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      一步法合成聚氨酯預聚體

      2015-11-08 01:44:40呂清發(fā)
      橡塑技術與裝備 2015年14期
      關鍵詞:三聚體預聚物丙烯酸酯

      呂清發(fā)

      (鄭州光陽實業(yè)有限公司,河南 鄭州 45000)

      聚氨酯丙烯酸酯的合成工藝有兩種,其一是先將多元醇與過量的異氰酸酯反應,合成—NCO封端的聚氨酯預聚物,在與羥基官能化丙烯酸酯反應,引入丙烯酞氧基團,從而具有UV固化的活性。此工藝較為傳統(tǒng),得到的預聚物相對分子量分布較窄。同時,丙烯酸酯在反應釜中停留時間較短,有利于防止丙烯酸酯長時間受熱聚合,造成丙烯酸雙鍵的損失。伍欽等人從碘值和溫度的關系研究了反應溫度對固化速度的影響,結果表明PUA隨著反應溫度的上升碘值急速下降,說明C=C雙鍵隨溫度的升高損失加劇,綜合考慮各因素宜選反應溫度為50 ℃。第二種工藝為先將羥基官能化丙烯酸酯與過量的異氰酸酯反應,生成半加成物,再與計量的二元醇反應,得到PUA。此工藝中丙烯酸酯在反應釜中停留時間較長,丙烯酸酯發(fā)生熱聚合的危險性增加,需要加入較多的阻聚劑,這樣對產(chǎn)品的色度和光反應活性可能產(chǎn)生負面影響。

      本文主要是采用簡單的一步合成法來合成預聚體,此種方法操作簡便。同時分別考察了反應溫度、反應時間、催化劑的加量對反應產(chǎn)物的影響,另外還對產(chǎn)物進行了紅外光譜、核磁共振、GPC、DSC的表征。

      1 合成方案的確定

      本節(jié)主要介紹了一步合成法的基本方法,同時確定了各種反應條件,包括反應溫度、反應時間、催化劑的用量等。

      1.1 合成方案

      用聚乙二醇(PEG4000)和HDI三聚體按計量比加入到四口燒瓶中,在加入計量比的4—羥丁基乙烯基醚和丙烯酸羥乙酯,再加入一定的催化劑(二月桂酸二丁基錫),而后考察反應時間、反應溫度、催化劑的加量等對反應的影響,然后用PEG和HDI三聚體在上述實驗設計的條件下反應,制得不同的預聚體,以供后面涂料性能的檢測提供原料。

      1.2 反應溫度和時間的確定

      本實驗主要是利用異氰酸根(—NCO)和不同原料上羥基(—OH)進行反應,同時需要在催化劑(二月桂酸二丁基錫)的作用下進行,相比二步合成法,有操作簡單的優(yōu)勢。此反應設計了不同的反應溫度 55 ℃、65 ℃、75 ℃,在催化劑加量為0.6 wt%的情況下,通過測定—NCO的值,來確定反應的完成度,具體的結果見圖1。

      由圖1可以看出,隨著溫度的升高,反應速度加快,完成反應所需要的時間縮短,但是在溫度上升到75 ℃時,完成反應所需的時間比65 ℃時減少得不是很明顯,而且,溫度越高,丙烯酸羥乙酯和4—羥丁基乙烯基醚中的C=C損失就會越多,這會影響到光固化過程,減慢涂料的光固化速率,因此綜合考慮,一步合成法的反應溫度定為65 ℃,反應時間定為3 h。

      圖1 反應溫度和時間的確定

      1.3 催化劑用量的確定

      本實驗所使用的催化劑為二月桂酸二丁基錫,催化劑主要是通過改變反應的活化能來改變一個反應的速率。本實驗中,催化劑的功能是加快反應速度,催化劑的用量對一個反應的影響很大,因此選用合理的用量對一個有機反應來說很重要,因此本實驗利用聚乙二醇和HDI三聚體在反應溫度為65 ℃時,分別考慮使用不同的催化劑加量(0.2 wt%、0.4 wt%、0.6 wt%、0.8 wt%、1.0 wt%)對產(chǎn)物的影響,其具體結果見圖2。

