专利名称：一种凹凸棒石/聚氨酯复合材料的制备方法
技术领域：
本发明涉及非金属矿的深加工及高分子材料应用技术领域，特别是一种凹凸棒石 /聚氨酯复合材料的制备方法。
背景技术：
聚氨酯因具有优异的机械力学性能、抗低温、耐油、耐磨和对各种基材良好的粘附性等优点而被广泛应用于涂料、胶粘剂以及油墨等各个行业。溶剂型聚氨酯往往含有挥发性有机物质而污染环境，危害人体健康。水性聚氨酯具有环保、不燃等优点，因此具有广泛的发展前景。然而水性聚氨酯由于其自身结构而存在许多不足之处，如初粘力低、乳液稳定能差以及成膜后硬度低等缺点，从而大大限制了其使用范围。中国专利CN101245222A公开了一种纳米膨润土改性水性聚氨酯涂料的方法，其技术方案是将聚氨酯预聚体与纳米膨润土分散液直接共混，在一定程度上提高了聚氨酯物理机械性能，然而纳米膨润土并未经过有机改性，只是简单的与有机相共混，这使得膨润土与体系相容性差，乳液的稳定性得不到有效保障。中国专利CN101565588B提出了一种有机凹凸棒土 -水性聚氨酯纳米复合皮革涂饰剂的制备方法，该法首先对凹凸棒石疏水化有机表面改性，然后利用共混或原位聚合法制备了凹凸棒土-水性聚氨酯纳米复合皮革涂饰剂。然而该方法在制备有机凹凸棒土时选用了酸化处理，所产生的废酸污染环境，如另作处理，成本增加；此外，该专利提出了先制备凹凸棒土 /多元醇分散液，再加入多异氰酸酯，这种方法不能在凹凸棒石与聚氨酯界面之间产生化学键合作用，不能充分体现凹凸棒土的特殊功能。
发明内容
本发明的要解决的技术问题是解决现有的水性聚氨酯初粘力低、乳液稳定能差以及成膜后硬度低的技术问题，本发明提供一种凹凸棒石/聚氨酯复合材料的制备方法， 本发明制备的凹凸棒石/聚氨酯复合材料力学性能好，成膜后硬度高。本发明解决其技术问题所采用的的技术方案是一种凹凸棒石/聚氨酯复合材料的制备方法其首先用有机表面改性剂对纳米凹凸棒石粉体进行有机表面杂化改性，再将有机表面杂化改性后的有机纳米凹凸棒石粉体加入到异氰酸酯单体中进行分散处理，制成有机纳米凹凸棒石/异氰酸酯单体分散液，再向有机纳米凹凸棒石/异氰酸酯单体分散液中分批加入多元醇，经扩链反应，制得凹凸棒石/聚氨酯复合材料。前述的凹凸棒石/聚氨酯复合材料的制备方法，其具体工艺步骤如下1)凹凸棒石的有机表面改性将纳米凹凸棒石粉体、去离子水和有机表面改性剂混合均勻，其中去离子水与纳米凹凸棒石粉体质量比为0.6 1.5 1，有机表面改性剂与纳米凹凸棒石粉体质量比为 0.05 0.2 1，机械挤压1 3小时，在105 135°C干燥2 10小时，粉碎，制得有机纳米凹凸棒石粉体；2)有机纳米凹凸棒石/异氰酸酯单体分散液的制备
将步骤1)所得的纳米有机凹凸棒石粉体加入到异氰酸酯单体中，在温度30 70°C下分散处理1 5小时，制得有机纳米凹凸棒石/异氰酸酯单体分散液，其中有机纳米凹凸棒石粉体与异氰酸酯单体质量比为0.05 0.3 1。3)凹凸棒石/聚氨酯复合材料的制备下述的异氰酸酯均指步骤2、中加入的异氰酸酯单体总量；①向步骤2、所得的有机纳米凹凸棒石/异氰酸酯单体分散液中加入经脱水处理的第一批多元醇，其中羟基与异氰酸酯基的摩尔数之比为0.15 0.45 1;加入催化剂， 其中催化剂用量与异氰酸酯和第一批加入多元醇的总质量之比为0.001 0.0025 1，保持反应温度阳 95°C，搅拌反应0. 