[发明专利]一种二聚酸基水性聚氨酯表面施胶剂及其制备方法和应用

说明书

本发明公开了一种二聚酸基水性聚氨酯表面施胶剂及其制备方法和应用，属于表面施胶剂制备技术领域。将二聚酸聚酯二醇、聚己内酯二醇、二异氰酸酯混合进行预聚合反应；随后加入亲水扩链剂进行扩链反应；再加入三乙胺进行中和反应，最后加入去离子水乳化得到二聚酸基水性聚氨酯表面施胶剂。本发明不仅实现了二聚酸在绿色环保涂料领域的高值化利用，还为纸张防水防油性能的改善提供了一种环境友好、可持续、经济的方法。制备的二聚酸基水性聚氨酯乳液作为纸张表面施胶剂，可显著改善纸张的防水、防油性及力学性能。

技术领域

本发明属于表面施胶剂制备技术领域，具体涉及一种二聚酸基水性聚氨酯表面施胶剂及其制备方法和应用。

背景技术

纸制品具有价格低廉、可生物降解、绿色环保等优异性能，利用其替代一次性塑料制品能从根源上消除白色污染，已广泛应用于电子产品、食品、化妆品等包装领域。目前纸质包装约占包装行业销售总量的50％，为包装行业中占比最大份额的包装材料。然而，纸张中的木质纤维具有亲水性和多孔结构，水和油通过纤维之间的孔隙借助毛细管作用向纸张内部渗透，导致纸张润湿后力学性能下降，限制了其包装应用。因此，纸张防水防油性能的提高是纸包装行业发展的关键。目前，造纸厂多采用在纸张表面涂施低表面能含氟类化学品(如氟丙烯酸酯、氟烷基聚合物等)提高纸张的防水防油性，然而，含氟类化学品在制备和使用过程中会产生全氟辛酸(PFOA)，易在生物体内蓄积，危害人体健康，因此，绿色环保防水防油涂料的研制成为纸包装工业发展的迫切课题。

水性聚氨酯(WPU)是由多异氰酸酯和多元醇通过聚合反应生成的高分子聚合物，具有绿色环保、粘接强度高、成膜性能好、柔韧性可调等优点，已广泛应用于涂料，胶粘剂，织物涂层整理等领域。2020年，全球水性聚氨酯市场超过100亿美元。WPU分子结构中含有大量氨基甲酸酯、酯基、醚键等极性基团，通过氢键作用在纸张表面形成一层致密的胶膜，能有效阻隔水和油的渗透。然而，WPU以水作为分散介质，其分子中引入了亲水基团，WPU胶膜的交联密度较低，防水防油性不足。因此，需对WPU进行改性以满足纸张表面性能要求。目前，市场主要采用丙烯酸酯、环氧树脂、有机硅和无机纳米材料对水性聚氨酯进行改性，但以上改性方法均源于石油化工资源。随着人们对环境问题的日益关注和石油原料的日益枯竭，利用可再生生物质资源替代传统的不可再生石油化工资源已是大势所趋。

近年来全球油脂化工行业发展迅速，油脂化学行业面临产能过剩的困境，产能过剩达200万吨。为解决脂肪酸产品产能过剩，人们将油酸、亚油酸、亚麻酸等天然不饱和脂肪酸经Diels-Alder反应制得不饱和脂肪酸二聚体—二聚酸，由于其无毒、热稳定高、可生物降解和高化学反应性，已广泛应用于制造涂料、增塑剂、润滑剂和粘合剂，预计到2023年，全球二聚酸市场将达到22.5亿美元。采用二聚酸代替小分子二元醇合成聚氨酯的原料聚酯二元醇，既可以减少石化资源的使用，可持续发展，也可以提高水性聚氨酯的耐水性、力学性能和热稳定性。孟晶晶等人(聚氨酯工业，24(4)，13-16)以二聚酸与乙二醇为原料，成功制备了羟值在95mg KOH/g左右、酸值小于0.5mg KOH/g的低相对分子质量(1000-1500)的二聚酸聚酯二醇，但该研究未给出高分子量(1500)二聚酸聚酯二醇的制备方法。专利CN102127202A介绍了一种高耐水解性的含二聚酸结构单元的水性聚氨酯及其制备方法，所述含二聚酸结构单元的水性聚氨酯具有高耐水解性、高耐水性和优良的热稳定性。但所述二聚酸聚酯二醇的合成温度较高(190℃～210℃)，且需持续通入氮气，抽真空，合成工艺繁琐复杂。Liu等人(Journal of Macromolecular Science,Part A:Pure and AppliedChemistry，49，1070-1078)采用以二聚酸为基础的聚酯多元醇为软段制得生物基水性聚氨酯，制得的水性聚氨酯胶膜的热稳定性、力学性能均得到有效改善，但其耐水性不足。专利CN107266650A介绍了一种耐水压防水聚氨酯织物涂饰剂及其制备方法，在水性聚氨酯中引入二聚酸聚酯二醇，提高了涂饰剂的耐静水压和防水透湿性，但未对改性水性聚氨酯对纸张的力学性能、防油性能未见研究。

发明内容