减少聚氨酯配方中的TEA,同时不降低性能

作者: 路博润高性能涂料团队 日期:03/07/2019

三乙胺通常简称TEA或Et3N,是一种用于制备聚氨酯分散体(PUD)的无色、挥发性液体。 它通常用在有机合成中,作为各种应用的基剂,如化学合成中的催化溶剂、腐蚀抑制剂以及聚合物的固化和硬化剂。

在PUD中,TEA起到聚合物主链中酸的抗衡离子的作用,因此可在水中形成聚合物颗粒。 这是通过电离聚氨酯预聚物中的羧酸来实现的。 TEA可中和预聚物中的酸,形成离子化的酸碱对,使其可以分散;如果不被离子化,它将不具备产生聚合物分散体所必需的亲水性。

然而,由于会产生有害蒸气,TEA近来面临着一些难题和监管压力。 即使短时间暴露于蒸气也会对眼睛和皮肤造成严重刺激。 除了人体健康问题之外,TEA还被视为一种挥发性有机化合物(VOC),具有强烈且难闻的气味,有时被描述为死鱼的臭味。

尽管TEA确实能为PUD的生产带来一些独特优势,但不含TEA的PUD配方在对配方进行适当修改后也同样有效,而且不会危害人体健康。

二甲基乙醇胺(DMEA)是TEA的一种替代品。 采用此配方加工PUD时需要更加注意,因为DMEA带有反应性醇(乙醇取代基)。 这意味着需要将其添加到水相,而TEA则可直接添加到预聚物中。 DMEA的沸点也比TEA高(挥发性更低),因此需要更长时间才能从涂层中散发,测试表明,这会降低涂层的耐化学性。 DMEA可以提供胶体稳定的粒度和分散体,这在很大程度上是由于其在加入水中时不会使预聚物受到冲击。 不过,它仍然是一种相对不太理想的VOC,而且气味也比较难闻。

无机碱或金属碱(如氢氧化钠和氢氧化钾)也可用作TEA替代品,用于电离聚合物上的酸取代基。 不过,此类材料可能较难处理,而且会对最终的PUD质量产生不良影响。 由于钠等金属会形成强碱,因此往往会在预聚物加入水中时对其产生冲击或使其发生聚结,从而导致质量不佳的沙砾状/“脏污”的分散体,其中含有的聚合物在水中不稳定,并且会导致在容器中产生沉淀。 此外,钠等金属碱是永久性或非挥发性的,因此可能会对涂层性能产生负面影响,导致其防水性较差。  但是,它们不会增加涂层的VOC排放,从而提高了产品的可持续性。

 

另一种TEA替代品是氨,氨通常用于调节pH值或制备离子化的丙烯酸乳液。 不过,由于其与异氰酸酯的高反应性水平,因此很难用于制备PUD。 如不采取特殊的预防措施,氨在分散过程中会与异氰酸酯功能性预聚物发生反应并将异氰酸酯转化为尿素。 产生的尿素不会进一步反应以提高预聚物的分子量。 聚合物需要具有一定的分子量才能正常发挥作用,而使用氨可能会导致聚合物的分子量较低。 如果最终产品的分子量变得太低,则会影响最终性能,甚至可能使产品的特性不再像固体,而更像是液体。 换句话说,会变成一种发粘的材料,不适合用作保护涂层。 因此,将氨或任何带有氢键的胺类用于分散含有活性异氰酸酯的阴离子水分散性聚氨酯以制备高分子量聚合物会存在一些问题。

非离子分散基团可用于制备PUD,同时避免使用TEA或任何其他抗衡离子。 然而,这些类型的聚合物在作为保护涂层时,其性能通常不如阴离子PUD。 这是由于水溶性非离子分散材料具有永久性,而且制备能够在水中实现稳定分散所需粒度的聚合物分散体需要的用量也相对较大。 与通过阴离子分散体获得的涂层相比,这将导致涂层对水和其他极性溶剂的敏感性大大提高。

 

不使用TEA进行合成可能更具挑战性,但从应用的角度来看,这不会改变PUR的使用方式。 然而,如果配方或成分不如使用基于TEA的PUD时那样稳定可靠,其耐化学性、硬度和成膜等特性则会受到不利影响。

从应用的角度来看,配制不含TEA的PUD与配制含有TEA的PUD并没有什么不同。 但是,如果从含TEA的PUD改为不含TEA的替代品,配方设计师应重新评估其他原料选择,尤其是共溶剂的选择。 溶剂的选择对于成膜性能至关重要,这进而会影响涂层性能,即硬度、阻隔性和耐化学性。 如果发现这些方面的性能下降,则应重新优化溶剂用量以恢复性能。

 

在首次评估不含TEA的PUD时,应遵循正常的配制方法。 所有材料应逐一筛选,以确保对树脂的相容性和有效性。 然后将各项筛选分析中确定的最佳原料组合成初始涂料配方进行测试。 根据这些结果对配方加以改进(优化)并重新测试。 持续执行这一迭代过程,直到获得所需的性能。

 

在配制不含TEA的PUD以实现性能、简单性和可持续性时,应向谁寻求帮助? 路博润可以帮助提供一个切入点,针对您的特定需求提供量身定制的解决方案,或者单纯提供建议。 路博润拥有为各类规模的配方设计机构提供易于施用的高性能产品的多年经验,这些产品可作为各种经久耐用的水性涂料的关键成分。

请联系您的路博润客户经理,进一步了解不含TEA的PUD配方选择。

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