水性聚氨酯的合成简介
水性聚氨酯的合成详解
溶剂型在下降，水性涂料在上升
水性聚氨酯
1.1 聚氨酯概述 1.2 水性聚氨酯 1.3 水性聚氨酯的合成 1.4 水性聚氨酯的应用 1.5 前景
1.1 聚氨酯的简介
聚氨酯的结构它由多异氰酸酯（如，二异氰酸酯 OCN-R-NCO）与多元醇（如，二元醇HO-R-OH） 聚合而成，其中氨基甲酸酯链段是重复的结构单 元。聚氨酯结构中具有类似酰胺基团及酯基团的 结构，因此，聚氨酯的化学与物理性质介于聚酰 胺和聚酯之间。 —[-CO-NH-R-NH-CO-OR-O-]n—
水性聚氨酯涂料的研究进展 及其应用
主讲人：王长坤 导师：梁亮
引言 引言
进入21世纪初，环境保护愈发受到世人的关注。溶剂型涂 料含有大量的挥发性有机溶剂（VOC），在使用的过程中 排入大气，不仅破坏环境，危害健康，同时也浪费资源能 量。随着国际范围内的能源紧张和资源保护法进一步苛刻， VOC 的排放量进一步受到限制。在这样一个背景下，水 性PU就作为涂料而言，不仅在制作过程中不使用溶剂， 施工中不排放有机溶剂而且完全符合国际4E原则，因而水 性PU的发展，呈现出极为良好的前景。
由于胺基与NCO基团反应速率比水快一个数量级，因此 外乳化法在大多数的情况下可在水中分散的同时进行扩 链
二、自乳化法
在疏水性的聚氨酯分子结构中引入亲水的离子性基团，制成含离子 键的聚氨酯，然后将其分散于水中，并在油水两相体系中进行扩链反
应，经季铵化形成离子时，即得稳定的水性聚氨酯。
按亲水基团的类型可分为：
也可将异氰酸酯与N-甲基二乙醇胺反应，再与碘甲烷进行 季铵制成阳离子水性聚氨酯。反应过程如下：
乳化原理
利用中和剂或成盐剂， 使水性聚氨酯的侧基( COOH ) 或 叔氨基( NR3 ) 在高速搅拌作用下分散于水中。 中和剂或 成盐剂的选择原则是: 使树脂稳定性好， 色浅外观好且经 济易得。 乳化过程中， 理想的状态是聚氨酯大分子链上的疏水部 分曲卷聚集在乳胶中心。亲水基团分布在乳胶粒表面并指 向外围水相， 粒子界面上离子结合体的分裂作用形成双 电层， 通过化学键连接在聚氨酯骨架上的阴（阳）离子 保留固定在粒子表面， 而离子则迁移至粒子周围的水相 中， 在微球表面形成N电势的电荷层， 从而加强了水分 散体的稳定性。
水性聚氨酯
水性聚氨酯 Waterborne polyurethane
08/22
1. 水性聚氨酯的基本原料与合成
1. 2 水性聚氨酯的合成
(2) 扩链反应
小分子二元醇扩链
小分子二元胺扩链 水性聚氨酯 Waterborne polyurethane
09/22
1. 水性聚氨酯的基本原料与合成
1. 2 水性聚氨酯的合成
05/22
1. 水性聚氨酯的基本原料与合成
1. 1 水性聚氨酯的基本原料 1.1.3 亲水扩链剂
(1) 阴离子型 (2) 阳离子型 (2) 非离子型
水性聚氨酯 Waterborne polyurethane
06/22
1. 水性聚氨酯的基本原料与合成
1. 2 水性聚氨酯的合成
外乳化法（外加乳化剂）
水
水溶性原料法
性
化 方
熔融分散法
法
固体自分散法
自乳化法
相转变法
—NCO封端法
水中扩链
水性聚氨酯 Waterborne polyurethane
07/22
1. 水性聚氨酯的基本原料与合成
1. 2 水性聚氨酯的合成39; OH
O
O
OCN R NH C O R' O C NH R NCO
方式、反应时间）。 3.2 不同点： 复鞣剂：
（1）分子量适宜皮内渗透，一般不加交联剂，呈线形； （2）对成膜无要求。 涂饰剂：
（1）分子量较大，要加交联剂，呈体型； （2）成膜性能有很高的要求（粘着性好、抗张强度高、反弹性好、耐溶剂、
耐干湿擦、耐水性好、耐磨性好等）。
水性聚氨酯 Waterborne polyurethane
2.3.1 硬段对性能的影响 （1）异氰酸酯 （2）扩链剂或交联剂 （3）亲水扩链剂
水性聚氨酯的制法
水性聚氨酯的制法资料来源：1、溶液法（亦称丙酮法）把端异氰酸基预聚体溶于低沸点能与水互溶的溶剂中（丙酮最常用，因此此方法亦称丙酮法），与亲水性官能基的化合物反应，生成聚氨酯离聚物，加水搅拌实现相转移，蒸馏法回收丙酮，得水性聚氨酯乳液。
此法是目前最常用、最重要的方法，步骤复便且重现性好。
几乎所有的线型聚氨酯都可以用此法植入离子体，再分散于水相中成为水分散液。
其分散液粒径为0.03~0.5μm，粒度可变范围较广，可为不透明或半透明或乳白色热塑性聚氨酯乳液。
2、预聚体分散法此过程不需要大量溶剂，避免了回收溶剂的麻烦，同时也符合低VOC和无VOC未来环保要求的趋势。
此工艺过程的第一步也是先合成端-NCO基预聚体，再植入离子基，使成为离子性齐聚物，加水并强烈搅拌，此间，聚氨酯预聚体形成水分散液和端-NCO基与水进行的扩链反应同时发生。
加入二元胺作扩链剂可以减少-NCO与水反应的几率，最终生成聚氨酯-脲水分散液。
此法较丙酮法简单，无须溶剂回收工序，节能，但产品性能稍差于丙酮法。
