一种带有离子液体结构的固化剂及制备方法和应用与流程

1.本发明属于防水涂料制备领域，更具体地，涉及一种带有离子液体结构的固化剂及制备方法和应用。


背景技术：

2.聚氨酯防水涂料因其优良的力学性能、耐稀酸碱腐蚀性和与混凝土的牢固粘结，在建筑防水领域得到普遍认可。相比于需要按照一定比例预先混合的双组分聚氨酯防水涂料，单组分聚氨酯防水涂料在施工前无需搅拌，开桶即用，对施工人员的要求更低，因此，是聚氨酯防水涂料中销售量最大的一种。
3.目前市场上的单组分聚氨酯防水涂料基本都是通过与空气中的水分进行反应，交联固化形成弹性致密防水膜。其基本的固化机理是通过涂料中预聚体的部分端异氰酸酯(-nco)基团与湿气反应产生二氧化碳气体和伯胺(-nh2)基团，伯胺基团快速与剩余的异氰酸酯基团反应生成脲键扩链固化(如图1所示)。在此过程中不可避免的产生了二氧化碳气体，这也是涂层容易产生气泡和针孔等缺陷的原因。涂层的缺陷会大大降低防水效果，影响施工质量。
4.为了解决这个问题，目前通常的做法是在涂料配方中加入一定量的潜固化剂。潜固化剂在存储时能在涂料中稳定存在，施工时遇湿气水解产生含有活泼氢的氨基或者羟基，能够在异氰酸酯与水反应前抢先与异氰酸酯反应，避免了二氧化碳气体的产生，从而从根本上解决单组分聚氨酯容易产生气泡的问题。但是，目前市面上所有潜固化剂在水解过程中都会释放酮类或者醛类易挥发物。因此，添加了普通潜固化剂的单组分聚氨酯防水涂料虽然减少甚至杜绝了气泡的产生，但也带来了刺激性气味大的问题，特别是在空气流通不畅的空间里问题更加明显，严重影响了单组分聚氨酯防水涂料的施工体验和客户观感(如图2所示)。
5.离子液体是一种常温下(或100℃以下)呈液态的盐类小分子，与普通基于氢键或者范德华力形成的小分子不同，离子液体因为离子键的存在，其沸点非常高，而且常温下饱和蒸气压也基本为零。wo2018/000125a1公开了一种用于环氧树脂的离子液体固化剂。其主要合成方式为多乙烯多胺与有机酸反应形成改性酰胺类固化剂，主要目的是在常温下使环氧树脂快速固化，并且固化剂在宽幅温度范围内均为液体，方便混合搅拌。
6.因此，为使单组分聚氨酯涂料或密封胶中的潜固化剂能同时具备气泡消除功能和快速固化效果，以及可大大降低单组分聚氨酯防水涂料或密封胶的刺激性气味，亟待提出一种新型的基于离子液体结构的固化剂。


技术实现要素：

7.本发明的目的是针对现有技术的不足，提出一种带有离子液体结构的固化剂及制备方法和应用。本发明解决了现有潜固化剂刺激性气味大，危害环境和施工人员身体健康的问题，同时具备气泡消除功能和快速固化效果。
8.为了实现上述目的，本发明第一方面提供了一种含有离子液体结构的固化剂，该固化剂包括三个结构单元：
9.(1)衍生自含卤脂肪醛类化合物和/或含卤芳香醛类化合物的结构单元 (a)；
10.(2)衍生自含叔胺结构的化合物的结构单元(b)；
11.(3)衍生自含伯胺结构的化合物和/或含醇胺结构的化合物的结构单元 (c)；
12.所述结构单元(b)和所述结构单元(c)各自与所述结构单元(a) 共价连接。
13.根据本发明，优选地，所述结构单元(b)与所述结构单元(a)通过所述含叔胺结构的化合物中的氮与含卤脂肪醛类化合物和/或含卤芳香醛类化合物中的卤素发生加成反应以实现共价连接，所述结构单元(c)与所述结构单元(a)通过含伯胺结构的化合物和/或含醇胺结构的化合物与含卤脂肪醛类化合物和/或含卤芳香醛类化合物中的醛基反应生成含有离子体液体结构的醛亚胺或噁唑烷结构以实现共价连接。
