低游离间苯二甲基异氰酸酯聚氨酯预聚物的制备方法与流程

本发明属于预聚体制备技术领域，具体涉及一种低游离间苯二甲基异氰酸酯(mxdi)聚氨酯预聚物的制备方法。

背景技术：

聚氨酯是一类分子链上含有重复氨基甲酸酯结构的软硬段交替的多嵌段共聚物。氨基甲酸酯基团的强极性以及聚氨酯分子间的氢键作用赋予聚氨酯材料韧性好、弹性优良、耐磨、耐溶剂、耐腐蚀等诸多优点。聚氨酯软硬段交替的微相分离结构使聚氨酯材料被广泛的应用于金属工业、人工智能、生物医学、建筑工程、航空航天以及新兴材料等诸多领域。

二异氰酸酯是合成聚氨酯材料不可或缺的主要单体原料之一，决定着聚氨酯材料的性能。目前常用的二异氰酸酯单体有六亚甲基二异氰酸酯(hdi)、甲苯二异氰酸酯(tdi)、二苯甲烷二异氰酸酯(mdi)、对苯二异氰酸酯(ppdi)、1,5-萘二异氰酸酯(ndi)和间苯二甲基异氰酸酯(mxdi)等。其中mdi、ppdi和ndi是芳香族二异氰酸酯，常温下是固体，有毒；脂肪族hdi和芳香族tdi常温下是液体，有毒；而mxdi是一种含有苯环的脂肪族二异氰酸酯，常温常压下为液体，沸点是88-90℃。基于mxdi的新型聚氨酯类产品，几乎无黄变，无毒，具有黏着性高等多种特性。

浇注加工成型制备聚氨酯时普遍采用的聚氨酯预聚物为原料，与扩链剂混合反应后成型。预聚物的制备方法是将过量的二异氰酸酯与聚酯或者聚醚等低聚物多元醇在一定条件下反应。用这种方法制备的聚氨酯预聚物，不可避免地会含有游离的二异氰酸酯单体，一般会达到5-10％左右。在使用加工时，这些残留二异氰酸酯单体会挥发，污染聚氨酯加工环境，接触和吸入的二异氰酸酯会对人体造成很大危害。国内国外都有相应的环保卫生法规，对工作环境中存在的异氰酸酯浓度规定了一定的允许范围。另外，在存贮过程中，残留的二异氰酸酯易发生水解反应，使预聚物的粘度升高，影响预聚物的存储稳定性和聚氨酯的性能。最后，二异氰酸酯单体含量较多，会影响聚氨酯制品的硬段含量、弹性、强度等综合性能。

相对于常规聚氨酯预聚物而言，低游离的聚氨酯预聚物有较多优势。首先，低游离聚氨酯预聚物能极大改善操作环境，更加安全卫生；低游离聚氨酯预聚物具有较低的粘度和成型加工流动性；较长的釜中寿命，从而有较长的操作时间；较快的固化速度，脱模时间缩短，可提高生产效率。其次，采用低游离聚氨酯预聚物制备的聚氨酯结构更为规整，具有较好的动态力学性能。

目前已知的除去预聚物中未反应的二异氰酸酯单体方法包括：化学反应法、萃取法、吸附法、薄膜蒸发法和短程蒸馏法。其中化学反应法、溶剂萃取法和吸附法比较容易实现单体质量分数低于1％，但是难以实现游离单体质量分数小于0.1％。因此，这几个方法主要用于制备常规聚氨酯预聚物。薄膜蒸发法和短程蒸馏法能使物料在高温过程中停留时间很短，更有利于预聚物中游离单体的脱除。相比较萃取法和吸附法，薄膜蒸馏法操作简单，分离效率高，也更为经济。但是随着单体含量的降低，预聚物的粘度增大，单体脱除的难度也逐渐增大，单纯的薄膜蒸馏法和短程蒸馏法也难以实现单体的一次性高效脱除。

基于薄膜蒸发法和短程蒸馏法，可以通过引入高沸点的惰性溶剂，改善分离过程中游离单体浓度的平衡关系，从而可以实现高效除去预聚物中游离的二异氰酸酯单体，获得低游离的聚氨酯预聚物。