通常是把预聚体在强烈搅拌下加入水中分散，如果-NCO活性较低或者使用高剪切力混合分散装置也可以反加料分散，即把水加入预聚体中。
此法制得乳液粒径为0.1~0.5μm，且可制得具有不同交联度的聚氨酯乳液。
3、熔融分散法将聚酯或聚醚二醇、叔胺和异氰酸酯在熔融状态下制备预聚体，用过量尿素终止使生成亲水性的双缩二脲离聚物，再将其在甲醛水溶液中分散，使发生羟甲基化反应，生成羟甲基双缩二脲聚氨酯齐聚物，用水稀释即可得聚氨酯双脲乳液。
实际上是在低pH值情况下，分散相之间的缩聚反应从而达到扩链和交联的目的。
此法反应较易控制，不需溶剂，同时也不要求高效混合装置，可制成粒径为0.03~10μm之间的分散胶粒，分散液稳定，适宜大规模工业化生产，能制备委员长中交联度的聚氨酯乳液。
此外，水性聚氨酯的制备方法还有酮亚胺法（Ketimine）、酮吖嗪法（Ketazine）。
水性聚氨酯及其改性方法
水性聚氨酯及其改性方法水性聚氨酯（Waterborne Polyurethane，WPU）是一种以水为分散介质的聚氨酯树脂。
相比于传统的有机溶剂型聚氨酯树脂，水性聚氨酯具有环保、无毒、低挥发性、易操作以及涂膜性能优良等特点。
因此，在目前的涂料、胶黏剂、纺织品等领域得到了广泛的应用。
水性聚氨酯的制备方法主要有两种：溶剂法和水分散法。
溶剂法是先将聚合物和有机溶剂混合，然后加入异氰酸酯单体进行反应，最后除去有机溶剂得到产品。
溶剂法制备的水性聚氨酯具有分散性好、颗粒细、粘度低等特点。
而水分散法是利用乳化剂或分散剂使聚合过程发生在水中，再通过蒸发水分形成聚氨酯分散体，最后通过过滤去除杂质得到产品。
水分散法制备的水性聚氨酯无需有机溶剂，更加环保。
1.交联改性：通过引入交联剂，如多异氰酸酯、多醇等，使聚氨酯形成三维网络结构，增强其耐磨性、耐化学品性、耐温性等性能。
2.聚合物分散法：将其他合成树脂或聚合物分散到水性聚氨酯中，形成复合体系，提高涂膜的性能，如增强耐候性、耐刮擦性、硬度等。
3.功能性改性：在水性聚氨酯体系中引入改性剂，如改善流平性和润湿性的表面活性剂、增强抗静电的导电剂等，以增强涂膜的特殊性能。
4.纳米增强：通过引入纳米颗粒，如氧化锌、氧化硅等，以增加涂层的硬度和耐用性。
5.共聚改性：将其他具有特殊功能的单体引入水的聚氨酯反应体系中，并进行聚合，以获得具有特殊性能的共聚物。
综上所述，水性聚氨酯作为一种环保、优良性能的树脂，广泛应用于各个领域。
通过不同的改性方法，可以进一步提高水性聚氨酯的性能，满足不同应用领域的需求。
随着技术的进步，水性聚氨酯的制备方法和改性方法也将不断创新和发展。
水性聚氨酯合成方法
水性聚氨酯合成方法
水性聚氨酯的合成方法有以下几种：
1. 预聚体法：将聚醚二元醇、聚酯二元醇或聚碳酸酯二元醇、异佛尔酮二异氰酸酯、MDI和二元胺加入反应釜中进行反应合成。
2. 两步法：在室温下，异佛尔酮二异氰酸酯与二元醇先反应生成丁二醇二异氰酸酯（BDI），然后在水中加入BDI，再加入二元胺，进行反应，生成聚合物。
3. 水解法：将异氰酸酯和二元醇溶于有机溶剂中，在水中加入碱性水解剂，水解产生出无机盐和聚氨酯，然后再加入二元胺调整pH值，使聚合物变为水溶性。
4. 无溶剂法：在二元醇、二异氰酸酯和催化剂的催化下，进行聚合反应，生成水性聚氨酯。
以上是水性聚氨酯的几种常见的合成方法。
不同方法的步骤和条件有所不同，需要根据具体情况选择合适的方法。
水性聚氨酯的合成
水性聚氨酯树脂和其他树脂一样, 其最终制品的性能是由内部结构决定的。
阳离子型水性聚氨酯是将叔胺官能团引入到聚氨酯的大分子中而制得的。
通常用含叔胺基的二醇作扩链剂, 用烷基化剂或合适的酸进行季铵化而得到离子基团。
和普通的聚氨酯一样可用不同种类的多元醇、不同结构的二异氰酸酯、不同类型的扩链剂、不同类型的中和剂和采用不同的合成方法进行合成。
阳离子型水性聚氨酯的骨架上带有阳离子基团, 这就使其具有了一些独特的性能, 在皮革、涂料、胶粘剂、纺织和造纸等领域有着较好的应用。
此外, 阳离子水性聚氨酯对水的硬度不敏感, 且可以在酸性条件下使用。
因此, 开发出性能优异的阳离子水性聚氨酯, 其市场前景非常广阔。
1 阳离子水性聚氨酯的合成 1.1 合成机理合成阳离子水性聚氨酯时, 一般通过两种途径引入阳离子。
一是用卤素元素化合物引入阳离子,该机理先将聚醚或者聚酯二醇与二异氰酸酯制成预聚体, 加入溶剂降低粘度后, 加入卤素元素化合物( 如2,3-二溴丁二酸) 扩链, 然后再加入溶剂降低粘度, 加入三乙胺季铵化, 搅拌离子化, 将离子化后的PU 分散到水中, 高速剪切乳化, 最后蒸除溶剂。
该机理的季铵化是SN2(亲核取代反应) 二是用叔胺化合物引入阳离子, 该机理首先将聚醚或者聚酯二醇与二异氰酸酯制成预聚体, 加入溶剂降低粘度后, 用叔胺化合物( 如N- 甲基二乙醇胺) 扩链, 再加入溶剂降低粘度, 然后加入离子化试剂如乙酸, 搅拌离子化。
将离子化后的PU 分散到水中, 高速剪切乳化, 最后蒸除溶剂。