14.在本发明中，本发明的固化剂含有活性c＝n亚胺结构或者含有氮氧五元杂环(噁唑烷)结构，在与湿气反应时水解产生氨基或/和羟基。随后，氨基或/和羟基与聚氨酯预聚体的异氰酸根(-nco)扩链交联；本发明的固化剂在与湿气反应时同时产生离子液体醛，其蒸气压低极难挥发，不提供 voc，解决了聚氨酯涂料固化过程中释放的刺激性气味。在本发明中，本发明的一种固化剂水解反应的过程如图3所示。
15.根据本发明，优选地，所述含卤脂肪醛类化合物的通式为x-r
1-cho，其中r1选自c
2-c6的直链或支链的亚烷基，x为氯或溴。
16.根据本发明，优选地，所述含卤芳香醛类化合物的通式如式(1)所示：
[0017][0018]
其中m值为0-5的整数，n值为0-5的整数，x为氯或溴。
[0019]
在本发明中，通式(1)的—(ch2)n—x为—(ch2)m—cho的间位或对位。
[0020]
根据本发明，优选地，所述含叔胺结构的化合物为脂肪叔胺和/或环叔胺；
[0021]
所述环叔胺为五元或六元环状叔胺或其衍生物，优选选自咪唑、吡啶、吡唑、噁唑以及它们的衍生物、吡咯的n-取代衍生物和吡咯烷的n
‑ꢀ
取代衍生物中的至少一种；
[0022]
所述脂肪叔胺的通式为n(r2)3，r2各自独立地为c
1-c8的烷基；优选选自n,n-二异丙基乙基胺、三乙胺、n,n-二甲基乙胺、三正丁胺、三正辛胺和三异丙胺中的至少一种。
[0023]
根据本发明，优选地，所述含伯胺结构的化合物为含两个以上胺结构的化合物；优选包括含有两个或三个氨基的聚氧化烯-多元胺、1,2-二氨基环己烷、1,3-二氨基环己烷、1,4-二氨基环己烷、间苯二甲胺、对苯二甲胺，异佛尔酮二胺和如通式(2)所示的脂肪伯胺中的至少一种；
[0024][0025]
其中，k和z各自独立地为1-10的整数，优选为1-5的整数；y和l各自独立地为0-10的整数，优选为0-3的整数。
[0026]
根据本发明，优选地，所述含醇胺结构的化合物的通式如式(3)所示：
[0027][0028]
其中，r为c
2-c6的直链或支链烷基；优选为乙基、丙基、异丙基、正丁基和异丁基中的至少一种。
[0029]
本发明第二方面提供了所述的含有离子液体结构的固化剂的制备方法，该方法包括如下步骤：
[0030]
将所述含卤脂肪醛类化合物和/或含卤芳香醛类化合物先与所述含叔胺结构的化合物和所述含伯胺结构的化合物和/或含醇胺结构的化合物中的一种进行反应，所得产物再与另外一种进行反应，得到所述含有离子液体结构的固化剂。
[0031]
根据本发明，优选地，所述方法采用以下方式中的一种：
[0032]
方式一：
[0033]
s1：将所述含卤脂肪醛和/或含卤芳香醛类化合物、所述含叔胺结构的化合物和第一有机溶剂混合，得到第一混合体系；将第一混合体系升温至 55-65℃并在氮气氛围下反应，再依次经过减压和利用二氯甲烷萃取提纯处理，得到含有离子液体结构的醛类化合物；所述第一有机溶剂优选为无水四氢呋喃；
[0034]
s2：将所述含伯胺和/或醇胺结构的化合物和第二有机溶剂在55-65℃下搅拌混合均匀，得到第二混合体系；将所述含有离子液体结构的醛类化合物滴加至第二混合体系中，得到第三混合体系；将第三混合体系升温至 105-115℃进行反应，并依次经过分水冷凝和减压蒸馏提纯处理，得到所述带有离子液体结构的固化剂；所述第二有机溶剂优选为环己烷；
[0035]
方式二：
[0036]
