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TWI394765B - 難燃水性聚胺基甲酸酯分散液 - Google Patents

難燃水性聚胺基甲酸酯分散液 Download PDF

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TWI394765B
TWI394765B TW097148467A TW97148467A TWI394765B TW I394765 B TWI394765 B TW I394765B TW 097148467 A TW097148467 A TW 097148467A TW 97148467 A TW97148467 A TW 97148467A TW I394765 B TWI394765 B TW I394765B
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Ruei Shin Chen
Yuung Ching Sheen
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Ind Tech Res Inst
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Description

難燃水性聚胺基甲酸酯分散液
本發明係有關於一種水性聚胺基甲酸酯,且特別是有關於一種難燃水性聚胺基甲酸酯分散液
聚胺基甲酸酯(PU)具有優良的物性與多變的組成,適合各種不同的用途,其可作為塗料、接著劑或密封劑等,早期使用多以溶劑型PU為主,但內含之有機物揮發會危害人體健康且造成環境污染,因此目前開發主流以水性PU為主。
然而,一般PU難燃性差,遇到火源或是在高溫的環境下會產生燃燒現象,為了解決此問題,業界將難燃劑(例如鹵系化合物、磷系化合物、無機粉體等)摻混入水性PU中,以達到阻燃效果。
日本專利JP 2002235027利用PU與無機難燃劑進行摻混,達到阻燃效果。日本專利JP 2002294018製備出核-殼(core-shell)結構之星狀高分子,核為PU結構,而殼為丙烯酸(acrylic acid)結構,再加入大量之紅磷、無機難燃劑進行摻混,以達到阻燃效果。台灣專利TW 261594利用含溴界面活性劑改質之奈米級黏土作為難燃劑,使與PU原料混合後,再聚合成水性PU,使其具有耐燃效果。
然而,大多數製備難燃水性PU時,係將難燃劑摻混入水性PU中,但其經過水洗後,通常會使難燃性降低,因此需添加高含量之難燃劑,以達到阻燃效果,但難燃劑 添加量過高時,卻會造成PU塗佈困難、加工不易的問題。
因此,業界亟需開發一種難燃水性PU,其經過水洗後仍然可維持其難燃性。
本發明提供一種難燃水性聚胺基甲酸酯分散液,包括:1~50重量份之含活性氫之磷系難燃劑;10~40重量份之二異氰酸酯;30~80重量份之多元醇;以及1~15重量份之含活性氫且可形成親水性官能基之化合物。
為讓本發明之上述和其他目的、特徵、和優點能更明顯易懂,下文特舉出較佳實施例,作詳細說明如下:
本發明提供一種難燃水性聚胺基甲酸酯分散液,其包括1~50重量份、較佳5~30重量份、更佳7~20重量份之含活性氫之磷系難燃劑、10~40重量份、較佳13~35重量份、更佳15~30重量份之二異氰酸酯(diisocynate)、30~80重量份、較佳40~75重量份、更佳50~70重量份之多元醇(polyol)佔,以及1~15重量份、較佳3~10重量份、更佳4~7重量份之含活性氫且可形成親水性官能基之化合物。上述提及之”活性氫”,意指其化合物分子結構上之氫原子具有較高的反應活性(activity),此氫原子不穩定,容易與其他化合物進行化學反應(例如取代反應)。
本發明選擇一磷系之難燃劑,其至少含有三個磷酸酯 單元之聚磷酸酯,其化學結構式如下:
