本發(fā)明涉及一種自修復(fù)水性聚氨酯預(yù)聚物及其分散液和用途，屬于高分子材料領(lǐng)域。

背景技術(shù)：

水性聚氨酯是以水代替有機(jī)溶劑作為分散介質(zhì)的新型聚氨酯體系，也稱水分散聚氨酯、水系聚氨酯或水基聚氨酯。水性聚氨酯以水作為溶劑，無污染、安全可靠、機(jī)械性能優(yōu)良、相容性好、易于改性等優(yōu)點(diǎn)。聚氨酯樹脂的水性化已逐步取代溶劑型，成為聚氨酯工業(yè)發(fā)展的重要方向。水性聚氨酯可廣泛應(yīng)用于涂料、膠粘劑、織物涂層與整理劑、皮革涂飾劑、紙張表面處理劑和纖維表面處理劑。國內(nèi)外對水性聚氨酯的研究都聚焦在對其改性使其功能化，目前的工作主要集中在通過改性增加材料的耐水性、耐溶劑性等性能指標(biāo)。改性主要通過物理和化學(xué)兩種手段，通過接枝、嵌段、內(nèi)、外交聯(lián)其它聚合物材料，共混或形成互穿聚合物網(wǎng)絡(luò)等方法進(jìn)行改性。

除了以上需要改性的性能指標(biāo)外，材料在加工和使用過程中容易受到一些外界因素(機(jī)械、化學(xué)、熱、紫外輻射等)的破壞，導(dǎo)致內(nèi)部產(chǎn)生很難或無法從外部檢測到的微小裂紋，隨著微裂紋的擴(kuò)展，材料的力學(xué)性能(如拉伸強(qiáng))大大降低，使用壽命縮短。自修復(fù)聚合物材料作為一種新穎的智能結(jié)構(gòu)功能材料，通過模仿自然界中的生命體傷口自愈合的機(jī)理來實現(xiàn)材料內(nèi)部微裂紋的自修復(fù)，避免進(jìn)一步破壞，從而延長使用壽命。因此在一些重要工程領(lǐng)域中，自修復(fù)技術(shù)存在著巨大的發(fā)展?jié)摿蛻?yīng)用價值，在高分子智能化研究中受到極大關(guān)注。高分子材料自修復(fù)途徑有很多，本征型的自修復(fù)是最為理想的修復(fù)方式，其中高分子材料結(jié)構(gòu)中引入熱可逆Diels-Alder(DA)共價鍵是一種簡單有效的方法。材料在受到損傷后，通過Dles-Alder(DA)反應(yīng)與其逆反應(yīng)(retro-DA)共同作用，通過簡單的熱處理就能實現(xiàn)對材料損傷修復(fù)的效果，不僅自修復(fù)效率高，且能夠?qū)崿F(xiàn)多次的自我修復(fù)。

目前尚未見到將含有DA鍵的小分子作為改性擴(kuò)鏈劑，聚合過程中直接引入到水性聚氨酯分子鏈中制備本征型自修復(fù)水性聚氨酯。

技術(shù)實現(xiàn)要素：

本發(fā)明的目的是針對現(xiàn)有技術(shù)的不足，提供一種具有自修復(fù)性能的水性聚氨酯的合成及其分散液的制備方法，本發(fā)明的目的由以下技術(shù)措施實現(xiàn)：

自修復(fù)水性聚氨酯預(yù)聚物，由以下物質(zhì)按照重量份數(shù)組成，二異氰酸酯20～60份，大分子多元醇15～55份，親水?dāng)U鏈劑1～13份、催化劑0.05～0.3份，含Diels-Alder鍵的二元醇擴(kuò)鏈劑3～20份，聚合得到的一種或兩種預(yù)聚體，并用中和劑將得到的預(yù)聚物調(diào)節(jié)至pH＝8～9。

在有機(jī)溶劑20～60份中適當(dāng)稀釋自修復(fù)水性聚氨酯預(yù)聚物，用乳化器高速攪拌剪切分散，并抽提除去有機(jī)溶劑形成的固含量為10～60％wt的單組份或雙組份水性聚氨酯分散液。

其中，含Diels-Alder鍵的二元醇擴(kuò)鏈劑的引入使該聚氨酯材料對使用過程中產(chǎn)生的裂紋或損傷具有自修復(fù)的功能。

所述二異氰酸酯為甲苯二異氰酸酯(TDI)、二苯基甲烷二異氰酸酯(MDI)、異佛爾酮異氰酸酯(IPDI)、苯二亞甲基二異氰酸酯(XDI)、六亞甲基二異氰酸酯(HDI)、二環(huán)己基甲烷二異氰酸酯(HMDI)中的任一種或或兩種以上混合物。

所述大分子多元醇為分子量為400～6000的聚酯多元醇、分子量為200～5000的聚醚多元醇-3000、聚乙二醇、聚四氫呋喃醚二醇、聚碳酸酯二醇以及蓖麻油類多元醇中任一種或或兩種以上混合物。