5 2小时；接着加入第一批扩链剂进行扩链反应，其中加入的扩链剂的量与异氰酸酯和第一批加入多元醇的总质量之比为0.005 0.03 1， 保持体系温度45 85°C，保温反应1 3小时；②继续向上述反应液中加入第二批多元醇，其中羟基与异氰酸酯基的摩尔数之比为0.25 0.5 1，保温反应2 4小时，接着加入第二批扩链剂，其中加入的扩链剂的量与异氰酸酯和第二批加入多元醇的总质量之比为0.002 0.01 1，保温反应0.5 2小时，滴加质量百分浓度为10 30%的酸性或碱性中和剂溶液，使得体系pH值为6. 0 8. 0， 保持温度不变，继续搅拌反应10 40分钟，冷却至室温得凹凸棒石/聚氨酯复合材料。作为优选，前述的有机表面改性剂为带氨基的硅烷偶联剂。带氨基的硅烷偶联剂水解后，一方面，其硅羟基可以与纳米凹凸棒石表面羟基发生脱水缩合形成Si-O-Si键；另一方面，氨基易与异氰酸酯单体中的-NCO结合起来，形成-NH-CO-NH-化学键。这就使得纳米凹凸棒石和下步反应生成的聚氨酯之间的结合性能更好。作为优选，前述的分散处理为胶体磨分散、砂磨分散、高剪切乳化机分散或超声分散。作为优选，前述的异氰酸酯为甲苯二异氰酸酯、二苯基甲烷二异氰酸酯、异佛尔酮二异氰酸酯、三苯基甲烷三异氰酸酯、多苯基多亚甲基多异氰酸、六亚甲基-1，6-二异氰酸酯、甲基环己基二异氰酸酯或间苯二甲基二异氰酸酯。作为优选，前述的多元醇为其分子量为1000 5000的聚酯二元醇、聚醚二元醇或分子量小于1000的多元醇聚合物。作为优选，前述的催化剂为叔胺类化合物、有机金属化合物、有机磷、冰醋酸或酚钠。作为优选，前述的叔胺类化合物为三乙烯四胺、三乙醇胺或甲基二乙醇胺；所述的有机金属化合物为二丁基二月桂酸锡、辛酸钙、辛酸铅、环烷酸钴或环烷酸锌等；所述的有机磷为三丁基磷或三乙基磷。作为优选，前述的扩链剂为多羟基磺酸钠盐类、多羟基磺酸钾盐类、多羟基羧酸类、多羟基羧酸钠盐类、多羟基羧酸钾盐类、多氨基酚类、多氨基酸类、多氨基羧酸钠盐类、 多氨基羧酸钾盐类、多氨基磺酸钠盐类或多氨基磺酸钾盐类化合物。作为优选，前述的酸性中和剂溶液为盐酸溶液、硫酸溶液、磷酸溶液或乙二酸溶液；所述的碱性中和剂溶液为氢氧化钠溶液、氢氧化钾溶液、氨水或三乙胺溶液。本发明的有益效果是1、本发明先用氨基硅烷偶联剂改性纳米凹凸棒石粉体，再制备有机纳米凹凸棒石/异氰酸酯单体分散液，这样做的方面好处是有机硅烷偶联剂将纳米凹凸棒石粉体和反应单体异氰酸酯以化学键的形式连接起来，增强了凹凸棒石与聚氨酯树脂的界面结合性能，有利于改善凹凸棒石/聚氨酯复合材料的力学性能。2、本发明选择分批加入多元醇，经扩链反应，制备凹凸棒石/聚氨酯复合材料，这有利于在充分反应的同时提高复合材料的交联度，从而提高了复合材料的整体应用性能。3、本发明所选用的纳米凹凸棒石还起到了提高复合材料成膜后的硬度的作用，所制备的凹凸棒石/聚氨酯复合材料可广泛用于胶粘剂、涂料等领域。