其中,R1 為烷基或烷氧基,較佳為C1~C4之烷基或烷氧基,最佳為C1~C2之烷基或烷氧基;R2 為乙烯基;n為50~270之整數,較佳為80~240之整數,最佳為100~200之整數。
此處須注意的是,一般使用鹵系難燃劑,其燃燒時會產生腐蝕性與毒性氣體,且發煙量大,容易造成人體與環境之危害,而本發明所使用之磷系難燃劑,其具有低發煙量和低毒性之優點,能符合環保需求。
由於本發明使用之難燃劑中含有活性氫,其能與二異氰酸酯進行化學反應,而產生化學鍵結於合成之聚胺基甲酸酯分子主鏈上,相較於習知技術(摻混難燃劑的方式),本發明使用之難燃劑不會因為水洗而掉落,進而可以降低難燃劑之使用量與節省製程成本。
本發明使用之二異氫酸酯,包括脂肪族二異氰酸酯或芳香族二異氰酸酯。其中較佳例如為二異氰酸甲苯酯(Toluene diisocyanate,TDI)、對-二異氰酸苯酯(p-Phenylene diisocyanate,PPDI)、二異氫酸4,4' -二苯基甲烷酯(4,4' -Diphenylmethane diisocyanate,MDI)、二異氫酸p,p' -二苯基酯(p,p' -Bisphenyl diisocyanate,BPDI)、異佛爾酮二異氰酸酯(Isophorone diisocyanate,IPDI)、1,6-亞已基二異氰酸酯(1,6-Hexamethylene diisocynate,HDI)、二環己基 甲烷-4,4-二異氰酸酯(Hudrogenate diphenylmethane-4,4'-diisocyanate,H12 MDI)。另外,此二異氰酸酯更可包括:鹵素、硝基、氰基、烷基、烷氧基、鹵烷基、羥基、羧基、醯胺基、胺基或上述組合之取代基。
本發明之多元醇包括二醇類、多醇類、醚二醇類,其分子量範圍為60~6000,其中該二醇類例如乙二醇、丙二醇、丁二醇、戊二醇、己二醇、環己二醇、環己基二甲醇(Cyclohexyldimethanol,CHDM)、辛二醇、異戊二醇(Neopentyl glycol,NPG)、三甲基戊二醇(Trimethylpentanediol,TMPD)、苯二甲醇、苯二酚、甲苯二酚或雙酚A(Bisphenol-A)、丁二醇-己二酸共聚物[Poly(butanediol-co-adipate)glycol,PBA]、聚丁二醇(Polytetramethylene glycol,PTMEG)、己二醇-己二酸共聚物[Poly(hexanediol-co-adipate)glycol,PHA]、乙二醇-己二酸共聚物[Poly(ethanediol-co-adipate)glycol,PEA]、聚丙二醇(Polypropylene glycol,PPG)、聚乙二醇(Polyethylene glycol,PEG)。而多醇類包括聚酯多元醇、聚醚多元醇、聚碳酸酯多元醇、聚己內酯多元醇、聚丙烯酸酯多元醇,例如丙三醇、三甲基醇丙烷(Trimethylolpropane)、戊四醇(Pentaerythritol)、苯三酚。而該醚二醇類例如包括二乙二醇、三乙二醇、二丙二醇、三丙二醇。多元醇之主要作用係與二異氰酸酯反應,形成一PU聚合物,此外其另可作為一物性調節劑,依照添加之多元醇分子量的不同,會決定合成產物之硬度,一般而言,低分子量之多元醇可使產 物之硬度較低。
本發明之該含活性氫且可形成親水性官能基之化合物,其主要藉由親水性官能基使合成之聚合物能夠有效分散於水中,成為一種水性PU,其中親水性官能基包括羧酸根(-COO )、亞硫酸根(-SO3 -2 )、銨根(-NR4 )或聚乙二醇根(-(CH2 CH2 O)-),而此化合物例如二羥甲基丙酸(Dimethylol propionic acid,DMPA)、二羥甲基丁酸(Dimethylol butanoic acid,DMBA)、聚環氧乙二醇(Poly(ethylene oxide)glycol)、雙(羥乙基)胺(Bis(hydroxylethyl)Amine)或3-雙(羥乙基)胺基丙烷磺酸鈉(Sodium 3-bis(hydroxyethyl)aminopropanesulfonate)。