技术实现要素：

本发明针对现有技术存在的不足及缺陷，本发明的目的在于提供一种低游离间苯二甲基异氰酸酯(mxdi)聚氨酯预聚物的制备方法，该方法简单，能够连续化生产，且制得的预聚体中游离mxdi含量较低。

本发明解决技术问题所采用的技术方案如下：

一种低游离间苯二甲基异氰酸酯(mxdi)聚氨酯预聚物的制备方法，包括：

步骤1)：将mxdi、多元醇和高沸点溶剂混合、反应，得到聚氨酯预聚物反应液；

步骤2)：将所述聚氨酯预聚物反应液进行蒸发，得到轻组分和重组分，其中所述轻组分包括所述高沸点溶剂和mxdi，重组分为低游离mxdi聚氨酯预聚物。

在上述低游离mxdi聚氨酯预聚物的制备方法中，作为一种优选实施方式，在所述步骤1)中，所述间苯二甲基异氰酸酯与多元醇的摩尔比为2:1-10:1(例如3:1、4:1、5:1、6:1、7:1、8:1、9:1)，优选2:1-6:1；当摩尔比值小于2：1时，所得预聚体含有较多的二聚物，nco值低于理论值(即mxdi-多元醇-mxdi的聚合物的nco值)。但摩尔比值大于2:1，二聚物组分减少，预聚体的nco值将接近理论值。当摩尔比值超过10:1时，能得到理论nco值，但是除去过多的游离mxdi单体较为困难。

在上述低游离mxdi聚氨酯预聚物的制备方法中，作为一种优选实施方式，在所述步骤1)中，所述mxdi和多元醇的质量总和与高沸点溶剂的质量比例为0.5:1-2.0:1(例如0.7:1、0.9:1、1.1:1、1.3:1、1.5:1、1.7:1)，优选为0.8-1.6；优选地，所述高沸点溶剂为单一或混合高沸点溶剂；若溶剂的量太少，则xdi蒸馏不净而残留较多，若溶剂的量太多，则预聚体中可能会残留溶剂。

在上述低游离mxdi聚氨酯预聚物的制备方法中，作为一种优选实施方式，在所述步骤1)中，所述反应的温度为25-80℃(例如30℃、40℃、50℃、60℃、70℃)，所述反应的时间2-10h(例如3h、5h、7h、9h)。

在上述低游离mxdi聚氨酯预聚物的制备方法中，作为一种优选实施方式，在所述步骤1)中，所述反应在搅拌下进行。

在上述低游离mxdi聚氨酯预聚物的制备方法中，作为一种优选实施方式，所述步骤1)是在氮气保护下进行的。

在上述低游离间苯二甲基异氰酸酯聚氨酯预聚物的制备方法中，作为一种优选实施方式，所述步骤1)具体为：

步骤a)：将mxdi和高沸点溶剂混合，得到mxdi溶液，

步骤b)：向所述mxdi溶液加入多元醇、或多元醇与高沸点溶剂的混合溶液，进行反应，得到聚氨酯预聚物反应液。

在上述低游离mxdi聚氨酯预聚物的制备方法中，作为一种优选实施方式，在所述步骤1)的b)中，所述多元醇、或多元醇与高沸点溶剂的溶液采用滴加的方式加入到步骤a)所得的mxdi溶液中，所述滴加的时间为1-3h，所述滴加的液体(即所述多元醇、或多元醇与高沸点溶剂的溶液)和mxdi溶液温度为20-70℃。

在上述低游离mxdi预聚物的制备方法中，作为一种优选实施方式，在所述步骤1)中，所述高沸点溶剂在常压下的沸点为190-300℃(例如200℃、220℃、240℃、260℃、280℃)；本发明高沸点溶剂的选择是基于对mxdi与该溶剂在一定温度下的相互作用力的考虑，二者之一要偏离拉乌尔定律。