具体实施例方式下面结合实施例和比较例，以具体说明一种凹凸棒石/聚氨酯复合材料的制备方法，但不限制本发明的范围。(答同意把“”变成“。”)实施例11、将10千克纳米凹凸棒石粉体、15千克去离子水、0.50千克氨丙基三乙氧基硅烷混合均勻，机械挤压1小时，在105°C的条件下干燥10小时，粉碎，制得有机纳米凹凸棒石粉体；2、将步骤1所得的有机有机纳米凹凸棒石粉体中加入到33. 33千克甲苯二异氰酸酯单体中，在温度为30°C下砂磨分散处理5小时，制得有机纳米凹凸棒石/异氰酸酯单体分散液；3、向步骤2所制得的有机纳米凹凸棒石/异氰酸酯单体分散液中加入172. 25千克经脱水处理的聚碳酸-1，6-己二醇酯二醇(PHMCD-2000)和0. 51千克三丁基磷，保持反应温度55°C，搅拌反应2小时，接着加入6. 17千克乙二胺基乙基羧酸钠，保持体系温度 450C，保温反应3小时后；再加入95. 69千克聚碳酸_1，6-己二醇酯二醇，保温反应4小时， 最后加入0. 26千克乙二胺基乙基羧酸钠，保温反应2小时，滴加质量百分浓度为10%的磷酸溶液调节体系PH值为8. 0，继续搅拌反应10分钟，冷却至室温得凹凸棒石/聚氨酯复合材料。实施例21、将5千克纳米凹凸棒石粉体、3千克去离子水、1千克脲基丙基三乙氧基硅烷混合均勻，机械挤压3小时，在135°C的条件下干燥2小时，粉碎，制得有机纳米凹凸棒石粉体；2、将步骤1所得的有机纳米凹凸棒石粉体中加入到100千克二苯基甲烷二异氰酸酯单体中，在温度为70°C下采用高剪切乳化机进行分散处理1小时，制得有机纳米凹凸棒石/异氰酸酯单体分散液；3、向步骤2所制得的有机纳米凹凸棒石/异氰酸酯单体分散液中加入59. 94千克经脱水处理的聚四亚甲基醚二醇(PTMEG-1000)和0. 16千克三乙醇胺，保持反应温度95°C， 搅拌反应0. 5小时，接着加入0. 80千克1，4- 丁二醇-2-磺酸钠，保持体系温度85°C，保温反应1小时后；再加入199. 79千克聚四亚甲基醚二醇，保温反应2小时，最后加入2. 99千克1，4_ 丁二醇-2-磺酸钠，保温反应0. 5小时，滴加质量百分浓度为30%的乙二酸溶液调节体系PH值为6. 0，继续搅拌反应40分钟，冷却至室温得凹凸棒石/聚氨酯复合材料。实施例3
1、将15千克纳米凹凸棒石粉体、12千克去离子水、4. 5千克苯胺基甲基三乙氧基硅烷混合均勻，机械挤压2. 5小时，在130°C的条件下干燥4小时，粉碎，制得有机纳米凹凸棒石粉体；2、将步骤1所得的有机纳米凹凸棒石粉体中加入到85. 71千克六亚甲基_1，6_ 二异氰酸酯单体中，在温度为50°C下超声分散处理2小时，制得有机纳米凹凸棒石/异氰酸酯单体分散液；3、向步骤2所制得的有机纳米凹凸棒石/异氰酸酯单体分散液中加入163. 06千克经脱水处理的聚乙二醇(PEG-800)和0. 37千克苯酚钠，保持反应温度70°C，搅拌反应 1. 5小时，接着加入2. 49千克2，6- 二氨基己酸，保持体系温度75°C，保温反应2. 5小时后； 再加入122. 30千克聚乙二醇，保温反应3. 5小时，最后加入0. 83千克2，6- 二氨基己酸，保温反应1. 5小时，滴加质量百分浓度为20%的氢氧化钾溶液调节体系pH值为7. 0，继续搅拌反应25分钟，冷却至室温得凹凸棒石/聚氨酯复合材料。实施例41、将10千克纳米凹凸棒石粉体、10千克去离子水、1千克氨乙基氨丙基三乙氧基硅烷混合均勻，机械挤压2小时，在120°C的条件下干燥6小时，粉碎，制得有机纳米凹凸棒石粉体；2、将步骤1所得的有机纳米凹凸棒石粉体中加入到50千克异佛尔酮二异氰酸酯单体中，在温度为55°C下胶体磨分散处理3小时，制得有机纳米凹凸棒石/异氰酸酯单体分散液；3、向步骤2所制得的有机纳米凹凸棒石/异氰酸酯单体分散液中加入121. 46千克经脱水处理的聚己二酸-1，4- 丁二醇酯二醇(PBA-1800)和0. 