该机理的季铵化是酸碱中和。
1.2 合成方法阳离子水性聚氨酯的合成与阴离子水性聚氨酯的合成最大的不同就是阳离子水性聚氨酯需加酸成盐, 因此一般不在水中用胺扩链, 所以阳离子水性聚氨酯一般不用阴离子水性聚氨酯常用的预聚体混合法。
从国内外近年来的研究来看, 阳离子水性聚氨酯的合成主要有熔融法和丙酮法。
熔融法是无溶剂制备水性聚氨酯的重要方法。
水性聚氨酯资料(科天化工)
四、水性聚氨酯性能表述
6. 耐水性
物理性吸水（聚醚型）和化学水解（聚酯型）； 测试方法 ：浸润法和液滴法
水性聚氨酯特点：存在亲水基团：采用改性、交联 或减少亲水基团含量的方法。
四、水性聚氨酯性能表述
7. 表面性能
表面张力； 水接触角 ；
亲水性和表面粗糙度是最主要的因素。
四、水性聚氨酯性能表述
七、水性聚氨酯应用
3. 织物整理
防水透湿涂层剂 羊毛织物防缩整理剂 抗静电整理 抗起毛起球整理 免烫整理剂 涂料印花
七、水性聚氨酯应用
4. 涂料
在国外水性涂料研究中，水性聚氨酯涂料就占了主导 地位 在水性聚氨酯涂料应用方面的技术研究应集中于以下 几方面：
1. 2. 3. 4. 5. 降低树脂的内聚强度 复合改性 加强对高固含量和粉末状水分散型聚氨酯的研究 水性紫外光聚氨酯涂料 利用可再生资源如植物油、松香及废弃塑料制备多元醇
七、水性聚氨酯应用
5.玻纤浸润剂
聚氨酯乳液含有极性很强的氨酯键，对玻纤黏结 集束性好，分子中软段和硬段相结合，蓦地弹性特别 好，对玻纤的保护作用优于其他品种的成膜剂 国产较少
七、水性聚氨酯应用
6. 鞋化用树脂
PUD应用与鞋化材料有两个用途：填充和表面光亮装 饰。 目前国内用量较大，仅次于皮革用树脂，但是产品多 为外来产品
水性聚氨酯
合肥市科天化工有限公司
董事长：戴家兵
一、聚氨酯概述
聚氨酯
1. 结构
O O C NH
2. 原料丰富，成品形态各样，被誉为“可剪裁性” 聚 合物 3. 应用广泛 涂料、胶黏剂、弹性体… 4. 溶剂性PU的VOC高，污染大，水性化是趋势
一、聚氨酯概述
水性聚氨酯结构与合成
Ｈ —～ 州彳 —～ Ｃ Ｈ ｌ
Ｏ
。
∞。 一
Ｎ
。
Ｈ Ｏ Ｎ Ｃ ３２ Ｃ ＯＨ （ Ｈ ）
０ ０ ～
Ｒ ／
、 、 Ｒ
图６ 阳离子 水性聚 氨酯 分子 结构
１３３ 非 离 子 水 性 聚 氯 酯 分 子 结 构 模 型 ．．
图３ 异 氰酸 酯 的 自聚 反应
将聚乙二醇分 子链段 引入聚氨酯分子 的端基 、链段 中 间、侧链 可以合成各种不 同的非离子水性聚氨酯 ，由于亲 水链段含量通常较 大 ，因此 ，实际应用有 限。
ＣＨ （ ＣＨ ＣＨ ） （ Ｍ — ３Ｏ ２ ２ Ｌ — 卜 ” ～ Ｍ ｗ Ｏ ｃＨ ｃＨ ） Ｏ （ ２ ２ｎ ～
１３ 水性 聚氨 酯 的分子 结构 ．
聚氯酯是 由硬段和软段构成的一类高性能材料 ，硬段 和软段 的组成 、结构、长短 、相对 比例 的变化等使聚氨酯 材料可 用作塑料、弹性体 、 维、胶粘剂和涂料的树脂 等。 纤
—叫二 ： ———～ 二
Ｏ ＣＨ （ ｔ０ ｎ ｔ （ ２’ ２ ）ＣＩ ３
聚氨酯材料就形态而言属于二相结构 ：软段相和硬段 相 。软段相 多数为粘弹态（ 聚醚 、聚 己二酸酯 ） ，也有玻璃
态 （ 碳酸 酯 ＰＤ ） 聚 Ｃ Ｌ，少 数 为结 晶态 （ 己 内脂 Ｐ Ｌ 聚 Ｃ 、聚 己二 酸 丁 二 醇 酯 ＰＡ Ｂ 、聚 己二 酸 己二 醇 酯 ， ＰＡ ；而 硬 段 相 可 Ｈ）
双 电层 结 构 。
形 态
图１ 阴离子 型Ｐ Ｄ ０ Ｕ 胶粒 模型
当硬段含量在 ４ ７ ０ 以下时 ，硬 段分 散在软段 基料 上 ０
图１ 硬 段含 量４ ％时 的聚 氨酯 形态 ５ ０
水性聚氨酯的性质、用途及合成工艺
熔融分散法
• 将聚酯或聚醚二醇、叔胺和异氰酸酯在熔 融状态下制备预聚体，用过量尿素终止生 成亲水性的双缩二脲离聚物，在将其在甲 醛水溶液中分散，使发生羟甲基阳离子型 水性聚氨酯发生反应。
外乳化法
• 外乳化法是最早使用的制备水性聚氯酯的方法，它 是1953年美国Du Pont公司的、V Yandott发明。选 取制成适当分子量的聚氨酯预聚体或其溶液，然后 加入乳化剂，在强烈搅拌下强制性地将其分散于水 中，制成聚氨酯乳液或分散体。外乳化法工艺简单， 但存在以下缺点：(1)在分散阶段需要强力搅拌设备， 搅拌工艺对分散液性能影响很大；(2)制得的分散液 粒径较大，一般大于1．0m，粒径分布宽，储存稳 定性差；(3)乳化剂的存在影响成膜后胶膜的耐水性、 强韧性和粘结性等力学性能。
特点
• 水性聚氨酯以水性聚氨酯树脂为基料，水为分散介质。水 性聚氨酯以乳液(粒径>10-5m，外观乳白色)和分散液(粒 径10～～10-7 m，外观半透明)居多，溶液很少，其中乳 液和分散液区分并不严格。水性聚氨嘴，除保留了传统溶 剂型聚氨酯的一些优良性能如良好的酬用性、柔韧性、俐 低温性、耐疲劳性和高光泽、高粘结性等外，还具有易沈、 防燃、防爆、无毒、不污染环境等优点，随着人们环保意 识的增强，水性聚氨酯越来越受到人们的关注，其发展前 景极为广阔。但是水性聚氨酯也具有某些缺点，比如涂膜 耐水性不好，硬度不高，机械强度不高等，需要加以改性