上述提及之含活性氫之磷系難燃劑、二異氰酸酯(diisocynate)、多元醇(polyol)以及含活性氫且可形成親水性官能基之化合物,此四種成份先以預聚合物混合法(prepolymer mixing process)反應生成預聚合物,之後另外可添加一鏈延長劑,使合成之聚合物之分子量不至於太低而影響其物理性質(例如抗張強度或伸長率)。
本發明之鏈延長劑包括含有雙官能基、三官能基或四官能基之胺類,例如二乙三胺(Diethylene triamine,DETA)、三乙四胺(Triethylene tetraamine,TETA)、2-甲基-1,5-戊二胺(2-Methyl-1,5-pentamethylene diamine)或結構式為H2 N-(CH2 )m -NH2 之化合物,其中m為0~12之整數。
再者,可依製程之需要,於本發明之難燃水性聚胺基甲酸酯中加入交聯劑、增稠劑或非磷系難燃劑,用以改善 水性PU之物性。
本發明之難燃水性聚胺基甲酸酯分散液係利用預聚合物混合法(prepolymer mixing process)製得,其合成步驟如下:(A)首先取1~50重量份之含活性氫之磷系難燃劑、30~80重量份之多元醇(polyol),以及1~15重量份之含活性氫且可形成親水性官能基之化合物,將上述起始物溶於溶劑中,例如丙酮或N-甲基吡咯酮(N-methyl pyrrolidone;NMP)中,並於充滿氮氣之反應槽中均勻攪拌;(B)待上述反應物攪拌至均一相時,於反應槽中加入10~40重量份之二異氰酸酯(diisocynate),於溫度40~90℃下反應4~6小時;(C)將反應槽溫度降至約30~50℃,接著添加一鹼性溶液,例如三乙胺,以進行中和反應約15~20分鐘;(D)將上述產物加入水中進行分散,接著加入0.1~5重量份之鏈延長劑,即可得到本發明之難燃水性聚胺基甲酸酯分散液。
另外,可將上述之分散液於室溫下乾燥成膜,接著再將薄膜置於80~110℃烘箱內烘乾,即可製得一難燃水性聚胺基甲酸酯乾膜。
本發明之難燃水性聚胺基甲酸酯分散液,具有下述優點:
(1)由於含活性氫之難燃劑與聚胺基甲酸酯形成化學 鍵結,因此,難燃劑經過水洗不易掉落,仍具阻燃效果且能減少難燃劑含量,進而節省製程成本。
(2)本發明合成之分散液,不需添加任何成膜助劑、可塑劑或交聯劑的狀態下,即可乾燥成膜,製程簡易,可節省製程成本與時間。
(3)本發明之難燃水性聚胺基甲酸酯乾膜可達UL 94 V0的檢驗標準,未來極有潛力成為市售商品。
【實施例】
實施例1
將10.36 g之二羥甲基丁酸(Dimethylol butionic acid;DMBA)、20g之磷系難燃劑,其結構式如下:
、147.13g之聚四氫呋喃(polytetramethylene-ether-glycol;PTMEG)、13.01g丙酮(acetone)及14.53 g之N-甲基吡咯酮(N-methyl pyrrolidone;NMP)於通有氮氣之反應槽中攪拌均勻,待上述原料呈均一相時,將42.51 g之80:20混合比例之2,4-及2,6-二異氰酸甲苯酯(Toluene diisocyanate;TDI)加入反應槽中,55℃下反應5小時後,將反應槽的溫度降至50℃並添加7.07 g之三乙胺(Triethylamine;TEA)進行中和反應20分鐘。將已中和並具親水性之預聚合物180 g迅速加入 攪拌速率為2000 rpm的442.78 g去離子水中進行水分散,接著加入乙二胺(Ethylene diamine;EDA)1.69 g,以進行鏈延長反應。鏈延長反應於室溫持續2小時,獲得一水性PU分散液。
