聚氨酯合成工艺教学讲义

聚氨酯合成工艺路线

O 前言

聚氨酯是现今合成高分子材料中应用较为广泛、用量较大的一大类合成树脂．按其所制得产品的物理形态可分为弹性体、泡沫、涂料、粘结剂等类。

1 主要原料

聚乙二醇（PEG）Mn=2000g/mol；二异氰酸酯甲苯（TDI）；1，4-丁二醇（BDO）；

二丁基锡二月桂酸酯（DBTDL）。

2合成路线

2NCO

C N R2

H

O

N C

O

O

H

R1O*

*

n

氨基甲酸酯

R2N C

O

O

H

R3O C N

H

O

O R1O C N

H

O

R2N C

O

H

*

n-1

氨基甲酸酯氨基甲酸酯

R

2N C

O

H

R

4N C N

H

O

O R1O C N

H

O

R2N C

O

H

n-1

氨基甲酸酯

**

H H

脲脲

软段硬段

线性聚氨酯

硬段

在此，我们采用二元醇BDO对预聚体进行扩链反应。

扩链反应后所得的聚氨酯中的硬段部分再发生交联反应后就可得到交联聚氨。

预聚反应：

交联反应：

R 2

N

C

O

H

O

R 1

O

N

H O

R 2

N C

O

O

R 3

O C

N

H O

O

R 1

O

N

H O

R 2

N

C

O H n-1

R 2

N

C

O O

R 3

O C

N

H O O

R 1

O

C

N

H O

R 2

N

C

O H n-1

硬C N O H

N H C

O 2

2.1 聚醚脱水

准确称量一定质量的PEG 于500mL 的三口烧瓶中，升温并抽真空，在内温为110~115℃①，真空度133.3Pa 的条件下，脱水1.5小时②，然后冷却至50℃以下，放入干燥的仪器内密闭保存备用。

说明：①PEG 在125℃会分解，故脱水时温度不能高于此分解温度，应控制在110~115℃。

②异氰酸酯与水反应后会使预聚物的粘度增大，进而使预聚物的贮存稳定性显著降

低。所以在实验过程中对多元醇等原材料的含水量和环境湿度都有严格要求。合成前要将PEG 加热真空脱水，并对实验仪器进行干燥脱水，反应还要在干燥氮气保护下进行，以避免空气湿度的影响。

2.2 预聚反应

在干燥三口烧瓶的按配方量①将TDI 溶液滴入已经脱水的PEG 聚醚溶液中②，再加入微量的催化剂DBTDL ③，搅拌均匀后，此时不加热④，自动升温约半小时后到(80±5)℃⑤，恒温计时反应2h 得到预聚物，密封保存。

说明：①配方为： n （-NCO ）/ n （-OH ）=1.85~1.90。若TDI 过少不仅会使得PEG 两端不

能都均匀的接上TDI ，还会因为游离的TDI 减少，减少了低聚物链段运动空间，从而使得预聚体的粘度增大，影响了预聚体的加工性能和最终制品的物理机械性能。若TDI 过多，游离的TDI 增多，用BDO 扩链时，游离的TDI 会与之反应，使得反应初期粘度急剧升高，导致产品的加工性能变差。

②这样使反应分步进行，且反应活性弱，即低聚物多元醇与TDI 的预聚反应有足够的时间进行，反应比较完全，得到的预聚体再与扩链剂反应，这种情况下就比较容易形成大分子的有规律排列。

③PEG 的反应活性低，加入催化剂能降低反应活化能，加快反应进程，控制-OH 副反应的

发生。由于DBTDL 催化活性大，，故只能加入微量催化剂。

硬段交联反应后：

④-NCO和-OH反应放热量大（△H=100kJ/mol）。单纯用异氰酸酯和聚合物多元醇一

步法反应，要放出大量的热，使制品内部老化，同时分解放出低分子物质，使制品成泡沫状，制品变成废品。故采用预聚体预聚法，且不需要再加热，生产过程中操作平稳，没有过热现象。

⑤在70℃预聚时，温度低，反应不完全，体系的流动性差，表观粘度大，一NCO含

量高于理论值，即使反应2．5 h也达不到设计要求；在90℃预聚时，温度过高， NC0基团迅速减少，反应生成的一NHC0—一部分又进一步与未反应的一NCO反应生成脲，使一NCO含量明显低于理论值，体系的粘度也比80℃时的粘度大。故预聚温度控制在(80±5)℃，反应时间为1．5～2 h。

2.3 扩链反应

将PEG和TDI反应得到的预聚体降温至60℃，逐渐滴加入已融化的扩链剂BDO①迅速混合，待温度升至80℃②，停止搅拌，同时抽真空脱去气泡③，发生扩链反应。再降温至40℃加入二丁胺中和，在高速剪切条件下加水乳化30min，得到水性聚氨酯乳液。

说明：①得到预聚体后，再采用低分子二元醇类化合物作扩链剂时是逐渐加入的，反应平稳，易于形成硬链段与硬链段及软链段与软链段之问较为有序的排列，大分子间具

有较大的相互作用和较好的微相分离程度。

②反应温度太低扩链反应会不完全，反应温度过高会进一步发生交联反应，得到

超高分子量的聚氨酯。

③ BPO接到预聚体两边会生成水，水不仅会与TDI反应，还会阻止平衡向右移动，

因此要抽真空脱去气化的水。气泡的存在还会影响后面的成膜，使得膜不光滑甚至

会出现破裂，因此脱除气泡尤为重要。

2.4成膜反应

取表面平整的玻璃板，洗净并置于烘箱中烘干，然后按GB/TI727一92《涂膜一般备法》制备涂膜。将刷涂好的玻璃板在恒温恒湿的鼓风烘箱中于60℃烘24h①，然后取出至于室温下自然风干。按照GB/T1764一79《色漆和清漆涂膜厚度的测定》测得涂膜厚度为1nm，再进行测。

说明:①温度太低无法达到交联反应所需的温度，达不到所需的交联度；温度太高，会交联过度，得到的薄膜性能较差。

3性能测试

3.1 分子量的控制

通过预设一个反应时间，得到聚合物后，通过凝胶渗透色谱（GPC）测定分子量，以二甲基甲酰胺①为流动相，用一个已知的聚氯醋重均分子量 (Mw)和数均分子量 (Mw)作为宽分布标样进行色谱分析，同时根据氰基与羟基的投料比来计算理论的分子量，二者对比，然后根据分子量与反应时间的关系，选定合适的反应时间从而得到分子量为16000g/mol的目标聚氨酯聚合物。。

在 740型数据处理机上，把经验校正曲线转化为本实验色潜系统新的校正曲线，再在此校正曲线上测量未知聚氨酯样品的分子量及其分布。最终确定氰基与羟基的投料比为：n（-NCO）/ n（-OH）=1.85~1.90。