30千克二丁基二月桂酸锡，保持反应温度80°C，搅拌反应1小时，接着加入3千克二羟甲基丙酸，保持体系温度 65°C，保温反应2小时后；再加入151. 83千克聚己二酸_1，4-丁二醇酯二醇，保温反应3小时，最后加入1. 21千克二羟甲基丙酸，保温反应1小时，滴加质量百分浓度15%的氢氧化钠溶液调节体系PH值为7. 5，继续搅拌反应30分钟，冷却至室温得凹凸棒石/聚氨酯复合材料。比较例1在比较例1中，将实施例4中的硅烷有机改性工序去除，其他操作均与实施例4相同，具体操作步骤如下1、将10千克纳米凹凸棒石粉体中加入到50千克异佛尔酮二异氰酸酯单体中，在温度为55°C下胶体磨分散处理3小时，制得有机纳米凹凸棒石/异氰酸酯单体分散液；2、向步骤2所制得的有机纳米凹凸棒石/异氰酸酯单体分散液中加入121. 46千克经脱水处理的聚己二酸-1，4- 丁二醇酯二醇(PBA-1800)和0. 30千克二丁基二月桂酸锡，保持反应温度80°C，搅拌反应1小时，接着加入3千克二羟甲基丙酸，保持体系温度 650C，保温反应2小时后；再加入151. 83千克聚己二酸_1，4- 丁二醇酯二醇，保温反应3小时，最后加入1. 21千克二羟甲基丙酸，保温反应1小时，滴加质量百分浓度为15%的氢氧化钠溶液调节体系PH值为7. 5，继续搅拌反应30分钟，冷却至室温得凹凸棒石/聚氨酯复合材料。比较例2
在比较例2中，将实施例4中的步骤2改为先将有机纳米凹凸棒石加入到聚酯多元醇，制得有机纳米凹凸棒石/聚酯多元醇分散液，其他条件不变，然后制备其凹凸棒石/ 聚氨酯复合材料，具体操作步骤如下1、将10千克纳米凹凸棒石粉体、10千克去离子水、1千克氨乙基氨丙基三乙氧基硅烷混合均勻，机械挤压2小时，在120°C的条件下干燥6小时，粉碎，制得有机纳米凹凸棒石粉体；2、将步骤1所得的有机凹凸棒石粉体中加入121. 46千克经脱水处理的聚己二酸-1，4-丁二醇酯二醇(PBA-1800)，在温度为55°C下胶体磨分散处理3小时，制得有机纳米凹凸棒石/聚己二酸-1，4- 丁二醇酯二醇单体分散液； 3、向步骤2所制得的有机纳米凹凸棒石/聚己二酸-1，4- 丁二醇酯二醇单体分散液中加入50千克异佛尔酮二异氰酸酯单体中和0. 30千克二丁基二月桂酸锡，保持反应温度80°C，搅拌反应1. 0小时，接着加入3千克二羟甲基丙酸，保持体系温度65°C，保温反应2 小时后；再加入151. 83千克聚己二酸-1，4- 丁二醇酯二醇，保温反应3小时，最后加入1. 21 千克二羟甲基丙酸，保温反应1小时，滴加质量百分浓度为15%的氢氧化钠溶液调节体系 PH值为7. 5，继续搅拌反应30分钟，冷却至室温得凹凸棒石/聚氨酯复合材料。比较例3在比较例3中，将实施例4中的分批加入多元醇改为一次性加入，具体操作步骤如下1、将10千克纳米凹凸棒石粉体、10千克去离子水、1千克氨乙基氨丙基三乙氧基硅烷混合均勻，机械挤压2小时，在120°C的条件下干燥6小时，粉碎，制得有机纳米凹凸棒石粉体；2、将步骤1所得的有机纳米凹凸棒石粉体中加入到50千克异佛尔酮二异氰酸酯单体中，在温度为55°C下胶体磨分散处理3小时，制得有机纳米凹凸棒石/异氰酸酯单体分散液；3、向步骤2所制得的有机纳米凹凸棒石/异氰酸酯单体分散液中加入273. 29千克经脱水处理的聚己二酸-1，4- 丁二醇酯二醇(PBA-1800)和0. 