张燕红，黄洪，夏正斌，陈焕钦 

                     (华南理工大学化学与化工学院，广州510640) 

    摘要：研究了适合在薄膜蒸发器中进行游离TDI分离的TDI-TMP聚氨酯固化剂的合成工艺。讨论了合成过程中甲苯二异氰酸酯(TDI)与三羟甲基丙烷(TMP)投料比、反应温度、加料方式对预聚物性能的影响。试验表明：在TDI与TMP质量比在5∶1，反应温度在50℃，反应时间5h的合成条件下，得到的预聚物相对分子质量小、黏度低、流动所需温度低，适合在薄膜蒸发器中进行游离TDI的分离，分离后的聚氨酯固化剂色泽浅、游离TDI含量和—NCO含量符合设计要求。

    关键词：游离TDI；TDI-TMP预聚物；聚氨酯；固化剂

    0.引言

    在双组分聚氨酯涂料中，聚氨酯固化剂是其中的一个重要组分，聚氨酯固化剂实际上是聚氨酯的预聚物，它是由三羟甲基丙烷(TMP)与甲苯二异氰酸酯(TDI)发生加成反应生成，预聚物上的—NCO基团与聚酯、聚醚等树脂上的羟基反应实现固化。作为常用的涂料固化剂，它能赋予涂膜多种优良的性能。聚氨酯涂膜具有外观良好、硬度大、耐腐蚀性良好、耐化学品性优良等而受到人们青睐。然而聚氨酯固化剂中残余的游离TDI对人体的危害非常大，因此如何降低聚氨酯固化剂中的游离TDI是重要的研究课题。实际上，影响TDI-TMP加成物产品质量的有2大因素，即前期化学反应工艺和后期游离TDI的分离工艺。本工作旨在对TDI-TMP加成物的合成工艺进行探讨，合成优质固化剂，而且本工作是在有薄膜蒸发器进行后处理的基础上进行的，合成的固化剂适合在薄膜蒸发器中进行游离TDI的分离，最终得到性能优良的聚氨酯固化剂。

    1.实验部分

    1.1实验原料

    甲苯二异氰酸酯(TDI-80/20)：工业级，日本三井；三羟甲基丙烷(TMP)：工业级，中国石油吉化集团；醋酸丁酯：工业级，广州珠江化工集团公司。

    1.2合成工艺

    将水浴槽的温度设定在指定温度，将称量好的TDI和醋酸丁酯加入到四口瓶中，开始搅拌，将脱水后保温在60℃以上的TMP滴加到TDI中，在1h左右滴加完毕，再反应4h，反应过程中控制反应温度在50℃。测试黏度、固含量、TDI含量和—NCO含量。

    1.3测试方法

    —NCO含量用二正丁胺-盐酸滴定法；游离TDI含量用气相色谱法测定；固含量按GB/T1725—1979(1989)测定；固化剂黏度测定采用GB/T1723—1993“涂料黏度测定法”。

    2.结果与讨论

    2.1原料中水的影响

    TMP在室温下是白色固体，与空气接触，极易吸水。水分子可与—NCO基团反应，形成聚合物。消耗相同质量的异氰酸酯，1份水相当于5份TMP。因此一旦TMP中含水，就会严重地影响产品的质量。将没脱水的TMP直接和TDI反应与脱水后的TMP和TDI反应的产物作了比较，结果如表1所示。

                       表1水对合成预聚物性能的影响

    从表1可以看出，水对合成预聚物的黏度有较大影响，黏度大，不利于游离TDI在分子蒸馏设备中的分离。另外，水也消耗了—NCO基团，使—NCO质量分数降低。因此，TMP及溶剂在投料前脱水是很有必要的，它是保证产品性能优良的重要环节。

    2.2单体配比对聚氨酯固化剂合成的影响

    在国内聚氨酯固化剂合成工艺的报道中，一般没有考虑对固化剂中游离TDI进行分离的后处理工序，为了尽量减少固化剂中有毒的游离TDI的含量，TDI与TMP大多控制在不以凝胶为前提的最小比，即TDI与TMP以理论比即物质的量的比为3∶1，质量比为3.89∶1的小范围变化来设计配方[1-5]。本研究有薄膜蒸发器分离游离TDI的后处理工艺作后盾，合成工艺与分离工艺相结合，因此合成工艺突破传统的思路，对TDI与TMP的配比大胆进行尝试，实验结果如表2所示。