所述預(yù)聚物合成過程中所用到的催化劑為二月桂酸二丁基錫、辛酸亞錫、N，N-二甲基環(huán)己胺、三亞乙基二胺中的一種或兩種、多種配合使用。

所述親水?dāng)U鏈劑為二羥甲基丙酸(DMPA)、二羥基半酯、乙二胺基乙磺酸鈉、二乙烯三胺、甲基二乙醇胺中任一種。

所述含Diels-Alder鍵的二元醇擴(kuò)鏈劑為以下所示的二元醇中任一種，其中R為-(CH₂)_n，(1≤n≤10)：

所述自修復(fù)水性聚氨酯預(yù)聚物在分散前先由少量有機(jī)溶劑稀釋，并在分散后減壓抽提除去，可用有機(jī)溶劑為丙酮、丁酮、二氧六環(huán)、N，N-二甲基酰胺、N-甲基吡咯烷酮中的一種或兩種。

所述自修復(fù)水性聚氨酯預(yù)聚物的制備過程包括以下步驟：

(1)、在惰性氣體保護(hù)下，將二異氰酸酯、大分子多元醇以及催化劑按比例加入反應(yīng)器中，升溫至70～90℃，攪拌反應(yīng)0.5～2h，用丙酮-二正丁胺滴定法測定R值；

(2)、向步驟(1)中的產(chǎn)物加入親水?dāng)U鏈劑，惰性氣體保護(hù)下，70～90℃反應(yīng)0.5～2h后，加入含Diels-Alder鍵的二元醇擴(kuò)鏈劑，50～80℃繼續(xù)反應(yīng)2～4h；

(3)、降溫至30～50℃，將得到的預(yù)聚物調(diào)節(jié)至pH＝8～9，用于調(diào)節(jié)預(yù)聚物pH值的中和劑包括氨水、三乙胺、氫氧化鈉中的一種或多種混合，得到自修復(fù)水性聚氨酯預(yù)聚物。

將自修復(fù)水性聚氨酯預(yù)聚物，用有機(jī)溶劑釋后，加入去離子水，在溫度20～40℃，乳化器轉(zhuǎn)速2000～4000轉(zhuǎn)/分鐘的條件下，剪切分散分散后減壓抽提除去有機(jī)溶劑，得到相應(yīng)自修復(fù)水性聚氨酯預(yù)聚物分散液。

乳化前先由少量有機(jī)溶劑稀釋，并在分散后減壓抽提除去，可用有機(jī)溶劑為丙酮、丁酮、二氧六環(huán)、N，N-二甲基酰胺、N-甲基吡咯烷酮中的一種或兩種。

所述自修復(fù)水性聚氨酯預(yù)聚物的用途，用于人工皮膚、人造血管、人造軟骨的制備；抗刮擦的自修復(fù)功能涂層材料的成膜物質(zhì)、可循環(huán)利用的膠粘劑和包覆材料、新型皮革涂飾劑的制備。

制品在使用過程中，產(chǎn)生的裂紋或損傷在簡單熱處理達(dá)到Diels-Alder鍵斷裂的溫度，使損傷處的Diels-Alder鍵先斷裂，然后在室溫～80℃的溫度范圍內(nèi)重新生成，進(jìn)而實現(xiàn)裂紋或損傷的自我修復(fù)。熱處理包括熱臺加熱，紅外燈烘烤等方法。

自修復(fù)水性聚氨酯預(yù)聚物在應(yīng)用施工過程中，根據(jù)目標(biāo)產(chǎn)品的性能需求，可配合相關(guān)助劑，并且不會對材料本身的性能造成負(fù)面影響?？膳浜鲜褂玫闹鷦┌ㄏ輨?、流平劑、偶聯(lián)劑、流變劑、光穩(wěn)定劑，抗氧劑、殺菌防霉劑等。

本發(fā)明提供的自修復(fù)水性聚氨酯預(yù)聚物及其分散液，合成聚氨酯所使用的擴(kuò)鏈劑，除了常用的親水?dāng)U鏈劑外，還有用到了含DA鍵的小分子擴(kuò)鏈劑，利用DA鍵的動態(tài)可逆性能賦予材料自修復(fù)性能，材料在使用過程中，受到破壞后可以通過適當(dāng)?shù)臒崽幚?，使DA鍵發(fā)生斷裂，溫度降低后DA鍵再次形成，體系再次交聯(lián)，材料外觀和材料力學(xué)性能均得到恢復(fù)。

具體實施方式

下面通過實施例對本發(fā)明進(jìn)行具體的描述，有必要再此指出的是本實施例只用于對本發(fā)明進(jìn)行的進(jìn)一步說明，不能理解為對本發(fā)明保護(hù)范圍的限制，該領(lǐng)域的技術(shù)人員可以根據(jù)上述發(fā)明的內(nèi)容作出一些非本質(zhì)的改進(jìn)和調(diào)整。