在上述低游离mxdi聚氨酯预聚物的制备方法中，作为一种优选实施方式，在所述步骤1)中，所述高沸点溶剂包括脂类溶剂，如苯甲酸甲酯、苯甲酸乙酯、苯甲酸丙酯、苯甲酸异丙酯、苯甲酸丁酯、苯甲酸异丁酯、苯甲酸叔丁酯、邻苯二甲酸二甲酯、间苯二甲酸二甲酯、邻苯二甲酸二乙酯、邻苯二甲酸二异丁酯、间苯二甲酸二乙酯、丁二酸二异丙酯、戊二酸二异丙酯、己二酸二异丙酯、己二酸二异丁酯、癸二酸二异丙酯、二价酸酯dbe、丁内酯、戊内酯、三乙酸甘油酯和己内酯，和其它类型溶剂，如n,n-二乙基乙酰胺、n-甲基吡咯烷酮、环丁砜中的一种或者几种；优选地，所述高沸点溶剂选自二价酸酯dbe、邻苯二甲酸二甲酯、三乙酸甘油酯、己二酸二异丙酯和己二酸二异丁酯中的至少一种。

在上述低游离mxdi聚氨酯预聚物的制备方法中，作为一种优选实施方式，在所述步骤1)中，所述多元醇为聚醚多元醇、聚碳酸酯多元醇或聚酯多元醇；优选地，所述聚醚多元醇为聚环氧丙烷醚多元醇、聚四氢呋喃醚二醇、聚丙二醇中的至少一种；所述聚碳酸酯多元醇为聚己二醇碳酸酯二元醇、聚戊二醇碳酸酯二元醇中的至少一种；所述聚酯多元醇为聚己二酸丁二醇酯二元醇、聚己二酸己二醇酯二元醇、聚己内酯二元醇、聚己二酸己二醇酯二元醇中的至少一种；优选地，所述多元醇选自聚四氢呋喃多元醇ptmeg1000、聚碳酸酯多元醇pcd2000和聚己内酯多元醇pcl2000中的至少一种。

在上述低游离mxdi聚氨酯预聚物的制备方法中，作为一种优选实施方式，在所述步骤1)中，所述多元醇分子量为500-5000g/mol，优选1000-3000g/mol。

在上述低游离mxdi聚氨酯预聚物的制备方法中，作为一种优选实施方式，所述蒸发的温度为80～160℃(例如80℃、100℃、120℃、140℃)，所述蒸发时的真空度(表压)为0.1-2.0mmhg(例如0.1mmhg、0.2mmhg、0.4mmhg、0.6mmhg、0.8mmhg、1.0mmhg、1.2mmhg、1.4mmhg、1.6mmhg)。

在上述低游离mxdi聚氨酯预聚物的制备方法中，作为一种优选实施方式，将步骤2)中得到的所述轻组分可用作步骤1)中的原料，以进行循环使用。

在上述制备低游离mxdi的聚氨酯预聚物的方法中，作为一种优选实施方式，在所述步骤2)中，所述蒸发在薄膜蒸馏设备中处理。

本发明的反应式如下：

相比现有技术，本发明具有如下有益效果：

(1)本发明通过薄膜蒸馏设备，收集的重组分为聚氨酯预聚物，不含溶剂，仅含有极少量游离的mxdi单体。

(2)本发明制得的预聚物粘度低，游离的异氰酸酯含量较低，性能稳定，存储周期长。

(3)本发明收集的轻组分为溶剂和mxdi，在室温下为透明清液，可重复使用，制备预聚物。

(4)本发明所用溶剂及多余单体可全部回收利用，无废液弃物排放，经济环保。

附图说明

图1为本发明实施例3所制备的低游离mxdi-ptmeg1000聚氨酯预聚物的红外谱图。

图2为本发明的反应工艺流程图。

具体实施方式

为了突出表达本发明的目的、技术方案及优点，下面结合实施例对本发明进一步说明，示例通过本发明的解释方式表述而非限制本发明。本发明技术方案不局限于以下所列举的具体实施方式，还包括各具体实施方式之间的任意组合。

预聚体nco值测定：聚氨酯预聚物的nco含量按照hg/t2409-1992化工行业标准聚氨酯预聚体中异氰酸酯基含量的测定，用二正丁胺-盐酸滴定法测定，实施例均采用相同的方法检测。

预聚体中游离mxdi测定：对所得的重组分低，即聚氨酯预聚物，采用气相色谱法测定聚氨酯预聚物中游离mxdi含量。将定量的预聚物样品在定量的正己烷中反复洗涤，萃取出游离的mxdi。采用外标法定量，用气相色谱仪进行检测。