ቤተ መጻሕፍቲ ባይዱ
自乳化过程
• 聚氨酯的自乳化过程实际上是一个相反转过程，在乳化过 程中经历了一个从w／o到o／w的转变过程，随着乳化的 进行，聚集念结构也会发生相应变化，并且体现出物化性 质(如粘度和电导率)改变。众所周知，聚氨酯材料内由于 软链段和硬链段各自成相生微相分离，若将离子型水性聚 氨酯中和成盐，那么它就属于离聚体。对离聚体的聚集态 结构，许多人进行了研究，提出了很多模型，包括微离子 点阵模型、各相同性模型、两相结构模型等。通SANS和 SAXS研究发现，离聚体在有机溶剂中含离子链段和反离 子通过库仑力作用会形成一利‘链段微离予点阵聚集区 (seglll(2t]t mi croiOiliC lattiCOS)。可见聚氨酯离聚体的聚 集态结构非常复杂，这就决定了其相转变行为受多方面因 素的影响。具体来说，主要受NCO／OH、羧基含量、中 和度、多元醇的种类以及多元醇的分子量等因素的影响。
水性聚氨酯的制备及改性方法
水性聚氨酯的制备及改性方法
一、水性聚氨酯的制备方法：
1.原位聚合法：通过在聚醚、聚酯等官能化的基料中，加入异氰酸酯类化合物，经过聚合反应形成水性聚氨酯。
2.分散聚合法：将异氰酸酯类物质预分散于水中，再与聚醚、聚酯等官能化的基料发生反应，形成水性聚氨酯。
二、水性聚氨酯的改性方法：
1.溶剂改性：将溶解介质（如乙醇、丙酮等）加入到水性聚氨酯中，通过调整溶解度和离子强度，改变聚氨酯的粘度、干燥速度等性能。
2.聚合物改性：将其他合成树脂（如丙烯酸乳液、聚酯树脂等）与水性聚氨酯混合进行共聚反应，以改善聚氨酯的力学性能、耐热性等性能。
3.环氧树脂改性：将环氧树脂加入水性聚氨酯中，通过交联反应，提高聚氨酯的耐磨性、耐溶剂性和耐冲击性。
4.硅橡胶改性：将硅橡胶加入水性聚氨酯中，形成混合胶，可以提高聚氨酯的耐候性、耐油性和抗拉强度。
5.纳米填料改性：引入纳米颗粒（如纳米二氧化硅、纳米氧化铁等）到水性聚氨酯中，通过增加界面层面，提高聚氨酯的力学性能、耐磨性和耐腐蚀性。
三、水性聚氨酯的应用领域：
1.涂料与胶粘剂：水性聚氨酯可以用于木材涂料、金属涂料、塑料涂料、地板涂料、汽车涂料等领域。
2.印刷油墨：水性聚氨酯可以用于纸张印刷油墨、塑料印刷油墨等领域。
3.纤维与皮革：水性聚氨酯可以用于纺织面料的涂层、皮革的涂层和胶粘剂等领域。
4.胶黏剂与密封剂：水性聚氨酯可以用于建筑胶黏剂、汽车密封剂、电子胶黏剂等领域。
5.防腐与防护：水性聚氨酯可以用于防水涂料、防腐涂料、建筑涂料等领域。
总之，水性聚氨酯的制备及改性方法多种多样，可以根据不同需求和应用领域进行选择和调整，以获得理想的性能和性质。
水性聚氨酯的合成及应用
水性聚氨酯的合成及应用水性聚氨酯（Waterborne Polyurethane, WPU）是一种特殊的聚氨酯树脂，具有良好的环境友好性和广泛的应用前景。
本文将介绍水性聚氨酯的合成方法、特性以及其在涂料、胶黏剂和纺织品等领域的应用。
一、水性聚氨酯的合成方法水性聚氨酯的合成可以通过两种主要方法实现：一种是预聚体法，另一种是原位乳化法。
1. 预聚体法预聚体法是通过将聚酯或聚醚与异氰酸酯化合物反应，形成异氰酸酯预聚体。
然后，将预聚体与含有胺官能团的化合物反应，生成聚醚型或聚酯型水性聚氨酯。
需要注意的是，在反应过程中，需要添加适量的表面活性剂和乳化剂来帮助稳定乳液。
2. 原位乳化法原位乳化法是将聚酯或聚醚与异氰酸酯化合物、氨基功能的稳定乳化剂以及乳化剂反应，直接形成乳液。
该方法与预聚体法相比，更加简便和高效。
二、水性聚氨酯的特性水性聚氨酯具有以下几个显著的特性：1. 环保性与传统的溶剂型聚氨酯相比，水性聚氨酯不含有机溶剂，因此减少了挥发性有机化合物的排放，对环境污染更小。
同时，水性聚氨酯在应用过程中，不会产生有毒气体，对操作者的安全也更有保障。
2. 膜性能优良水性聚氨酯具有良好的强度、韧性和耐候性。
其形成的薄膜可提供优异的涂层性能，具有良好的抗刮擦性、耐化学品侵蚀性和抗氧化性等特点。
3. 附着力强水性聚氨酯可以与多种基材良好地附着，包括金属、塑料、玻璃等。
在涂料和胶黏剂领域，其优异的附着力使其成为一种理想的材料。
三、水性聚氨酯的应用水性聚氨酯在多个领域具有广泛的应用前景。
1. 涂料作为一种环保型涂料原料，水性聚氨酯具有优异的防护性能和装饰效果。
它可以应用于室内外墙面、家具、汽车、船舶等领域，为表面提供持久的保护。
2. 胶黏剂水性聚氨酯具有良好的粘接性能和耐湿性，适用于纸张、金属、木材等材料的粘接。
在制造行业中，水性聚氨酯胶黏剂得到广泛应用，如家具制造、包装行业和纸制品加工等。
3. 纺织品水性聚氨酯可用作纺织品的涂层剂和涂料。
水性聚氨酯制备实验报告
一、实验目的1. 掌握水性聚氨酯的制备方法；2. 熟悉水性聚氨酯的组成和性能；3. 了解实验操作步骤和注意事项。