s1：将所述含伯胺和/或醇胺结构的化合物和第二有机溶剂在55-65℃下搅拌混合均匀，得到第一混合体系；将所述含卤脂肪醛和/或含卤芳香醛类化合物滴加至所述第一混合体系中，得到第二混合体系；将第二混合体系升温至105-115℃进行反应，并依次经过分水冷凝和减压蒸馏提纯处理，得到含醛亚胺结构的液体产物；第二有机溶剂优选为环己烷；
[0037]
s2：将所述含醛亚胺结构的液体产物、所述含叔胺结构的化合物和第一有机溶剂混合，得到第三混合体系；将第三混合体系升温至55-65℃并在氮气氛围下反应，再依次经过减压和利用二氯甲烷萃取提纯处理，得到所述带有离子液体结构的固化剂；所述第一有机溶剂优选为无水四氢呋喃。
[0038]
在本发明中，作为优选方案，以戊二胺、对氯甲基苯甲醛和n-甲基咪唑为例，上述方式二的制备方法具体为：
[0039]
s1：将102克戊二胺(1mol)加入300ml环己烷，在60度条件下搅拌。缓慢滴加309克对氯甲基苯甲醛(2mol)，在30-60分钟内滴加完毕。升温至110℃，将反应产生的水进行分水冷凝，当生成的水达到理论值时反应完全，减压蒸馏提纯，得到醛亚胺液体产物。
[0040]
s2：将375克醛亚胺液体产物(1mol)和193ml n-甲基咪唑(2.42mol) 溶解于0.8l干燥四氢呋喃中，升温至60℃在氮气氛围下反应24小时。然后在减压条件下除去挥发性物质(包括溶剂和未反应原料)，用二氯甲烷萃取粘稠状下层物质并提纯，得到带有离子液体结构的固化剂。方式二得到的带有离子液体结构的固化剂为粘稠状偏黄色透明液体。
[0041]
本发明第三方面提供了所述的含有离子液体结构的固化剂在制备单组分聚氨酯防水涂料和/或密封胶中的应用。
[0042]
本发明的技术方案的有益效果如下：
[0043]
本发明的固化剂继承了市面上普通潜固化剂的气泡消除功能与快速固化效果，同时水解产生的醛类离子液体因为离子键的存在，不挥发进入空气，被锁在涂料中充当惰性填充剂，大大降低了单组分聚氨酯防水涂料固化过程中因释放醛类或者酮类有机物而带来的刺激性气味，同时可以起到降低voc的作用。
[0044]
本发明的其它特征和优点将在随后具体实施方式部分予以详细说明。
附图说明
[0045]
通过结合附图对本发明示例性实施方式进行更详细的描述，本发明的上述以及其它目的、特征和优势将变得更加明显，其中，在本发明示例性实施方式中，相同的参考标号通常代表相同部件。
[0046]
图1示出了现有单组分聚氨酯防水涂料的固化机理示意图。
[0047]
图2示出了现有潜固化剂的水解过程示意图。
[0048]
图3示出了本发明的一种含有离子液体结构的固化剂水解反应的过程示意图。
[0049]
图4示出了本发明实施例1的一种含有离子液体结构的固化剂的结构图。
[0050]
图5示出了本发明实施例2的一种含有离子液体结构的固化剂的结构图。
[0051]
图6示出了本发明实施例3的一种含有离子液体结构的固化剂的结构图。
[0052]
图7示出了本发明实施例4的一种含有离子液体结构的固化剂的结构图。
[0053]
图8示出了本发明实施例5的一种含有离子液体结构的固化剂的结构图。
[0054]
图9示出了本发明实施例6的一种含有离子液体结构的固化剂的结构图。
[0055]
图10示出了本发明所述的一种衍生自含卤脂肪醛类化合物和/或含卤芳香醛类化合物的结构单元(a)与一种衍生自含叔胺结构的化合物的结构单元(b)合成过程示意图以及合成物。
[0056]
图11示出了图10的合成物与本发明的一种衍生自含伯胺结构的化合物和/或含醇胺结构的化合物的结构单元(c)合成过程示意图以及合成物。
[0057]