                           表2物料配比对合成预聚物性能的影响

    采用TDI大量过量的方式来合成固化剂，羟基基本上是被TDI上的—NCO包围，未反应的羟基和TDI上的—NCO反应的概率大，得到的固化剂就接近理想反应，TDI过量越多，反应接近理想反应的程度越大。从表2可以看出，TDI过量得越多，体系黏度越低，继续增大TDI的含量，按黏度的趋势，体系黏度会继续降低，但凝胶时间相差已经不是太大了，而且凝胶所需时间已经很长了，这么长的时间足够分离时不凝胶也不固化。考虑到随着体系中未反应TDI含量的增加，会导致后处理能耗加重，所以确定TDI与TMP的质量配比为5∶1。

    2.3反应温度的影响

    温度是TDI-TMP加成反应重要的影响因素。反应温度越高，反应速度越快，反应完成所需时间越短，但是反应温度越高，副反应越多，产物的黏度越大，各种物料越容易被氧化，产物的颜色越深，而且反应温度越高，TDI分子的2个—NCO基团的活性差异越小，这样得到的产物相对分子质量分布越不均匀。另一方面，该反应是放热反应，外界所给予的能量越多，越不利于反应的控制，反应体系黏度迅速增加甚至有可能造成凝胶。因此，在合成反应中要避免高温。表3为反应温度对产物性能的影响。

                          表3反应温度对合成预聚物性能的影响

    从表3可以看出，温度对产物的黏度和颜色影响较大，对产物的固体分含量、密度、—NCO值影响不大。TMP在低于40℃时易析出，因此反应低限温度不宜低于40℃。本实验突破了先低温再高温反应的传统思路[2-4，6]，采用一直在较低温度下反应，适当增加反应时间。结果表明，反应不仅能够进行，而且趋于理想反应，所得到的反应产物颜色浅，相对分子质量小，黏度低，流动所需温度低，这样的产物适合在薄膜蒸发器中进行游离TDI的分离。因此，该合成反应选择在较低温度下进行，延长反应时间使反应xx，反应温度控制在50℃，1h滴加xx后，再继续反应4h，得到的加成产物直接在薄膜蒸发器上进行游离TDI的分离，得到了性能优良的xx固化剂。

    2.4加料方式对合成预聚物性能的影响

    在聚氨酯固化剂的合成工艺中，加料方式有多种，而且不同的加料方式对产物影响较大。本文试验了3种加料方式，第1种是一次加料，即将脱水的TMP、TDI和醋酸丁酯一起加入到反应器中进行反应。该法的优点是工艺简单，节约设备，缩短反应时间。然而一次加料的方式中，反应过程中的温度难控制，产物相对分子质量分布不均匀，黏度大。第2种是将固体的TMP分次加料，即分多次将固体TMP加到TDI-醋酸丁酯溶液中进行反应。第3种是将脱水后的TMP保温在60℃以上(防止TMP析出)，在搅拌下将TMP溶液滴加到TDI-醋酸丁酯溶__液中进行反应。加料方式对合成预聚物的影响见表4。

                          表4加料方式对预聚物性能的影响

    在第3种工艺中，TDI相对于TMP过量，4位—NCO反应几率较大，因而反应均匀。而且滴加法反应过程容易控制，反应趋于理想化，合成的产品相对分子质量分布均匀，黏度低，在薄膜蒸发器中分离游离TDI过程中操作稳定。所以选择用第3种加料方式进行加料。

    2.5溶剂的影响

    在相同温度及固含量，不同溶剂体系的黏度是不相同的[1]。早期用环己酮作溶剂以完成均相加成反应，但产物颜色深，气味大，不宜使用。后来的研究中[1-3]，多用甲苯、二甲苯和醋酸丁酯的混合溶剂，效果较佳。本研究中，采用单一溶剂醋酸丁酯，是因为单一的溶剂其物理特性单一，便于后处理中的分离，分离后的溶剂循环使用。

    3.结语

    合成了相对分子质量小、黏度低、流动所需温度低的适合在薄膜蒸发器中进行游离TDI分离的TDI-TMP预聚物。研究表明：低温有利于反应向理想方向进行，且产物颜色浅；TDI过量越多，反应越接近理想反应，TMP及溶剂必须脱水，采用单一的醋酸丁酯溶剂，便于分离后循环使用。得出了合适的合成工艺：反应温度控制在50℃，在搅拌下将TMP溶液滴加到TDI-醋酸丁酯溶液中进行反应，1h滴加xx后，再继续反应4h，TDI和TMP的质量比为5∶1。合成的固化剂适合在薄膜蒸发器中进行游离TDI的分离，分离后得到的聚氨酯固化剂性能指标按1.3方法测得结果如下：w(残余TDI)≤0.4%，w(固含量)≥75%，w(—NCO)≥13.0%。