二、实验原理水性聚氨酯（Waterborne Polyurethane，WPU）是一种具有优异性能的热塑性弹性体，具有环保、耐腐蚀、耐磨损、粘接强度高等特点。
本实验采用预聚体法合成水性聚氨酯，通过选择合适的原料和工艺条件，制备出性能优良的水性聚氨酯。
三、实验材料1. 原料：聚醚多元醇（如PTMG-1000）、二异氰酸酯（如TDI、HDI）、扩链剂（如乙二胺）、催化剂（如二月桂酸二丁基锡）、中和剂（如三乙胺）、去离子水等；2. 仪器：三口烧瓶、冷凝管、搅拌器、循环水真空泵、离心分离机、分析天平、微量注射器、移液管、激光粒度仪、红外光谱仪等。
四、实验步骤1. 准备反应装置：将三口烧瓶、冷凝管等装入反应装置，并除水处理。
2. 配制原料：按照实验要求，准确称量聚醚多元醇、二异氰酸酯、扩链剂、催化剂、中和剂等原料。
3. 合成预聚体：将称量好的原料倒入三口烧瓶中，加入去离子水，搅拌均匀。
在N2保护下，加热至一定温度，使原料充分反应，形成预聚体。
4. 乳化：将预聚体冷却至室温，加入适量的扩链剂和催化剂，搅拌均匀。
在搅拌下，缓慢加入去离子水，使预聚体形成稳定的乳液。
5. 调节pH值：将乳液pH值调节至中性，以确保乳液的稳定性和性能。
6. 后处理：将乳液离心分离，去除未反应的原料和杂质。
7. 性能测试：利用激光粒度仪、红外光谱仪等仪器对乳液和涂膜进行性能测试。
五、实验结果与分析1. 激光粒度仪测试：水性聚氨酯乳液的粒径分布如图1所示。
从图中可以看出，乳液粒径分布均匀，平均粒径约为200nm。
图1 水性聚氨酯乳液粒径分布2. 红外光谱测试：水性聚氨酯涂膜的官能团如图2所示。
从图中可以看出，涂膜中含有氨基、酯基、脲键等特征吸收峰，说明水性聚氨酯的合成反应已完成。
图2 水性聚氨酯涂膜官能团3. 力学性能测试：水性聚氨酯涂膜的力学性能如表1所示。
水性聚氨酯的合成详解
精品ppt
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1.3.1 水性聚氨酯的合成原料
多异氰酸酯 水性聚氨酯合成的多异氰酸酯包括芳香族
和脂肪族两大类。芳香族主要有TDI（甲苯 二异氰酸酯）、MDI（二苯基甲烷二异氰酸 酯）；脂肪族主要有HDI（六亚甲基二异氰 酸酯）、IPDI（异佛尔酮二异氰酸酯）。
精品ppt
9
低聚物多元醇
水性聚氨酯合成用低聚物多元醇主要包括聚醚型、聚酯型 两大类，它构成聚氨酯的软段。
扩链剂
为了调节分子量及软、硬段比例，在水性聚氨酯合成中常 使用扩链剂。扩链剂主要是多官能度醇类或胺类化合物。
亲水剂（亲水性扩链剂）
亲水性扩链剂指能在水性聚氨酯大分子主链上引入亲水基 团的扩链剂，它是水性聚氨酯制备中使用的功能单体。该 类扩链剂中带有羧基、磺酸基或叔胺基，结合有此类基团 的聚氨酯经中和、离子化，即呈现水溶性。
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引引言言
进入21世纪初，环境保护愈发受到世人的关注。溶剂型涂 料含有大量的挥发性有机溶剂（VOC），在使用的过程中 排入大气，不仅破坏环境，危害健康，同时也浪费资源能 量。随着国际范围内的能源紧张和资源保护法进一步苛刻， VOC 的排放量进一步受到限制。在这样一个背景下，水 性PU就作为涂料而言，不仅在制作过程中不使用溶剂， 施工中不排放有机溶剂而且完全符合国际4E原则，因而水 性PU的发展，呈现出极为良好的前景。
•水性聚氨酯可分为聚醚型、聚酯型和聚醚、聚酯混 合型。
包装形式
• 水性聚氨酯可分为单组分水性聚氨酯和双组分水性聚 氨酯。
精品ppt
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1.3水性聚氨酯的合成
水性聚氨酯树脂是水性PU涂料，胶粘剂等应用的基料， 要想得到水性的PU涂料，必须首先制得稳定的水性PU 树脂。由于PU疏水性很强，难分散于水中，企图采用 一般的乙烯基合成树脂的方法是不可行的。一般用聚合 物二元醇（或多元醇）与二异氰酸酯反应，制得预聚体 聚氨酯树脂，然后采用相转移的方法将其溶解或者乳化 在水中。
水性聚氨酯生产工艺-水性聚氨酯的合成
第4 章艺技术方案4.1工艺技术4.1.1技改前工艺技术企业现有1万吨溶剂型聚氨酯生产线，生产方式采用间歇式，分为多元醇合成和聚氨酯合成两个工序，工艺流程如图4-1，4-2所示。
图4-1多元醇合成流程图图4-2聚氟酯合成流程图从流程图可看出，聚氨酯合成首先由脂肪族二元醇乙二醇、1，4 丁二醇和脂肪族二元羧酸己二酸酯化、聚合生成中间体多元醇，再由多元醇和异氰酸酯在溶剂二甲基甲酰胺、甲苯、丁酮的作用下聚合而成。
生产过程中所用二甲基甲酰胺等溶剂或多或少具有一些毒害性，在整个生产所需的原辅材料中所占比例高达70%。
4.1.2技改后工艺技术4.121工艺流程图技改后，生产方式仍为间歇式，首先由小分子醇和酸酯化、聚合生成多元醇，多元醇再和MDI以去离子水为溶剂，经过扩链剂扩链聚合生成水性聚氨酯树脂。