图12示出了图10的合成物与本发明的一种衍生自含伯胺结构的化合物和/或含醇胺结构的化合物的结构单元(c)合成过程示意图以及合成物。
[0058]
图13示出了本发明实施例1的氯甲基苯甲醛和n-甲基咪唑合成的含有离子液体结
构的醛的1h-nmr谱图(核磁共振)。
[0059]
图14示出了本发明实施例1的含有离子液体结构的固化剂的1h-nmr 谱图(核磁共振)。
[0060]
图15示出了本发明实施例1的含有离子液体结构的固化剂的ftir谱图(红外光谱)。
具体实施方式
[0061]
下面将更详细地描述本发明的优选实施方式。虽然以下描述了本发明的优选实施方式，然而应该理解，可以以各种形式实现本发明而不应被这里阐述的实施方式所限制。相反，提供这些实施方式是为了使本发明更加透彻和完整，并且能够将本发明的范围完整地传达给本领域的技术人员。
[0062]
实施例1
[0063]
本实施例提供一种含有离子液体结构的固化剂，如图4所示，该固化剂包括三个结构单元：
[0064]
(1)对氯甲基苯甲醛；
[0065]
(2)n-甲基咪唑；
[0066]
(3)2-甲基戊二胺；
[0067]
上述含有离子液体结构的固化剂的制备方法包括：
[0068]
s1：将480g(3.1mol)对氯甲基苯甲醛、300ml(3.76mol)n-甲基咪唑和1l无水四氢呋喃混合，升温至60℃并在氮气氛围下反应24h，再经过减压除去挥发性物质(包括无水四氢呋喃和未反应原料)，利用二氯甲烷萃取粘稠状下层物质并提纯，得到含有离子液体结构的醛；
[0069]
s2：将102g(1mol)的2-甲基戊二胺和300ml环己烷在60℃下搅拌混合均匀，得到2-甲基戊二胺溶液；将s1得到的含有离子液体结构的醛473g (2mol)在30-60min内滴加至2-甲基戊二胺溶液中，升温至110℃进行反应，并将反应生成的水经过分水冷凝收集。当生成的水达到理论值时反应完全，将产物减压蒸馏提纯处理，得到所述带有离子液体结构的固化剂。
[0070]
实施例2
[0071]
本实施例提供一种含有离子液体结构的固化剂，如图5所示，该固化剂包括三个结构单元：
[0072]
(1)间氯甲基苯甲醛；
[0073]
(2)三正丁胺；
[0074]
(3)戊二胺。
[0075]
本实施例的含有离子液体结构的固化剂的制备方法与实施例1的区别仅在于：s1：间氯甲基苯甲醛与三正丁胺用量摩尔比为1:1.21，得到含有离子液体结构的醛；
[0076]
s2：含有离子液体结构的醛与戊二胺的用量摩尔比为1:1。
[0077]
实施例3
[0078]
本实施例提供一种含有离子液体结构的固化剂，如图6所示，该固化剂包括三个结构单元：
[0079]
(1)2-甲基-3-氯丙醛；
[0080]
(2)n-甲基咪唑；
[0081]
(3)2-甲基戊二胺。
[0082]
本实施例的含有离子液体结构的固化剂的制备方法与实施例1的区别仅在于：s1：2-甲基-3-氯丙醛与n-甲基咪唑用量摩尔比为1:1.21，得到含有离子液体结构的醛；
[0083]
s2：含有离子液体结构的醛与2-甲基戊二胺的用量摩尔比为1:1。
[0084]
实施例4
[0085]
本实施例提供一种含有离子液体结构的固化剂，如图7所示，该固化剂包括三个结构单元：
[0086]
(1)对氯甲基苯甲醛；
[0087]
(2)4-甲基吡啶；
[0088]
(3)n-异丙基乙醇胺。
[0089]
本实施例的含有离子液体结构的固化剂的制备方法与实施例1的区别仅在于：s1：对氯甲基苯甲醛与4-甲基吡啶用量摩尔比为1:1.21，得到含有离子液体结构的醛；
