[发明专利]一种含氮化碳的阻燃改性水性聚氨酯及其制备方法与应用

说明书

本发明属于涂料技术领域，具体公开了一种含氮化碳的阻燃改性水性聚氨酯及其制备方法与应用。该制备方法，包括以下步骤：将己二酸系聚酯多元醇、脂肪族二异氰酸酯、含磷二元醇P‑polyol和前扩链剂溶液混合，加热，在氮气保护下进行聚合反应；降温后加入中和剂进行中和反应；然后加入水，进行分散乳化；再加入乙二胺进行后扩链反应，过滤后，得阻燃改性水性聚氨酯；将硅烷偶联剂改性的氮化碳在水中分散后，加入阻燃改性水性聚氨酯，混合，制得。本发明水性聚氨酯的阻燃增效是基于化学改性和物理改性的双重作用，不仅提高了水性聚氨酯的阻燃性能，而且改善了水性聚氨酯的硬度和耐水性。

技术领域

本发明属于涂料技术领域，尤其涉及一种功能涂料，具体涉及一种含氮化碳的阻燃改性水性聚氨酯及其制备方法与应用。

背景技术

水性聚氨酯涂料具有无毒、环保和高硬度的优点。与传统溶剂型聚氨酯涂料相比，它的生产工艺环保，所需有机溶剂量少，VOC释放低，因而被视为溶剂型聚氨酯涂料的有效替代品，并已被广泛地应用在金属防腐和汽车家居涂装等领域中，具有良好的市场前景。尽管如此，水性聚氨酯涂料属于易燃高分子材料，缺乏一定的阻燃性能，所以在阻燃功能化领域中的发展和应用受到了限制。对此，在不影响涂料固有性能的前提下，对水性聚氨酯涂料进行有效的阻燃改性是亟需解决的问题，也成为了当前的研究热点。

按照制备方法，阻燃水性聚氨酯可分为物理添加型和化学反应型两种。物理添加型不涉及化学反应，只需将阻燃剂与基体进行物理共混即可。目前常用的添加型阻燃剂包括金属氢氧化物、磷氮类膨胀阻燃、硅系阻燃剂剂和可膨胀石墨等。但是添加量往往需要较大才能达到阻燃改性，而添加量过大则易造成乳液破乳、沉淀和成膜性差等情况，继而导致水性聚氨酯性能的下降。化学反应型则是通过化学反应将阻燃元素或基团引入聚氨酯分子中，从而获得良好及持久的阻燃效果，且对基体性能影响较小。按照阻燃单体所参与反应的不同，化学反应型可分为软段阻燃改性、硬段阻燃改性和后扩链阻燃改性。目前，由于这些改性工艺较为复杂，工业化生产较少。

同时，对于阻燃改性水性聚氨酯，目前大部分研究所采用的改性方法仅针对单一的物理共混或者化学反应，而单一阻燃剂的改性效果往往达不到使用环境所要求的性能。如阻燃型多元醇虽具有阻燃效果持久、不破坏聚氨酯结构的优点，但阻燃性能逊色于添加型阻燃剂。另外，在提升基体阻燃性能的同时往往会降低涂料的基本性能。在不影响原有性能的基础上，高效地提高水性聚氨酯涂料的阻燃性能，甚至赋予其更高的功能化性能，这仍需要更多的探索、研究与实践。

发明内容

本发明旨在至少解决上述现有技术中存在的技术问题之一。为此，本发明提出了一种含氮化碳的阻燃改性水性聚氨酯及其制备方法与应用。本发明采用含磷二元醇P-polyol作为阻燃多元醇，利用其分子结构中同时含有磷元素和苯环基团，可产生磷-苯环协同阻燃效果，提高了聚氨酯树脂的阻燃性能和刚性；并以乙二胺为后扩链剂，提高了水性聚氨酯的硬度和稳定性；同时在阻燃多元醇的基础上，引入添加型阻燃剂硅烷偶联剂改性的氮化碳作为协效阻燃剂，进一步提高了聚氨酯的阻燃性能和耐水性能。

为克服上述技术问题，本发明的第一方面提供了一种含氮化碳的阻燃改性水性聚氨酯的制备方法，包括以下步骤：

(1)将己二酸系聚酯多元醇、脂肪族二异氰酸酯、含磷二元醇P-polyol和前扩链剂溶液混合，加热，在氮气保护下进行聚合反应；降温后加入中和剂进行中和反应；然后加入水，进行分散乳化；再加入乙二胺进行后扩链反应，过滤后，得阻燃改性聚氨酯；

(2)将硅烷偶联剂改性的氮化碳在水中分散后，加入步骤(1)制得的阻燃改性聚氨酯，混合，得所述含氮化碳的阻燃改性水性聚氨酯。

本发明的阻燃改性聚氨酯在制备的过程主要分为四个阶段，其中第一阶段为：己二酸系聚酯多元醇、脂肪族二异氰酸酯、含磷二元醇P-polyol和前扩链剂溶液逐步聚合，得到带有-NCO端基的预聚体；第二阶段为：加入中和剂，中和亲水团体中的离子基团；第三阶段为加入水，进行分散乳化；第四阶段为：加入乙二胺作为后扩链剂，与体系中预聚体中未反应的异氰酸根进行后扩链反应。