聚酯多元醇的合成方法和技改前相同，聚氨酯合成工序用溶有扩链剂的去离子水代替有机溶剂，工艺也有所改进, 具体流程如下。
(1)聚酯多元醇的合成聚酯多元醇的合成工序流程图同图4-1。
图4・3水性聚氨酯树脂生产工艺流程图4.1.2.2工艺流程简述（1 ）聚酯多元醇合成工艺流程说明 半成品聚酯多元醇合成工艺与技改前相同， 由脂肪族二元羧酸和脂肪族二元醇按一定摩尔比反应制得。
a ：在常温常压下按照工艺配比要求向反应釡中加入乙二醇、 式是管道输送，开启搅拌装置搅拌物料；b :预聚合：测定聚合物酸值达一定值后， 人工加入催化剂反应 30分钟，启动真空泵对反应 釡抽真空以降低酸值提高聚合物分子量， 打开氮气控制阀向反应釡通入氮气， 氮气作用是防 止釡内物料氧化，同时起到搅拌作用；C ：缩聚合：启动油封式真空泵增加真空度除去残余的水分子和小分子醇，提高聚合物分子 量；。
（2 ）水性聚氨酯合成工艺流程说明水性聚氨酯树脂合成采用预聚体分散法，由聚酯多元醇和异氰酸酯常压下预聚， 预聚体经中和剂中和后， 在较低温度下向预聚体中加入溶有扩链 剂的去离子水，边扩链边分散制备而来。
水性聚氨酯工业合成工艺流程
水性聚氨酯工业合成工艺流程英文回答：Waterborne polyurethane (WPU) is a type of polyurethane that is dispersed in water instead of being dissolved in organic solvents. The industrial synthesis process of WPU involves several steps.1. Prepolymer Preparation: The first step is the preparation of the prepolymer. This involves the reaction of a polyol with an excess of diisocyanate. The polyol can be a polyester or a polyether, and the diisocyanate is typically MDI (methylene diphenyl diisocyanate) or TDI (toluene diisocyanate). The reaction between the polyol and diisocyanate forms a prepolymer with isocyanate groups.2. Chain Extender Addition: In this step, a chain extender is added to the prepolymer. The chain extender is typically a short-chain diol, such as 1,4-butanediol or ethylene glycol. The addition of the chain extender reactswith the isocyanate groups in the prepolymer, resulting in the formation of urethane linkages. This step helps to increase the molecular weight and improve the mechanical properties of the WPU.3. Emulsification: After the chain extender addition, the prepolymer is emulsified in water to form a stable dispersion. This is typically achieved by using asurfactant or an emulsifier. The emulsification process helps to disperse the WPU particles in water and stabilize the dispersion.4. Neutralization and Crosslinking: The next step involves neutralization and crosslinking of the WPU dispersion. This is done by adding a neutralizing agent, such as ammonia or amines, to the dispersion. The neutralizing agent reacts with the remaining isocyanate groups, resulting in the formation of urea