[0090]
s2：含有离子液体结构的醛与n-异丙基乙醇胺的用量摩尔比为1:1。
[0091]
实施例5
[0092]
本实施例提供一种含有离子液体结构的固化剂，如图8所示，该固化剂包括三个结构单元：
[0093]
(1)对氯甲基苯甲醛；
[0094]
(2)4-甲基吡啶；
[0095]
(3)n-乙基乙二胺。
[0096]
本实施例的含有离子液体结构的固化剂的制备方法与实施例1的区别仅在于：s1：对氯甲基苯甲醛与4-甲基吡啶用量摩尔比为1:1.21，得到含有离子液体结构的醛；
[0097]
s2：含有离子液体结构的醛与n-乙基乙二胺的用量摩尔比为1:1。
[0098]
实施例6
[0099]
本实施例提供一种含有离子液体结构的固化剂，如图9所示，该固化剂包括三个结构单元：
[0100]
(1)对氯甲基苯甲醛；
[0101]
(2)4-甲基吡啶；
[0102]
(3)1,4-二氨基环己烷。
[0103]
本实施例的含有离子液体结构的固化剂的制备方法与实施例1的区别仅在于：s1：对氯甲基苯甲醛与4-甲基吡啶用量摩尔比为1:1.21，得到含有离子液体结构的醛；
[0104]
s2：含有离子液体结构的醛与1,4-二氨基环己烷的用量摩尔比为1:1。
[0105]
测试例
[0106]
如表1所示，为实施例1-6的固化剂合成单组分聚氨酯防水涂料的配方。以及对比例1-2的单组分聚氨酯防水涂料的配方。其中，对比例2采用湖南艾利特公司的alt-401潜固化剂。
[0107]
表1
[0108]
原材料(质量份)对比例1对比例2实施例1-6
聚醚二元醇2000212121聚醚三元醇330n666增塑剂131313分散剂0.20.20.2滑石粉121212重钙353535tdi-804.44.44.4二月桂酸二丁基锡0.10.10.1潜固化剂022消泡剂0.20.20.2isopar溶剂777总计98.9100.9100.9
[0109]
本测试例将实施例1-6的固化剂和对比例1-2分别用于合成单组分聚氨酯防水涂料的步骤包括：首先将聚醚多元醇、增塑剂、分散剂、滑石粉、重钙搅拌混合，升温至120℃并脱水3小时，使含水率低于0.03％后降温至 60℃，加入异氰酸酯(tdi-80)，搅拌均匀升温至80℃反应2小时，加入二月桂酸二丁基锡继续反应1小时。降温至65℃加入本发明的固化剂以及消泡剂和isopar溶剂，降温至55℃真空脱气，密封包装待用。
[0110]
将实施例1-6的固化剂合成的单组分聚氨酯防水涂料和对比例1-2的单组分聚氨酯防水涂料在标准条件(23
±
2℃，50
±
10％相对湿度)下养护7 天，得到力学性能、涂料的气味以及成膜质量情况如表2所示。测试方法采用gb/t 19250-2013《聚氨酯防水涂料》。
[0111]
表2
[0112][0113]
从表2可知，对比例1-2以及实施例1-6的固化剂合成的单组分聚氨酯防水涂料的力学性能均满足gb/t 19250-2013《聚氨酯防水涂料》单组分i 型的性能指标要求。对比例1
因为没有使用潜固化剂，性能虽好但气泡较多。对比例2虽然成膜质量高但是在涂料固化过程中释放不愉快气味的苯甲醛。实施例1-6均达到了降低气味以及提高成膜质量的目的。
[0114]
以上已经描述了本发明的各实施例，上述说明是示例性的，并非穷尽性的，并且也不限于所披露的各实施例。在不偏离所说明的各实施例的范围和精神的情况下，对于本技术领域的普通技术人员来说许多修改和变更都是显而易见的。