第六章--聚氨酯树脂

第六章 聚氨酯树脂

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第一节 概 述

1937年，德国化学家Otto Bayer 及其同事用二或多异氰酸酯和多羟基化合物通过聚加成反应合成了线形、支化或交联型-聚合物，即聚氨酯，标志着聚氨酯的开发成功。其后的技术进步和产业化促进了聚氨酯科学和技术的快速发展。最初使用的是芳香族多异氰酸酯(甲苯二异氰酸酯),60年代以来，又陆续开发出了脂肪族多异氰酸酯。聚氨酯树脂在涂料、黏合剂及弹性体行业取得了广泛、重要的应用。据有关文献报道，在全球聚氨酯产品的消耗总量中，北美洲和欧洲占到70％左右，美国人均年消耗聚氨酯材料约5.5kg ，西欧约4.5kg 。而我国的消费水平还很低，年人均不足0.5kg ，具有极大发展空间。

聚氨酯(polyurethane)大分子主链上含有许多氨基甲酸酯基(

NH C O

O

)。它由二（或多）异氰酸酯、

二（或多）元醇与二（或多）元胺通过逐步聚合反应生成，除了氨基甲酸酯基(简称为氨酯基，

NH

C

O O

)

外，大分子链上还往往含有醚基（

O

）、酯基（

O

O

）、脲基（

NH C

O

NH －）、

酰胺基（

NH

C

O

）等基团，因此大分子间很容易生成氢键。

聚氨酯是综合性能优秀的合成树脂之一。由于其合成单体品种多、反应条件温和、专一、可控、配方调整余地大及其高分子材料的微观结构特点，可广泛用于涂料、黏合剂、泡沫塑料、合成纤维以及弹性体,已成为人们衣、食、住、行以及高新技术领域必不可少的材料之一，其本身已经构成了一个多品种、多系列的材料家族，形成了完整的聚氨酯工业体系，这是其它树脂所不具备的。

第二节 聚氨酯化学

一、异氰酸酯的反应机理

异氰酸酯指结构中含有异氰酸酯（－NCO ，即-N==C==O ）基团的化合物,其化学活性适中。一般认为异氰酸酯基团具有如下的电子共振结构：

R N

C O O C N

R O C

N

R

根据异氰酸酯基团中N 、C 、O 元素的电负性排序：O(3.5)>N(3.0)>C(2.5),三者获得电子的能力是：O ＞N ＞C 。另外：—C=O 键键能为733kJ/mol,-C=N-键键能为553kJ/mol,所以碳氧键比碳氮键稳定。

因此，由于诱导效应在-N=C=O 基团中氧原子电子云密度最高，氮原子次之，碳原子最低，碳原子形成亲电中心，易受亲核试剂进攻，而氧原子形成亲核中心。当异氰酸酯与醇、酚、胺等含活性氢的亲核试剂反应时，-N=C=O 基团中的氧原子接受氢原子形成羟基，但不饱和碳原子上的羟基不稳定，经过分子内重排生成氨基甲酸酯基。反应如下：

二、异氰酸酯的反应

异氰酸酯基团具有适中的反应活性，涂料化学中常用的反应有异氰酸酯基团与羟基的反应，与水的反

应，与胺基的反应，与脲的反应，以及其自聚反应等。

其中多异氰酸酯同羟基化合物的反应尤为重要，其反应条件温和，可用于合成聚氨酯预聚体、多异氰酸酯的加和物以及羟基型树脂（如羟基丙烯酸树脂、羟基聚酯和羟基短油醇酸树脂等）的交联固化。配漆时n NCO :n OH 一般在1～1.05：1。水性化多异氰酸酯用于水性羟基组分的交联，此时n NCO :n OH 一般在1.2～1.6：1。

异氰酸酯基和水的反应机理如下：

R NCO+R N H C O

OH H 2O

R N H C O

OH

R

NH 2+CO 2

该反应是湿固化聚氨酯涂膜的主要反应，也用于合成缩二脲以及芳香族异氰酸酯基的低温扩链合成水性聚氨酯。脂肪族异氰酸酯基活性较低，低温下同水的反应活性较小。一般的聚氨酯化反应在500C －1000C 反应，水的分子量又小，微量的水就会造成体系中NCO 基团的大量损耗，造成反应官能团的摩尔比变化，影响聚合度的提高，严重时导致凝胶，因此聚氨酯化反应原料、盛器和反应器必须做好干燥处理。

异氰酸酯基和胺的反应生成脲，反应如下：

R N H 2N R ,

R N

H

C

O N R ,H C

O +

取代脲氮原子上的活性氢可以继续与异氰酸酯基反应生成二脲、三脲等，聚脲通常为白色的不溶物，因此可用苯胺检验NCO 基的存在。反应温度对脲的生成影响较大，如在制备缩二脲时，反应温度应不高于1000C 。异氰酸酯基和胺的反应常用于脂肪族水性聚氨酯合成时预聚体在水中的扩链，此时胺基的活性远大

于水的活性，通过脲基生成高分子量的聚氨酯。另外，位阻胺（如MOCA ，即3，3′-二氯-4，4′

-二氨基二苯基甲烷）活性适中，可以同预聚体的NCO 基在室温反应。

芳香族异氰酸酯基在100℃以上可以和聚氨酯化反应所生成的氨基甲酸酯基反应生成脲基甲酸酯。所以聚氨酯化反应的反应温度应低于100℃，以防止脲基甲酸酯的生成而导致支化和交联。

异氰酸酯还可以发生自聚反应。其中芳香族的异氰酸酯容易生成二聚体－脲二酮：

Ar NCO Ar

N C

C O N Ar

OCN +

该二聚反应是一个可逆反应，高温时可以分解。

在催化剂存在下，二异氰酸酯会聚合成三聚体，其性质稳定、漆膜干性快，属于高端的双组分聚氨酯涂料的多异氰酸酯固化剂，预计其应用将不断增长。三聚反应是不可逆的，其合成催化剂主要有叔胺、三烷基磷、碱性羧酸盐等。二异氰酸酯合成三聚体时可以用一种单体也可以用混合单体，如德国Bayer 公司的Desmoder HL 就是TDI 和HDI 合成的混合型三聚体。