專利名稱：一種用于紙張表面增強的蓖麻油型水性聚氨酯及其制備方法
技術領域：
本發明涉及造紙化學品領域，具體涉及一種用于紙張表面增強的蓖麻油型水性聚氨酯及其制備方法。
背景技術：
隨著印刷技術的不斷發展，印刷行業對紙張表面性能提出了更高的要求，而造紙原料的結構卻發生了較大的變化，如廢紙回用率的提高，高得率漿、草漿的應用和高填料的加入等，均導致了紙張性能的惡化。通過表面施膠可以改進紙張的某些性能，以滿足印刷領域不斷發展的要求。傳統的表面施膠劑與纖維的親和力較差，而且在印刷過程中易出現掉毛掉粉的現象，因此新型表面施膠劑應運而生。聚氨酯被稱為性能最優異的樹脂而在各個行業得到了廣泛的應用。水性聚氨酯具有成膜性好、粘結強度高、耐磨性好等優良的綜合性能，和無毒無污染、運輸安全等環境友好的特點，將其用作紙張表面施膠劑，可以在低用量的前提下大大改善紙張的表面性能，尤其是提高紙張表面強度，使紙頁更符合現代高速發展的印刷等行業的需要。聚酯或聚醚多元醇是生產聚氨酯的主要原料之一，目前其基本上都是取自石油資源。但是，隨著全球石油資源緊缺、價格上漲等問題的日益嚴峻，尋找合適的石油資源的替代品已成為關系著國計民生的大問題，而生物資源由于其可再生性，已經成為石油資源替代品的最好選擇。蓖麻油是含長鏈脂肪基的多羥基化合物，平均官能度為2. 7，可以與異氰酸酯反應生成蓖麻油型聚氨酯。與聚醚聚酯型聚氨酯相比，蓖麻油型聚氨酯以天然可再生、價格低廉且來源豐富的蓖麻油(我國蓖麻籽的年產量居世界第二位)為原料，代替了傳統的石油型多元醇，可緩解石油資源的短缺，降低聚氨酯的成本。如郭超等人在《中國膠粘劑》2011年3 月第20卷第3期第1-3頁發表的論文指出，以蓖麻油作為部分聚醚多元醇的替代物，采用預聚體法制備出具有一定交聯結構的親水性陽離子型水性聚氨酯，改善了其耐水性能等。
發明內容
本發明的目的在于克服現有技術存在的缺點與不足，提供一種蓖麻油型水性聚氨酯及其制備方法，本發明緩解水性聚氨酯對石油資源的依賴程度，以蓖麻油作為原料，完全替代聚酯或聚醚多元醇，獲得性能優良的具有交聯結構的水性聚氨酯，用于紙張表面增強， 即提高紙張的表面結合強度，同時改善紙張的其它表面性能。本發明的目的通過以下技術方案實現
一種用于紙張表面增強的蓖麻油型水性聚氨酯，其特征在于由如下原料按照對應的質量百分比制成
蓖麻油(脫水)7. 6%-10. 1%
2，4-甲苯二異氰酸酯5. 2%-6. 9%二羥甲基丙酸三乙胺
二丁基錫二月桂酸酯 N-N 二甲基甲酰胺蒸餾水
5. 7%-8. 3%
O. 06%-0. 1%
70%-78%。
I. 8%-2. 8%
I. 3%-2. 1%所述蓖麻油在110°C _120°C、真空度O. 07MPa-0. 09MPa下脫水預處理2h_3h。一種用于紙張表面增強的蓖麻油型水性聚氨酯的制備方法，包括下列步驟
(1)預聚體的制備向蓖麻油中加入催化劑二丁基錫二月桂酸酯，攪拌器的轉速調為 80-100r/min，升溫至75°C并保持恒定，開始滴加2，4-甲苯二異氰酸酯，滴加完畢后反應 3h，降溫至50°C得到預聚體；
(2)擴鏈向預聚體中加入脫水后的丙酮，然后滴加溶有二羥甲基丙酸的N-N二甲基甲酰胺溶液進行擴鏈，引入親水性基團——羧基，在50°C反應4h，然后降至室溫；