將此分散液倒入培養皿中,在室溫下放置成膜,再將薄膜於100℃烘乾半天,即可得厚度約為0.4±0.2 mm的薄膜。將所得之乾膜進行UL 94難燃規範測試,其結果如表1。
實施例2
將10.95 g之二羥甲基丁酸(Dimethylol butionic acid;DMBA)、20g之磷系難燃劑,其結構式如下:
、117.36g之聚四氫呋喃(polytetramethylene-ether-glycol;PTMEG)、29.34g之聚丙 二醇(polypropylene glycol;PPG)、13.76g丙酮(acetone)及13.83 g之N-甲基吡咯酮(N-methyl pyrrolidone;NMP)於通有氮氣之反應槽中攪拌均勻,待上述原料呈均一相時,將42.34 g之80:20混合比例之2,4-及2,6-二異氰酸甲苯酯(Toluene diisocyanate;TDI)加入反應槽中,55℃下反應5小時後,將反應槽的溫度降至50℃並添加7.47 g之三乙胺(Triethylamine;TEA)進行中和反應20分鐘。將已中和並具親水性之預聚合物180 g迅速加入攪拌速率為2000 rpm的338.16 g去離子水中進行水分散,接著加入乙二胺(Ethylene diamine;EDA)1.61 g,以進行鏈延長反應。鏈延長反應於室溫持續2小時,獲得一水性PU分散液。
將此分散液倒入培養皿中,在室溫下放置成膜,再將薄膜於100℃烘乾半天,即可得厚度約為0.4±0.2 mm的薄膜。將所得之乾膜進行UL 94難燃規範測試,其結果如表2。
實驗結果顯示,本發明之難燃水性PU薄膜經過浸水或洗衣粉水溶液處理後,其仍然可以維持其難燃性,皆可 達UL 94難燃規範的最高等級V0。
雖然本發明已以數個較佳實施例揭露如上,然其並非用以限定本發明,任何所屬技術領域中具有通常知識者,在不脫離本發明之精神和範圍內,當可作任意之更動與潤飾,因此本發明之保護範圍當視後附之申請專利範圍所界定者為準。

Claims (19)

  1. 一種難燃水性聚胺基甲酸酯分散液,包括:1~50重量份之含活性氫之磷系難燃劑,其中該含活性氫之磷系難燃劑為至少含有三個磷酸酯單元之聚磷酸酯;10~40重量份之二異氰酸酯;30~80重量份之多元醇,其中該多元醇包括二醇類、多醇類或醚二醇類;以及1~15重量份之含活性氫且可形成親水性官能基之化合物,其中該含活性氫且可形成親水性官能基之化合物之親水性官能基包括羧酸根(-COO- )、亞硫酸根(-SO3 -2 )、銨根(-NR4 + )或聚乙二醇根(-(CH2 CH2 O)-)。
  2. 如申請專利範圍第1項所述之難燃水性聚胺基甲酸酯分散液,其中更包括0.1~5重量份之鏈延長劑。
  3. 如申請專利範圍第1項所述之難燃水性聚胺基甲酸酯分散液,其中該聚磷酸酯之結構式如下: 其中,R1 為烷基或烷氧基;n為50~270之整數。
  4. 如申請專利範圍第3項所述之難燃水性聚胺基甲酸酯分散液,其中R1 為C1~C4之烷基或烷氧基。
  5. 如申請專利範圍第3項所述之難燃水性聚胺基甲 酸酯分散液,其中R1 為C1~C2之烷基或烷氧基。
  6. 如申請專利範圍第3項所述之難燃水性聚胺基甲酸酯分散液,其中n為80~240之整數。
  7. 如申請專利範圍第3項所述之難燃水性聚胺基甲酸酯分散液,其中n為100~200之整數。
  8. 如申請專利範圍第1項所述之難燃水性聚胺基甲酸酯分散液,其中該二異氰酸酯包括芳香族二異氰酸酯或脂肪族二異氰酸酯。
  9. 如申請專利範圍第8項所述之難燃水性聚胺基甲酸酯分散液,其中該二異氰酸酯包括二異氰酸甲苯酯(Toluene diisocyanate,TDI)、對-二異氰酸苯酯(p-Phenylene diisocyanate,PPDI)、二異氫酸4,4' -二苯基甲烷酯(4,4' -Diphenylmethane diisocyanate,MDI)或二異氫酸p,p' -二苯基酯(p,p' -Bisphenyl diisocyanate,BPDI)、異佛爾酮二異氰酸酯(Isophorone diisocyanate,IPDI)、1,6-亞已基二異氰酸酯(1,6-Hexamethylene diisocynate,HDI)或二環己基甲烷-4,4-二異氰酸酯(Hudrogenate diphenylmethane-4,4'-diisocyanate,H12 MDI)。