      圖2 催化劑用量的確定

      通過對反應過程中—NCO值的測定,由圖2可以看出,隨著催化劑加量的增加,反應速率增大,反應完成所需要的時間變短,在催化劑量為0.2 wt%時,反應完成所需時間為超過4 h,而催化劑的加量增加到0.6 wt%及以上時,反應完成只需要3 h。當催化劑的量在0.8 wt%及以上時,反應完成縮短的時間很有限。因為催化劑在反應后期很難除去,因此會對后期的涂料有一定的影響。同時該催化劑是淡黃色,會對后期涂料的色澤度產(chǎn)生影響,因此,綜合考慮,催化劑的用量定為0.6 wt%,在保證反應時間較短的同時,涂料也會有比較好的色澤度。

      2 測試和表征

      本節(jié)對合成的不同類型的預聚體做GPC、DSC表征,以看其性能上的差異。

      2.1 GPC測定

      凝膠滲透色譜實驗是通過一定的方法測定樣品相對分子量的方法,本實驗測定了PEG4000和HDI三聚體在不同反應溫度(55 ℃、65 ℃、75 ℃),催化劑加量為0.6 wt%條件下合成三種預聚體的分子量。

      表1 GPC的數(shù)據(jù)

      由表1可以看出,隨著反應溫度的升高,預聚物的數(shù)均分子量和重均分子量都隨著緩慢變大,整個多分散性變化不大,通觀以上幾個圖可以知道,通過一步合成法合成的預聚物的分散度偏大,這可能會對后期的涂料固化會有一定的影響。

      2.2 DSC分析

      差示掃描量熱法(DSC)是在程序控制溫度下,測量輸給物質和參比物的功率差與溫度關系的一種技術。本實驗測定利用一步合成法在不同反應溫度(55 ℃、65 ℃、75 ℃)催化劑加量為0.6 wt%,合成的預聚體的DSC的圖譜,其中測試溫度范圍0~100 ℃、測試的升溫速率為10 ℃/min。

      由以上幾個圖及表2可以看出,圖上測出的是不同預聚體的熔融的溫度,可以知道不同溫度下合成預聚體的熔融溫度沒有很明顯地變化,都在48 ℃左右,但是明顯比PEG 4 000的熔融溫度低一些,因為此反應是在聚乙二醇兩邊加上一些基團,由于HDI三聚體可以形成立體空間結構,導致分子間力變?nèi)?。所以熔融溫度比單純的線性PEG 4 000低一些,此測試沒有測出來產(chǎn)物的玻璃化轉變溫度,其原因可能是原料的非晶態(tài)物質太少的緣故,玻璃轉化轉變溫度不明顯。

      表2 DSC的數(shù)據(jù)

      圖3 65 ℃合成的預聚體核磁圖譜

      2.3 核磁共振譜表征

      核磁共振是考查分子內(nèi)部主要C和H框架結構的一種方法。本實驗測定一步合成法在65 ℃下合成的陽離子固化類型預聚體的核磁譜圖。以CDCl3為溶劑,測定該預聚物的核磁譜圖,結果見圖3。

      由于預聚體沒有很好的純化,因此出現(xiàn)一些雜峰,比如圖3中6(σ為7.3~7.4)處的是合成反應中溶劑甲苯上的H的峰,σ在1.1處的應該甲苯上甲基上的H的峰。圖3中2處的峰(σ為6~7)為—O—CH2—CH2—O—上的H的峰,因為產(chǎn)物中該種類型的H很多,所以峰很強,1處(σ為1.25~1.3)的為和—CH2—CH2—上的H的峰。3、4、5處(σ在6左右)的為4—羥丁基乙烯基醚上的CH2=CH—O—R上不同H的峰。

      3 小結

      本文利用聚乙二醇4000和HDI三聚體以及丙烯酸羥已酯和或4—羥丁基乙烯基醚合成了三種不同固化類型的預聚體,同時考察反應時間、反應溫度、催化劑用量對產(chǎn)物的影響,并對產(chǎn)物預聚體進行核磁共振、GPC、DSC的表征。

      一步合成法反應條件為:反應溫度65 ℃,反應時間為3 h,催化劑的加量為0.6 wt%。反應的溫度越高,產(chǎn)物的雙鍵在單位時間里損失越多,同時一步合成法的數(shù)均分子量在8 800左右,多分散性在1.4左右。

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