定熔点的试验方法是ASTM D-3417-99;测定硬度的试验方法是ASTM D-2240。 [0122] 表1 [0123] [0124] 表2 [0125] [0126] 由表1可以看出,本发明通过采用生物基多元醇和生物基二异氰酸酯的组合,并对生物基多元醇进行优化组合并优化其配比,其相互具有协同作用,从而使制备得到的生物基热塑性聚氨酯弹性体具有足够好的耐热性,可广泛应用在建筑材料、公共场所设施、医疗设施与医疗器械或纺织材料中。 |