30千克二丁基二月桂酸锡，保持反应温度80°C，搅拌反应4小时，接着加入4. 213千克二羟甲基丙酸，保持体系温度 650C，保温反应3小时后；滴加质量百分浓度为15%的氢氧化钠溶液调节体系pH值为7. 5， 继续搅拌反应30分钟，冷却至室温得凹凸棒石/聚氨酯复合材料。比较例4在比较例4中，将实施例4中的加入纳米凹凸棒石工序去除，具体操作步骤如下向50千克异佛尔酮二异氰酸酯单体中加入121. 46千克经脱水处理的聚己二酸-1，4-丁二醇酯二醇(PBA-1800)和0. 30千克二丁基二月桂酸锡，保持反应温度80°C， 搅拌反应1小时，接着加入3千克二羟甲基丙酸，保持体系温度65°C，保温反应2小时后； 再加入151. 83千克聚己二酸-1，4- 丁二醇酯二醇，保温反应3小时，最后加入1. 21千克二羟甲基丙酸，保温反应1小时，滴加质量百分浓度为15%的氢氧化钠溶液调节体系pH值为 7. 5，继续搅拌反应30分钟，冷却至室温得聚氨酯乳液。凹凸棒石/聚氨酯复合材料的综合性能的评价下面通过性能试验对实验所得的凹凸棒石/聚氨酯复合材料进行性能评价，试验结果如表1所示。剪切强度按GB/T 14074-1993中所述的方法测试，采用铁片为材料，冷压2天，然后在XL-250A型拉力试验机(广州市广材试验仪器有限公司)上测试。取所制得的复合材料100克，加入羟基硅油1克，2克醋酸丁酯纤维素，搅拌分散均勻，将得到的混合物均勻的刷涂在打磨后的马口铁表面，膜层厚度35 50ym，60°C下干燥 12小时，得到涂层。复合材料附着力按GB/T 1720-1979中所述的方法测试，复合材料硬度按GB/T6739-2006中所述的方法测试。由表1可以看出，本发明所制备的凹凸棒石/聚氨酯复合材料综合性能优异。表1凹凸棒石/聚氨酯复合材料性能试验结果
权利要求
1.一种凹凸棒石/聚氨酯复合材料的制备方法，其特征是首先用有机表面改性剂对纳米凹凸棒石粉体进行有机表面杂化改性，再将有机表面杂化改性后的有机纳米凹凸棒石粉体加入到异氰酸酯单体中进行分散处理，制成有机纳米凹凸棒石/异氰酸酯单体分散液，再向有机纳米凹凸棒石/异氰酸酯单体分散液中分批加入多元醇，经扩链反应，制得凹凸棒石/聚氨酯复合材料。
2.根据权利要求1所述的凹凸棒石/聚氨酯复合材料的制备方法，其特征是具体工艺步骤如下1)凹凸棒石的有机表面改性将纳米凹凸棒石粉体、去离子水和有机表面改性剂混合均勻，其中去离子水与纳米凹凸棒石粉体质量比为0.6 1.5 1，有机表面改性剂与纳米凹凸棒石粉体质量比为 0.05 0.2 1，机械挤压1 3小时，在105 135°C干燥2 10小时，粉碎，制得有机纳米凹凸棒石粉体；2)有机纳米凹凸棒石/异氰酸酯单体分散液的制备将步骤1)所得的纳米有机凹凸棒石粉体加入到异氰酸酯单体中，在温度30 70°C下分散处理1 5小时，制得有机纳米凹凸棒石/异氰酸酯单体分散液，其中有机纳米凹凸棒石粉体与异氰酸酯单体质量比为0.05 0.3 1。3)凹凸棒石/聚氨酯复合材料的制备下述的异氰酸酯均指步骤幻中加入的异氰酸酯单体总量；①向步骤2、所得的有机纳米凹凸棒石/异氰酸酯单体分散液中加入经脱水处理的第一批多元醇，其中羟基与异氰酸酯基的摩尔数之比为0.15 0.45 1;加入催化剂，其中催化剂用量与异氰酸酯和第一批加入多元醇的总质量之比为0.001 0.0025 1，保持反应温度55 95°C，搅拌反应0. 