(3)中和向步驟(2)中降溫后的反應體系中繼續加入脫水后的丙酮進行稀釋，將攪拌器的轉速調為180-200 r/min后滴加三乙胺進行中和；
(4)乳化調節攪拌器的轉速為400-500r/min,向步驟(3)中的反應體系中滴加蒸餾水進行乳化，乳化時間l_2h;
(5)脫除溶劑在溫度為50°C_60°C、真空度O. 07MPa-0. 09MPa的條件下采用減壓蒸餾法脫除上述反應體系中的丙酮，得到蓖麻油型水性聚氨酯；
所述在整個制備過程中不停地通入干燥的氮氣。所述采用本方法制備的一種用于紙張表面增強的蓖麻油型水性聚氨酯，其固含量為 15%-20%。所述三乙胺的加入量與二羥甲基丙酸的物質的量相等，即中和度為100%。所述步驟(2)中溶有二羥甲基丙酸的N-N 二甲基甲酰胺溶液是指將固體狀的二羥甲基丙酸溶于一定量的N-N 二甲基甲酰胺配制而成的溶液。所述步驟(2)和(3)中加入的丙酮在加入前使用4A的分子篩進行脫水。步驟(2)中加入的脫水丙酮的質量為擴鏈前反應體系總質量的2-3倍， 步驟
(3)中加入的脫水丙酮的質量為中和前反應體系總質量的1-1. 5倍。步驟(5)中脫除的丙酮可以回用。一種用于紙張表面增強的蓖麻油型水性聚氨酯具有交聯結構，在力學性能、粘結性能、耐水性和耐熱性等方面相比于普通線性結構的聚合物有很大提高，用于紙張的表面增強將賦予紙張更好的表面結合強度和其它優良的表面性能。
具體實施例方式以下結合實施例對本發明作進一步說明，但本發明要求保護的范圍并不局限于實施例表述的范圍。實施例I
一種用于紙張表面增強的蓖麻油型水性聚氨酯的制備方法包括如下步驟(I)將8. 2g 蓖麻油在110°C、真空度O. 09MPa下脫水2h，將脫水后的蓖麻油裝入配有攪拌器、回流冷凝管、溫度計、氮氣進口的反應容器中，加入O. 08g催化劑二丁基錫二月桂酸酯，保持干燥氮氣的持續通入，并調節攪拌器的轉速為80r/min，溫度控制在75°C，滴加2，4-甲苯二異氰酸酯6. 2g，滴加完畢開始計時，在75°C下反應3h后，降溫至50°C得到預聚體；(2)擴鏈向預聚體中加入脫水后的丙酮40g稀釋上述體系，然后滴加溶有2. Og 二羥甲基丙酸的N-N 二甲基甲酰胺溶液8. 6g進行擴鏈，引入親水性基團——羧基，控制溫度在50°C反應4h，然后降溫至25°C ；(3)中和在(2)中降溫后的反應體系中加入脫水后的丙酮80g進行稀釋，并調節攪拌器的轉速為180 r/min，然后滴加I. 5g三乙胺進行中和成鹽；(4)乳化調節攪拌器的轉速為400 r/min,向反應體系中緩慢滴加蒸餾水80g進行乳化，乳化時間I. 5h ; (5)脫除溶劑在50°C、真空度O. 09MPa下減壓蒸餾脫除體系中的丙酮得到一種用于紙張表面增強的蓖麻油型水性聚氨酯。將上述制得的水性聚氨酯產品稀釋至固含量為7%，用于靜電復印紙原紙的表面增強將靜電復印紙原紙在施膠機上進行單面施膠，施膠量為15kg/噸紙，烘干溫度為70°C。 施膠前紙張的印刷表面強度(以干拉毛速度表征)為1.09m/s，油墨吸收值(K&N值)為 58. 17%，Cobb值為74. 34g/m2 ;施膠后紙張的印刷表面強度(以干拉毛速度表征)為I. 77m/ s，油墨吸收值(K&N 值)為 38. 95%，Cobb 值為 33. 10g/m2。實施例2