linkages. This step helps to improve the water resistance and film-forming properties of the WPU.5. Film Formation: The final step is the film formationprocess. The WPU dispersion is applied onto a substrate, such as a metal or a polymer, and the water is evaporated. As the water evaporates, the WPU particles come into close contact and coalesce to form a continuous film. This film can then be further cured or dried to achieve the desired properties.水性聚氨酯（WPU）是一种以水为分散介质而不是有机溶剂的聚氨酯。
水性聚氨酯涂料的合成
水性聚氨酯涂料的合成原理
水性聚氨酯涂料是一种能够在水中实现聚合反应而成的有机涂料，其核心原理为：使用形式为2-氨基乙烷(AA)、硬脂酸(HA)和聚氨酯(PU)的单体，利用活性水作为介质，以及由硬化剂产生的离子力与单体之间形成的弱离子交互作用，使各单体之间发生聚合反应。
聚合反应的具体过程如下：
1、聚氨酯的单体，如2-氨基乙烷、硬脂酸和聚氨酯，各自产生不同的离子，将其在活性水中混合，使其形成弱离子交互作用，使单体之间发生聚合反应。
2、在此过程中，水会吸收周围的气体，形成空气团，使得涂料表面获得不同程度的光泽和细节，实现不同的装饰效果。
3、硬化剂的反应速度较快，在聚合反应的过程中，不断释放出大量热量，使涂料在迅速凝固，形成牢固的保护膜，有效防止被污染。
4、最后，涂料中的水会被完全蒸发掉，形成牢固的保护膜，有效避免污染物侵入，实现长久耐用的装饰效果。
水性聚氨酯工业合成工艺流程
水性聚氨酯工业合成工艺流程
一、原料准备
1. 按照反应计划计算所需的多元醇、多元异氰酸酯类原料规格和数量。
2. 检测多元醇和多元异氰酸酯类原料的物理化学指标,检查是否达到合成要求。
3. 加载检测合格的多元醇和多元异氰酸酯类原料到料槽内。
二、原料混合、反应
1. 将多元醇和催化剂导入搅拌反应器内,开始混合。
2. 在过程中,逐步加入准备好的多元异氰酸酯类原料,形成原料混合液。
3. 控制温度在约35°左右,进行室温下的反应4~6小时。
4. 反应结束后,进行取样检测聚合度是否达到目标值。
三、处理分馏
1. 反应液进入离心机进行分离,去除残留的多余的多元异氰酸酯类原料。
2. 离心后液体进入真空打浆机进行脱气,除去生成的副产物2。
3. 脱气液体进入蒸馏塔进行进一步分馏,去除残余的有害物质。
4. 分离出的水性聚氨酯产品进行物理化学检测,确保指标合格。
五、产品装瓶打包
1. 通过色差机和粘度检测试验的聚氨酯产品进入塑料包装机内装瓶。
2. 装瓶好的产品进行打印 ,成为成品通过检验后出厂发货。
以上就是水性聚氨酯的基本工艺流程。
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5 水性聚氨酯的制备方法
5.Байду номын сангаас 丙酮法
先用多元醇与二异氰酸酯反应制成端基是NCO的高 粘度预聚体，加入助溶剂如丙酮使其粘度降低，然后 用亲水性单体扩链，在高速搅拌下加入水进行乳化。
5 水性聚氨酯的制备方法
5.2 预聚体分散法： 合成以-NCO为端基的预聚体，当相对分子量 不太大而且粘度较小时，不加或只加入少量 溶剂，先用亲水单体部分扩链，在高速搅拌 下将其分散于水中，再用反应性高的二胺类 物质进行扩链。
4 水性聚氨酯的分类
4.2.3 非离子型WPU 非离子型水性聚氨酯，即分子中不含离子基团的水 性聚氨酯。其制备方法有：a.普通聚氨酯预聚体或 聚氨酯有机溶液在乳化剂存在下进行高剪切力强制 乳化；b.制成分子中含有非离子型亲水性链段或亲 水性基团，亲水性链段一般是中低分子量聚氧化乙 烯亲，水性基团一般是羟甲基。 4.2.4 混合型WPU 聚氨酯分子中同时含有离子型或非离子型基团等。
5 水性聚氨酯的制备方法
5 水性聚氨酯的制备方法
水性聚氨酯的制备方法有外乳化和自乳化两种。 外乳化法是采用外加乳化剂，在高剪切力存在下将 聚氨酯预聚体分散于水中的强制乳化方法。该法得 到的乳液粒径较大（0.7～3μm），储存稳定性差。 且产品中有乳化剂残留，影响质量。 自乳化法即在聚合物链上引入适量的亲水基团，在 一定条件下自发分散形成乳液。可分为以下几种：
5 水性聚氨酯的制备方法
以上的自乳化法中以丙酮法和预聚体分散法 较为成熟。
谢谢！
下一讲 水性聚氨酯的改性