实施例1

将聚四氢呋喃多元醇ptmeg1000熔融，保持温度在60℃，待用；在氮气保护下，将282.3g的mxdi和500g三乙酸甘油酯加入到反应容器中，搅拌混合均匀，温度维持在60℃。再将500g的多元醇ptmeg1000液体在搅拌的条件下滴加入到反应容器中，滴加时间为2h；在60℃继续搅拌反应5h后，得到mxdi-ptmeg1000聚氨酯预聚物反应溶液。

在80℃条件下，将得到的mxdi聚氨酯预聚物反应溶液加入到薄膜蒸发设备中，薄膜温度设定为95℃，真空度为0.1-0.2mmhg，冷凝温度为20-25℃，分别收集轻重组分馏出液，得到低游离的mxdi聚氨酯预聚物，测定nco值为4.86％(理论值6.03％)。聚氨酯预聚物中游离的mxdi含量测定为0.1％。轻组分为含有mxdi的三乙酸甘油酯，可继续套用制备下一批预聚物。

实施例2

将500g聚四氢呋喃多元醇ptmeg1000在60℃融化，再与300g三乙酸甘油酯在另一容器中混合均匀，保持温度为25-30℃，待用；在氮气保护下，将282.3g的mxdi和500g三乙酸甘油酯加入到反应容器中，搅拌混合均匀，维持温度在25℃。在搅拌和氮气的条件下将上述多元醇溶液缓慢地加入到含有mxdi溶液的反应容器中，滴加时间为2h。滴加完毕后，再加入200g三乙酸甘油酯。在25℃反应继续反应18h后，得到mxdi-ptmeg1000聚氨酯预聚物反应溶液。

在60℃下，将得到的聚氨酯预聚物加入到薄膜蒸发设备中，薄膜温度设定为100℃，真空度为0.1-0.2mmhg，冷凝温度为20-25℃，分离出低游离的mxdi-ptmeg1000聚氨酯预聚物，测定nco值为4.88％。聚氨酯预聚物中游离的mxdi含量测定为0.1％。轻组分为含有mxdi的三乙酸甘油酯，可继续套用制备下一批预聚物。

实施例3

将聚四氢呋喃多元醇ptmeg1000熔融，保持温度在60℃，待用；在氮气保护下，将376.4g的mxdi和300g三乙酸甘油酯加入到反应容器中，搅拌混合均匀，维持温度在70℃；再将500g的聚四氢呋喃多元醇ptmeg1000与300g三乙酸甘油酯在另一容器中混合均匀后加入到以上反应容器中，滴加时间为1.5h。加入后，再加入200g三乙酸甘油酯，在70℃继续反应4h后，得到mxdi-ptmeg1000聚氨酯预聚物反应溶液。

在80℃条件下，将得到的聚氨酯预聚物反应液加入到薄膜蒸发设备中，薄膜温度设定为100℃，真空度为0.2-0.5mmhg，冷凝温度为20-25℃，分离出低游离mxdi-ptmeg1000聚氨酯预聚物，测定nco值为5.87％；mxdi-ptmeg1000聚氨酯预聚物中游离的mxdi含量测定为0.09％。轻组分为含有mxdi的三乙酸甘油酯溶液，可继续套用制备下一批预聚物。

实施例4

取实施例3中蒸馏出的轻组分800g，即三乙酸甘油酯溶剂和mxdi的混合溶液进行滴定，测定轻组分中含有169.5g的mxdi。在20-25℃，将207g的mxdi加入到上述轻组分溶液中，搅拌混合均匀。再将融化的500g聚四氢呋喃多元醇ptmeg1000在60℃下与以上mxdi溶液混合，加液时间为2h。加入后，在60℃反应5h后，得到mxdi-ptmeg1000聚氨酯预聚物反应溶液。

在80℃条件下，将得到的聚氨酯预聚物反应液加入到薄膜蒸发设备中，薄膜温度设定为100℃，真空度为0.2-0.5mmhg，冷凝温度为20-25℃，分离出低游离的mxdi-ptmeg1000聚氨酯预聚物，测定nco值为5.91％。聚氨酯预聚物中游离的mxdi含量测定为0.1％。轻组分为含有mxdi的三乙酸甘油酯溶液，可继续套用制备下一批预聚物。