  10. 如申請專利範圍第1項所述之難燃水性聚胺基甲酸酯分散液,其中該二異氰酸酯更包括:鹵素、硝基、氰基、烷基、烷氧基、鹵烷基、羥基、羧基、醯胺基、胺基或上述組合之取代基。
  11. 如申請專利範圍第1項所述之難燃水性聚胺基甲酸酯分散液,其中該二醇類包括乙二醇、丙二醇、丁二醇、 戊二醇、己二醇、環己二醇、環己基二甲醇(Cyclohexyldimethanol,CHDM)、辛二醇、異戊二醇(Neopentyl glycol,NPG)、三甲基戊二醇(Trimethylpentanediol,TMPD)、苯二甲醇、苯二酚、甲苯二酚或雙酚A(Bisphenol-A)、丁二醇-己二酸共聚物[Poly(butanediol-co-adipate)glycol,PBA]、聚丁二醇(Polytetramethylene glycol,PTMEG)、己二醇-己二酸共聚物[Poly(hexanediol-co-adipate)glycol,PHA]、乙二醇-己二酸共聚物[Poly(ethanediol-co-adipate)glycol,PEA]、聚丙二醇(Polypropylene glycol,PPG)或聚乙二醇(Polyethylene glycol,PEG)。
  12. 如申請專利範圍第1項所述之難燃水性聚胺基甲酸酯分散液,其中該多醇類包括聚酯多元醇、聚醚多元醇、聚碳酸酯多元醇、聚己內酯多元醇或聚丙烯酸酯多元醇。
  13. 如申請專利範圍第12項所述之難燃水性聚胺基甲酸酯分散液,其中該多醇類包括丙三醇、三甲基醇丙烷(trimethylolpropane)、戊四醇(Pentaerythritol)或苯三酚。
  14. 如申請專利範圍第1項所述之難燃水性聚胺基甲酸酯分散液,其中該醚二醇類包括二乙二醇、三乙二醇、二丙二醇或三丙二醇。
  15. 如申請專利範圍第1項所述之難燃水性聚胺基甲酸酯分散液,其中該多元醇之分子量範圍為60~6000。
  16. 如申請專利範圍第1項所述之難燃水性聚胺基甲酸酯分散液,其中該含活性氫且可形成親水性官能基之化 合物包括二羥甲基丙酸(Dimethylol propionic acid,DMPA)、二羥甲基丁酸(Dimethylol butanoic acid,DMBA)、聚環氧乙二醇(Poly(ethylene oxide)glycol)、雙(羥乙基)胺(Bis(hydroxylethyl)Amine)或3-雙(羥乙基)胺基丙烷磺酸鈉(Sodium 3-bis(hydroxyethyl)aminopropanesulfonate)。
  17. 如申請專利範圍第1項所述之難燃水性聚胺基甲酸酯分散液,其中該鏈延長劑包括含有雙官能基、三官能基或四官能基之胺類。
  18. 如申請專利範圍第1項所述之難燃水性聚胺基甲酸酯分散液,其中該鏈延長劑包括乙二胺、二乙三胺(Diethylene triamine,DETA)、三乙四胺(Triethylene tetraamine,TETA)、2-甲基-1,5-戊二胺(2-Methyl-1,5-pentamethylenediamine)或結構式為H2 N-(CH2 )m -NH2 之化合物,其中m為0~12之整數。
  19. 如申請專利範圍第1項所述之難燃水性聚胺基甲酸酯分散液,其中該難燃水性聚胺基甲酸酯分散液更包括交聯劑、增稠劑或非磷系難燃劑。
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