3.2 低聚物多元醇 水性聚氨酯合成用低聚物多元醇主要包括聚醚型、 聚酯型两大类，它构成聚氨酯的软段。 3.3 扩链剂 为了调节分子量及软、硬段比例，在水性聚氨酯合 成中常使用扩链剂。扩链剂主要是多官能度醇类或 胺类化合物
3 水性聚氨酯的原料
3.4 亲水剂(亲水性扩链剂） 亲水性扩链剂指能在水性聚氨酯大分子主链上引入 亲水基团的扩链剂，它是水性聚氨酯制备中使用的 功能单体。该类扩链剂中带有羧基、磺酸基或叔胺 基，结合有此类基团的聚氨酯经中和、离子化，即 呈现水溶性。 3.5 中和剂（成盐剂） 中和剂是一种能和羧基、磺酸基或叔胺基成盐的试 剂。水性聚氨酯使用的中和剂是三乙胺、盐酸等。
表3.1.1 水性聚氨酯形态分类 名称 水溶液 分散液 乳液
状态
外观 粒径，μm 分子量
溶解~胶体
透明 <0.001 1000~10000
分散
半透明乳白 0.001～0.1 数千～20万
分散
白浊 >0.1
>5000
4 水性聚氨酯的分类
4.2 以亲水性基团的性质分类 根据WPU分子侧链或主链上是否含有离子基团，即 是否属于离子键聚合物，WPU可分为阴离子型、阳 离子型、非离子型。 4.2.1 阴离子型WPU 阴离子型水性聚氨酯可细分为羧酸型、磺酸型，多 为侧链含阴离子基团。 这里简单介绍羧酸型WPU的一种制备过程：
4 水性聚氨酯的分类
水性聚氨酯预聚体的制备
预聚体与二羟甲基丙酸(DMPA)扩链反应引入亲水基—COOH
4 水性聚氨酯的分类
在水性聚氨酯中加入三乙胺，可与聚氨酯大分子的侧基反应生成盐，其水解后生 成阴离子型水性聚氨酯
加入乙二胺扩链
4 水性聚氨酯的分类
4.2.2 阳离子型WPU 阳离子型WPU一般是指主链上含有铵离子(一般为 季铵离子）或锍离子的水性聚氨酯，绝大多数情况 是季铵阳离子。主链含铵离子的WPU的制备一般以 采用含叔胺基团扩链剂为主，叔胺以及仲胺经酸或 烷基化试剂的作用，形成亲水的铵离子。还可通过 含氨基的聚氨酯与环氧氯丙烷及酸反应而形成铵离 子。
2 聚氨酯化学
2 聚氨酯化学
聚氨酯的合成是以异氰酸酯的化学反应为基础的， 其所发生的主要反应是异氰酸酯与活泼氢化合物的 反应。 2.1 异氰酸酯的反应机理 由于有机异氰酸酯化合物的异氰酸酯基团（-NCO） 含有高度不饱和键，因而化学性质非常活泼。异氰 酸酯与活泼氢化合物的反应机理是由活泼氢化合物 分子中的亲核中心进攻-NCO基的碳原子而引起的。
水性聚氨酯的制备方法
杨小瑞 12721692
目录
• • • • • 1 水性聚氨酯发展历程 2 聚氨酯化学 3 水性聚氨酯的原料 4 水性聚氨酯的分类 5 水性聚氨酯的合成方法
1水性聚氨酯的发展历程
1 聚氨酯的发展历程
聚氨酯即聚氨基甲酸酯（PU）是分子结构中含有重 复单元（-NHCOO-）的聚合物的总称。起初是在 1937年德国化学家奥托· 拜尔（Otto Bayer）博士合 成的。 水性聚氨酯是相对于溶剂型聚氨酯而言的，它是聚 氨酯粒子分散在连续相（水）中的二元胶体体系， 和普通聚氨酯一样，属于（AB）n型嵌段聚合物。 在1943年由西德人P.Schlack首次成功制备。1967
1水性聚氨酯的发展历程
聚氨酯乳液首次实现工业化并在美国市场问世， 1972年Bayer公司率先将聚氨酯水乳液用作皮革涂 饰剂，水性聚氨酯开始成为重要商品。 水性聚氨酯虽然历史不长，但由于其本身所具有的 无毒、不易燃烧、无污染及不易擦伤被涂饰表面等 优点，其发展非常迅速。同时出现了一系列工业化 产品，成功应用于皮革涂饰、纸张图层、钢材防锈 和纤维木材处理等领域。特别是近年来，溶剂价格 的高涨和人们环保意识的增强，使WPU成为PU一 个重要的发展方向。
3 水性聚氨酯的原料
3.6 助溶剂 水性聚氨酯预聚体制备时粘度较大，为方便传质、 传热，尤其是后期的乳化，必须加入适当的溶剂以 降低粘度，助溶剂一般为丙酮。 3.7 水 水性聚氨酯中水是分散介质，为提高稳定性，此时 应使用去离子水或蒸馏水。
4 水性聚氨酯的分类
4 WPU的分类
由于PU原料和配方的多样性，致使水性聚氨酯品种 繁多，可按多种方法分类，这里简单介绍几种。 4.1 按外观分类
5 水性聚氨酯的制备方法
5.3 熔融分散法 不需有机溶剂，先合成带有亲水基团和-NCO 端基的预聚体，经季铵化和羟甲基化处理后， 在熔融状态下将其分散于水中制成聚氨酯乳液
5 水性聚氨酯的制备方法
5.4 酮亚胺/酮连氮法
用封闭型二胺和封闭型联氨作为潜在扩链剂，加到 亲水性的NCO端基预聚物中，二者不发生反应。当 加水分散该混合物时，由于酮亚胺水解速度比NCO 与水反应速度快，释放出的二元胺与预聚物反应， 生成高分子量的聚氨酯-脲分散体。酮亚胺法的另一 变化是用酮连氮作潜在扩链剂。
2 聚氨酯化学
示意性反应如下：
3 水性聚氨酯的原料
3 WPU的原料 3.1 多异氰酸酯 水性聚氨酯合成的多异氰酸酯包括芳香族和脂肪族 两大类。芳香族主要有TDI（甲苯二异氰酸酯）、 MDI（二苯基甲烷二异氰酸酯）；脂肪族主要有HDI （六亚甲基二异氰酸酯）、IPDI（异佛尔酮二异氰 酸酯）。
3 水性聚氨酯的原料