实施例5

将聚四氢呋喃多元醇ptmeg1000熔融，保持温度在60℃，待用；在氮气保护下，将564.6g的mxdi和500g二价酸酯dbe加入到反应容器中，搅拌混合均匀，维持温度在60℃；再将500g聚四氢呋喃多元醇ptmeg1000与400g二价酸酯dbe在一容器中混合均匀，加入到以上反应容器中，滴加时间为2h。加入后，再加入100g二价酸酯dbe，在60℃继续反应4.5h后，得到mxdi-ptmeg1000聚氨酯预聚物反应溶液。

在80℃条件下，将得到的聚氨酯预聚物加入到薄膜蒸发设备中，薄膜温度设定为100℃，冷凝温度为20-25℃，真空度为0.5-1.0mmhg，分离出低游离的mxdi-ptmeg1000聚氨酯预聚物，测定nco值为5.95％。聚氨酯预聚物中游离的mxdi含量测定为0.15％。轻组分为含有mxdi的二价酸酯dbe，可继续套用制备下一批预聚物。

实施例6

将聚四氢呋喃多元醇ptmeg2000熔融，保持温度在60℃，待用；在氮气保护下，将376.4g的mxdi和400g二价酸酯dbe加入到反应容器中，搅拌混合均匀，维持温度在60℃。再将1000g聚四氢呋喃多元醇ptmeg2000与500g二价酸酯dbe在另一容器中混合均匀，然后加入到以上反应容器中，滴加时间为2.5h。加入后，再补加100g二价酸酯dbe，在60℃反应6h后，得到mxdi-ptmeg2000聚氨酯预聚物反应溶液。

在80℃下，将得到的聚氨酯预聚物反应液加入到薄膜蒸发设备中，薄膜温度设定为105℃，冷凝温度为20-25℃，真空度为0.5-1.0mmhg，分离出低游离的mxdi-ptmeg2000聚氨酯预聚物，测定nco值为3.35％(理论值3.54％)。聚氨酯预聚物中游离的mxdi含量测定为0.13％。轻组分为含有mxdi的二价酸酯dbe，可继续套用制备下一批预聚物。

实施例7

将聚碳酸酯多元醇pcd2000熔融，保持温度在60℃，待用；在氮气保护下，将376.4g的mxdi和400g三乙酸甘油酯加入到反应容器中，搅拌混合均匀，维持温度在60℃。再将1000g聚碳酸酯多元醇pcd2000与600g三乙酸甘油酯酯在另一容器中混合均匀，然后加入到以上反应容器中，滴加时间为2.5h。加入后，在60℃反应5h后，得到mxdi-pcd2000聚氨酯预聚物反应溶液。

在80℃下，将得到的聚氨酯预聚物反应液加入到薄膜蒸发设备中，薄膜温度设定为105℃，冷凝温度为20-25℃，真空度为1.0-1.5mmhg，分离出低游离的mxdi-pcd2000聚氨酯预聚物，测定nco值为3.31％(理论值3.54％)。聚氨酯预聚物中游离的mxdi含量测定为0.1％。轻组分为含有mxdi三乙酸甘油酯，可继续套用制备下一批预聚物。

实施例8

将聚己内酯多元醇pcl2000熔融，保持温度在50℃，待用；在氮气保护下，将470.5g的mxdi和500g溶剂三乙酸甘油酯加入到反应容器中，搅拌混合均匀，维持温度在50℃；再将1000g聚己内酯多元醇pcl2000与1000g三乙酸甘油酯在反应器中混合均匀加入到上述反应容器中，滴加时间为3h；在50℃反应6h后，得到mxdi聚氨酯预聚物反应溶液。

在80℃下，将得到的聚氨酯预聚物反应液加入到薄膜蒸发设备中，薄膜温度设定为110℃，冷凝温度为20-25℃，真空度为1.0-1.5mmhg，分离出低游离的mxdi-pcl2000聚氨酯预聚物，测定nco值为3.25％(理论值3.54％)。聚氨酯预聚物中游离的mxdi含量测定为0.1％。轻组分为含有mxdi三乙酸甘油酯，可继续套用制备下一批预聚物。

虽然本文用一般性说明和具体实施例对本发明进行了详细的描述，但是以上实例仅是用于对本发明的说明，本发明具体的应用并不仅限于例子中说到的例子，在本发明的基础上可以对其进行一定的修改。因此在不偏离本发明的原理上对其进行的润饰和修改，都属于本发明要求保护的范围。