5 2小时；接着加入第一批扩链剂进行扩链反应，其中加入的扩链剂的量与异氰酸酯和第一批加入多元醇的总质量之比为0.005 0.03 1，保持体系温度45 85°C，保温反应1 3小时；②继续向上述反应液中加入第二批多元醇，其中羟基与异氰酸酯基的摩尔数之比为 0.25 0.5 1，保温反应2 4小时，接着加入第二批扩链剂，其中加入的扩链剂的量与异氰酸酯和第二批加入多元醇的总质量之比为0.002 0.01 1，保温反应0.5 2小时， 滴加质量百分浓度为10 30%的酸性或碱性中和剂溶液，使得体系pH值为6. 0 8. 0，保持温度不变，继续搅拌反应10 40分钟，冷却至室温得凹凸棒石/聚氨酯复合材料。
3.根据权利要求1所述的凹凸棒石/聚氨酯复合材料的制备方法，其特征是所述的有机表面改性剂为带氨基的硅烷偶联剂。
4.根据权利要求1所述的凹凸棒石/聚氨酯复合材料的制备方法，其特征是所述的分散处理为胶体磨分散、砂磨分散、高剪切乳化机分散或超声分散。
5.根据权利要求2所述的凹凸棒石/聚氨酯复合材料的制备方法，其特征是所述的异氰酸酯为甲苯二异氰酸酯、二苯基甲烷二异氰酸酯、异佛尔酮二异氰酸酯、三苯基甲烷三异氰酸酯、多苯基多亚甲基多异氰酸、六亚甲基-1，6- 二异氰酸酯、甲基环己基二异氰酸酯或间苯二甲基二异氰酸酯。
6.根据权利要求2所述的凹凸棒石/聚氨酯复合材料的制备方法，其特征是所述的多元醇为其分子量为1000 5000的聚酯二元醇、聚醚二元醇或分子量小于1000的多元醇聚合物。
7.根据权利要求2所述的凹凸棒石/聚氨酯复合材料的制备方法，其特征是所述的催化剂为叔胺类化合物、有机金属化合物、有机磷、冰醋酸或酚钠。
8.根据权利要求7所述的凹凸棒石/聚氨酯复合材料的制备方法，其特征是所述的叔胺类化合物为三乙烯四胺、三乙醇胺或甲基二乙醇胺；所述的有机金属化合物为二丁基二月桂酸锡、辛酸钙、辛酸铅、环烷酸钴或环烷酸锌等；所述的有机磷为三丁基磷或三乙基磷。
9.根据权利要求2所述的凹凸棒石/聚氨酯复合材料的制备方法，其特征是所述的扩链剂为多羟基磺酸钠盐类、多羟基磺酸钾盐类、多羟基羧酸类、多羟基羧酸钠盐类、多羟基羧酸钾盐类、多氨基酚类、多氨基酸类、多氨基羧酸钠盐类、多氨基羧酸钾盐类、多氨基磺酸钠盐类或多氨基磺酸钾盐类化合物。
10.根据权利要求2所述的凹凸棒石/聚氨酯复合材料的制备方法，其特征是所述的酸性中和剂溶液为盐酸溶液、硫酸溶液、磷酸溶液或乙二酸溶液；所述的碱性中和剂溶液为氢氧化钠溶液、氢氧化钾溶液、氨水或三乙胺溶液。
全文摘要
本发明涉及一种凹凸棒石/聚氨酯复合材料的制备方法，其首先用有机表面改性剂对纳米凹凸棒石粉体进行有机表面杂化改性，再将有机表面杂化改性后的有机纳米凹凸棒石粉体加入到异氰酸酯单体中制成有机纳米凹凸棒石/异氰酸酯单体分散液，再向有机纳米凹凸棒石/异氰酸酯单体分散液中分批加入多元醇，经扩链反应，制得凹凸棒石/聚氨酯复合材料。本发明解决现有的水性聚氨酯初粘力低、乳液稳定能差以及成膜后硬度低的技术问题，本发明的凹凸棒石/聚氨酯复合材料力学性能好，成膜后硬度高。
文档编号C08G18/48GK102443129SQ201110325279
公开日2012年5月9日 申请日期2011年10月24日 优先权日2011年10月24日
发明者丁运生, 吴凤芹, 姚群, 姚超, 左士祥 申请人:常州奥特纳新材料科技有限公司