一種用于紙張表面增強的蓖麻油型水性聚氨酯的制備方法包括如下步驟(I)將 10. 9g蓖麻油在120°C、真空度O. 08MPa下脫水3h，將脫水后的蓖麻油裝入配有攪拌器、回流冷凝管、溫度計、氮氣進口的反應容器中，加入O. 08g催化劑二丁基錫二月桂酸酯，保持干燥氮氣的持續通入，并調節攪拌器的轉速為100r/min，溫度控制在75°C，滴加2，4-甲苯二異氰酸酯6. 2g，滴加完畢開始計時，在75°C下反應3h后，降溫至50°C得到預聚體；(2) 擴鏈用脫水后的丙酮40g稀釋預聚體，然后滴加溶有2. Og 二羥甲基丙酸的N-N 二甲基甲酰胺溶液8. 6g進行擴鏈，引入親水性基團——羧基，控制溫度在50°C反應4h，然后降溫至 250C ；3)中和在(2)中體系加入脫水后的丙酮80g進行稀釋，并調節攪拌器的轉速為180 r/min,然后滴加I. 5g三乙胺進行中和成鹽；4)乳化調節攪拌器的轉速為400 r/min,向
(3)中反應體系中緩慢滴加蒸餾水80g進行乳化，乳化時間2h ;5)脫除溶劑所述反應體系在50°C、真空度O. 09MPa下減壓蒸餾脫除體系中的丙酮得到一種用于紙張表面增強的蓖麻油型水性聚氨酯。將上述制得的水性聚氨酯產品稀釋至固含量為7%，用于靜電復印紙原紙的表面增強將靜電復印紙原紙在施膠機上進行單面施膠，施膠量為15kg/噸紙，烘干溫度為70°C。 施膠前紙張的印刷表面強度(以干拉毛速度表征)為1.09m/s，油墨吸收值(K&N值)為 58. 17%，Cobb值為74. 34g/m2 ;施膠后紙張的印刷表面強度(以干拉毛速度表征)為I. 91m/ s，油墨吸收值(K&N 值)為 37. 89%，Cobb 值為 24. 97g/m2。實施例3
一種用于紙張表面增強的蓖麻油型水性聚氨酯的制備方法包括如下步驟(I)將 10. 9g蓖麻油在120°C、真空度O. 09MPa下脫水2h，將脫水后的蓖麻油裝入配有攪拌器、回流冷凝管、溫度計、氮氣進口的反應容器中，加入O. OSg催化劑二丁基錫二月桂酸酯，保持干燥氮氣的持續通入，并調節攪拌器的轉速為80r/min，溫度控制在75°C，滴加2，4-甲苯二異氰酸酯6. 2g，滴加完畢開始計時，在75°C下反應3h后，降溫至50°C ；(2)擴鏈用脫水后的丙酮40g稀釋上述體系，然后滴加溶有2. 4g 二羥甲基丙酸的N-N 二甲基甲酰胺溶液8. 9g進
5行擴鏈，引入親水性基團——羧基，控制溫度在50°C反應4h，然后降溫至25°C;(3)中和在
(2)中的反應體系中加入脫水后的丙酮80g進行稀釋，并調節攪拌器的轉速為180 r/min, 然后滴加I. 8g三乙胺進行中和成鹽；(4)乳化調節攪拌器的轉速為400 r/min，向(3)中的反應體系中緩慢滴加蒸餾水80g進行乳化，乳化時間2h ；(5)脫除溶劑在50°C、真空度
O.09MPa下減壓蒸餾脫除體系中的丙酮得到一種用于紙張表面增強的蓖麻油型水性聚氨酯。將上述制得的水性聚氨酯產品稀釋至固含量為7%，用于靜電復印紙原紙的表面增強將靜電復印紙原紙在施膠機上進行單面施膠，施膠量為15kg/噸紙，烘干溫度為70°C。 施膠前紙張的印刷表面強度(以干拉毛速度表征)為1.09m/s，油墨吸收值(K&N值)為 58. 17%，Cobb值為74. 34g/m2 ;施膠后紙張的印刷表面強度(以干拉毛速度表征)為2. 54m/ s，油墨吸收值(K&N 值)為 35. 75%，Cobb 值為 28. 78g/m2。
