IPDI三聚体的合成工艺及使用介绍

摘要 : 研究了异佛尔酮二异氰酸酯 ( I P D I ) 三聚体的合成工艺。讨论了月桂醇用量、转化率及三聚反应 温度对三聚体性能的影响。该三聚体在分离游离 IPDI 后，各项性能指标符合设计要求。

关键词 : IPDI 三聚体 ; 游离 IPDI; 固化剂 ; 聚氨酯

0 前 言

异佛尔酮二异氰酸酯 ( I P D I ) 三聚体具有不黄 变、硬度高及干速快的优点，其作为聚氨酯涂料固 化剂在汽车涂料、高档木器涂料等领域得到了广 泛的应用。 I P D I 三聚体的研究和开发越来越受到 关注 [1-7] ，但 IPDI 三聚体中残留的游离 IPDI 对人体危 害非常大 [8-9] ，于是人们用薄膜蒸发器进行后处理降 低固化剂中游离 I P D I 。 I P D I 三聚体的合成工艺对薄 膜分离工艺和产品质量有较大的影响，本文旨在对 I P D I 三聚体的合成工艺进行研究，以期得到适合于 薄膜分离的固化剂，最终得到游离 IPDI 含量较低、性 能优异的 IPDI 三聚体。

1 试验部分

1.1 原料

异佛尔酮二异氰酸酯（ I P D I ）、醋酸丁酯、 N , N , N - 三甲基 - N - (2- 羟基乙基 ) - 氢氧化铵、月桂醇、月桂酸二丁基锡等。

1.2 合成工艺

在合成设备的上釜加入月桂醇，保持温度在 30 ℃ 以上 ; 下釜加入 I P D I 单体、醋酸丁酯及月桂酸二丁 基锡，搅拌。将下釜加热至 60 ℃ ，滴加上釜物料，滴 加过程中用冷却水控制温度在（ 60 ± 2 ） ℃范围内， 滴加时间视生产量的多少控制在 0.5 ～ 3 h 内，保温 2 h ，升温至三聚反应温度，加入 N , N , N - 三甲基 - N - (2- 羟基乙基 ) - 氢氧化铵，测试游离 I P D I 并计 算转化率，当达到设定转化率后，终止反应。以下讨 论中，如无特别注明，参数选择如下 : 转化率为 78% ～ 82% ， w ( 醋酸丁酯 ) 为 10% ，三聚反应温度为 70 ℃ 。 上述固化剂如中控指标检测合格，可进入薄膜 分离设备分离游离 IPDI [10] 。

1.3 测试方法

表 1 为测试方法及采用的标准。

表 1 测试项目及方法

为了保证薄膜分离设备工作正常，必须控制三 聚体的本体黏度，即不含游离单体及溶剂的三聚体 黏度，由于难以测试三聚体的本体黏度，本文测试三聚体 93% 固含黏度 : 将未分离的三聚体中的全部醋酸 丁酯及部分 I P DI 单体分离出来，至 w ( I P D I ) =7% ，按 GB/T 12009.3-1989 测试 25 ℃ 黏度。

1.4 分析方法

红外光谱（ I R ） : 样品涂在溴化钾盐片，采用 NICOLET 公司的商品牌号为 NEXUS470 的红外光 谱仪，分辨率为 4 cm -1 。

2 结果与讨论

2.1 红外表征

2 270 cm -1 附近的特征峰归属于— NCO 。 1 714 c m -1 为氨基甲酸酯与异氰尿酸酯的 C = O 伸缩振动 峰， 1 414 c m -1 附近为异氰尿酸酯上环振动峰， 3 360 cm -1 为 N — H 的伸缩振动峰，而 2 949 cm -1 附 近的吸收峰则归属于— CH 2 。

图 1 IPDI 三聚体的红外光谱

2.2 月桂醇的影响

在 I P D I 三聚体合成的报道中，一般没有对三聚 体进行一元醇的改性 [1-7] 。本研究为了控制三聚体物 料 93% 固含黏度，引入月桂醇对三聚体进行改性，表 2 为试验结果。