權利要求
1.一種用于紙張表面增強的蓖麻油型水性聚氨酯，其特征在于由如下原料按照對應的質量百分比制成蓖麻油7. 6%-10. 1%2，4-甲苯二異氰酸酯5. 2%-6. 9%二羥甲基丙酸I. 8%-2. 8%三乙胺I. 3%-2. 1%二丁基錫二月桂酸酯 O. 06%-0. 1%N-N 二甲基甲酰胺5. 7%-8. 3%蒸餾水70%-78%。
2.制備權利要求I所述的一種用于紙張表面增強的蓖麻油型水性聚氨酯的方法，其特征在于包括以下步驟(1)預聚體的制備向蓖麻油中加入催化劑二丁基錫二月桂酸酯，攪拌器的轉速調為 80-100r/min，升溫至75°C并保持恒定，開始滴加2，4-甲苯二異氰酸酯，滴加完畢反應3h， 降溫至50°C得到預聚體；(2)擴鏈向預聚體中加入脫水后的丙酮，然后滴加溶有二羥甲基丙酸的N-N二甲基甲酰胺溶液進行擴鏈，在50°C反應4h，然后降至室溫；(3)中和向步驟(2)中降溫后的反應體系中繼續加入脫水后的丙酮進行稀釋，將攪拌器的轉速調為180-200 r/min后滴加三乙胺進行中和；(4)乳化調節攪拌器的轉速為400-500r/min,向步驟(3)中的反應體系中滴加蒸餾水進行乳化，乳化時間l_2h;(5)脫除溶劑在溫度為50°C_60°C、真空度O. 07MPa-0. 09MPa的條件下采用減壓蒸餾法脫除上述反應體系中的丙酮，得到蓖麻油型水性聚氨酯；所述在整個制備過程中通入干燥的氮氣。
3.根據權利要求2所述的一種用于紙張表面增強的蓖麻油型水性聚氨酯的制備方法， 其特征在于所述蓖麻油在110°c -120°c、真空度O. 07MPa-0. 09MPa下脫水預處理2h_3h。
4.根據權利要求2所述的一種用于紙張表面增強的蓖麻油型水性聚氨酯的制備方法， 其特征在于所述三乙胺的加入量與二羥甲基丙酸的物質的量相等。
5.根據權利要求2所述的一種用于紙張表面增強的蓖麻油型水性聚氨酯的制備方法， 其特征在于所述丙酮使用4A的分子篩進行脫水預處理。
6.根據權利要求2所述的一種用于紙張表面增強的蓖麻油型水性聚氨酯的制備方法， 其特征在于步驟(2)加入的脫水后的丙酮質量為擴鏈前的反應體系總質量的2-3倍；步驟(3)加入的脫水后的丙酮質量為中和前的反應體系總質量的1-1. 5倍。
全文摘要
本發明公開了一種用于紙張表面增強的蓖麻油型水性聚氨酯及其制備方法本發明的原料包括脫水蓖麻油、2,4-甲苯二異氰酸酯、二羥甲基丙酸、三乙胺、二丁基錫二月桂酸酯、N-N二甲基甲酰胺和蒸餾水；制備方法包括預聚體的制備、擴鏈、中和、乳化和脫除溶劑。水性聚氨酯所用原料為天然的蓖麻油，完全替代石油型多元醇，緩解了水性聚氨酯對石油資源的依賴程度，且產品具有交聯結構，用于紙張的表面增強，即提高紙張的表面結合強度效果良好，同時改善了紙張的其它表面性能。
文檔編號C08G18/67GK102604033SQ20121006464
公開日2012年7月25日 申請日期2012年3月13日 優先權日2012年3月13日
發明者劉建安, 樊慧明, 馬雅琦 申請人:華南理工大學