表 2 月桂醇用量对三聚体性能的影响

从表 2 可知，不加月桂醇， 93% 固含黏度达到 45 000 mPa · s ，不利于后续的薄膜处理工艺，将可 能出现物料堆积、分离效率低等现象 ; 加入 3% ～ 8% 的月桂醇后， 93% 固含黏度明显降低，可顺利在薄膜 分离设备上进行分离 [10] 。继续增加月桂醇的用量，黏 度还将继续降低，但影响喷板后涂膜的干速及硬度。

2.3 醋酸丁酯溶剂的影响

I P D I 三聚体可选择本体聚合或溶液聚合，为了 简化后续的分离工作，薄膜分离处理的 I P D I 三聚体 合成大多采用本体聚合，利用未反应的单体稀释物 料 [3 ， 5] 。为了降低物料本体黏度，本研究加入醋酸丁酯 作为反应溶剂，醋酸丁酯溶剂对三聚体性能的影响 见表 3 。

表 3 醋酸丁酯用量对三聚体性能的影响

从表 3 可见，加入一定量的醋酸丁酯，可降低 93% 固含黏度 ; 当醋酸丁酯质量分数为 10% 时，继续 增加醋酸丁酯用量， 93% 固含黏度基本保持不变。考 虑到随着体系醋酸丁酯用量增加，会导致后续的薄 膜处理能耗增加，醋酸丁酯的加入量以 10% 为佳。

2.4 转化率的影响

较高的转化率有利于提高生产效率，但转化率 过高容易导致多聚体的产生，增加物料的本体黏度， 影响薄膜分离设备正常运行。转化率对三聚体性能 的影响见表 4 。

表 4 转化率对三聚体性能的影响

从表 4 可知，转化率不大于 60% 时， 93% 固含黏度 随转化率的提高基本不变，约 27 000 mPa · s; 转化 率为 60% ～ 80% 时， 93% 固含黏度随转化率的提高缓 慢增长，不大于 30 000 mPa · s ，可顺利在薄膜分离 设备上进行分离 [10] ; 转化率大于 80% 时， 93% 固含黏 度随转化率的提高而急剧增长。有文献报道 I P D I 三 聚体转化率控制在 50% 以下 [3] ，由于本研究用月桂醇 对 IPDI 三聚体进行改性，并采用溶液聚合，转化率高 达 80% 仍可顺利进行后续的薄膜分离。

2.5 反应温度的影响

反应温度对三聚体性能的影响见表 5 。

表 5 反应温度对三聚体性能的影响

从表 5 可知，反应温度不大于 70 ℃ 时，产物的色 泽较浅， 93% 固含黏度随温度增加变化不大 ; 反应温 度超过 70 ℃ 时，产物的色泽及 93% 固含黏度都急剧 上升。由于在 60 ℃ 反应温度下反应时间较长，生产 时三聚反应温度控制在 68 ～ 70 ℃ , 可得到色泽浅、 93% 固含黏度低的产物。

2.6 测试及应用

将合成后的 I PDI 三聚体通过薄膜分离设备 [10] 分 离醋酸丁酯及未反应的 I P D I ，得到的产物溶解于 醋酸丁酯中，最终得到的 I P D I 成品三聚体性能指 标如下 : w ( 固含量 ) ≥ 68% ， w ( 游离 I P D I ) ≤ 0.5% ， w ( — NCO) ≥ 10.8 ％。将所得的 IPDI 三聚体应用于实色底漆、亚光白漆 及亮光白漆进行测试。按 G B 1727-79 中喷涂法制涂 膜，施工条件 25 ℃ ，相对湿度 70% ，检测结果见表 6 。

表 6 检测结果

指标实色底漆亮光

注 :IPDI 固化剂在物理性能及喷板效果方面满足高档木器涂料应用要求。

3 结 论

（ 1 ） w ( 月桂醇 ) =3% ～ 8% 、 w ( 醋酸丁酯 ) =10% 、转 化率 =80% 及三聚反应温度为 70 ℃ 的情况下，可得 到色泽较浅、 93% 固含黏度较低的 I P D I 三聚体，该三 聚体可通过薄膜分离设备分离未反应的 IPDI 。 (2) 得到的成品三聚体 w ( 游离 I P D I ) ≤ 0.5% ，可 满足高档木器涂料的应用要求。

温晋嵩

（广东华润涂料有限公司，广东顺德 528306 ）

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