實施例1

(1)、將62.5g MDI100熔融后加入200g PPG2000中，混合均勻后加入0.25g二月桂酸二丁基錫作為催化劑，升溫至75℃，在氮?dú)獗Ｗo(hù)下，攪拌反應(yīng)1.5h，用丙酮-二正丁胺滴定法測定R值；

(2)、向步驟(1)的產(chǎn)物中加入18.4g親水?dāng)U鏈劑DMAP，惰性氣體保護(hù)下，80℃反應(yīng)0.5～2h后，加入9g所示含Diels-Alder鍵的二元醇擴(kuò)鏈劑DA1，80℃繼續(xù)反應(yīng)2h，降溫至30～50℃，加入三乙胺，反應(yīng)40min中和至pH＝8～9，得到自修復(fù)水性聚氨酯預(yù)聚物；

(3)、將步驟(2)制備出的水性聚氨酯預(yù)聚物用30ml丙酮釋后，在溫度20～40℃，乳化器轉(zhuǎn)速4000轉(zhuǎn)/分鐘的條件下，緩慢加入540g去離子水中，剪切分散分散后減壓抽提除去有機(jī)溶劑，得到相應(yīng)的單組份水性聚氨酯分散液。

實施例2

(1)、將109g TDI熔融后加入200g PPG2000中，混合均勻后加入0.22g二月桂酸二丁基錫作為催化劑，升溫至85℃，在氮?dú)獗Ｗo(hù)下，攪拌反應(yīng)1h，用丙酮-二正丁胺滴定法測定R值；

(2)、向步驟(1)的產(chǎn)物中加入16g親水?dāng)U鏈劑DMAP，惰性氣體保護(hù)下，75℃反應(yīng)2h后，加入16g所示含Diels-Alder鍵的二元醇擴(kuò)鏈劑DA2，80℃繼續(xù)反應(yīng)2～4h，降溫至45℃，加入氨水，反應(yīng)30min中和至pH＝8～9，得到自修復(fù)水性聚氨酯預(yù)聚物；

(3)、將步驟(2)制備出的水性聚氨酯預(yù)聚物用40ml丙酮釋后，在溫度35℃，乳化器轉(zhuǎn)速3500轉(zhuǎn)/分鐘的條件下，緩慢加入820g去離子水中，剪切分散分散后減壓抽提除去有機(jī)溶劑，得到相應(yīng)的單組份水性聚氨酯分散液。

實施例3

(1)、將109g MDI熔融后加入180g PTMEG2000中，混合均勻后加入0.3g辛酸亞錫作為催化劑，升溫至85℃，在氬氣保護(hù)下，攪拌反應(yīng)1h，用丙酮-二正丁胺滴定法測定R值；

(2)、向步驟(1)的產(chǎn)物中加入16g親水?dāng)U鏈劑DMAP，惰性氣體保護(hù)下，75℃反應(yīng)2h后，加入23g所示含Diels-Alder鍵的二元醇擴(kuò)鏈劑DA2，80℃繼續(xù)反應(yīng)2.5h，降溫至30℃，加入三乙胺，反應(yīng)30min中和至pH＝8～9，得到自修復(fù)水性聚氨酯預(yù)聚物；

(3)、將步驟(2)制備出的水性聚氨酯預(yù)聚物用60ml丁酮釋后，在溫度45℃，乳化器轉(zhuǎn)速4000轉(zhuǎn)/分鐘的條件下，緩慢加入600g去離子水中，剪切分散分散后減壓抽提除去有機(jī)溶劑，得到相應(yīng)的單組份水性聚氨酯分散液。

實施例4

(1)、將210g HDI熔融后加入240g PCL3000中，混合均勻后加入0.15g辛酸亞錫和0.12g 二月桂酸二丁基錫作為催化劑，升溫至75℃，在氬氣氛圍中，攪拌反應(yīng)0.5h，用丙酮-二正丁胺滴定法測定R值；

(2)、向步驟(1)的產(chǎn)物中加入23g親水?dāng)U鏈劑二羥基半酯，惰性氣體保護(hù)下，75℃反應(yīng)1.5h后，加入23g所示含Diels-Alder鍵的二元醇擴(kuò)鏈劑DA2，80℃繼續(xù)反應(yīng)2.5h，降溫至35℃，加入氨水，反應(yīng)25min中和至pH＝8～9，得到自修復(fù)水性聚氨酯預(yù)聚物；

(3)、將步驟(2)制備出的水性聚氨酯預(yù)聚物用40ml丁酮釋后，在溫度40℃，乳化器轉(zhuǎn)速3500轉(zhuǎn)/分鐘的條件下，緩慢加入800g去離子水中，剪切分散分散后減壓抽提除去有機(jī)溶劑，得到相應(yīng)的單組份水性聚氨酯分散液。

實施例5

(1)、將121g MDI熔融后加入240g PPG4000中，混合均勻后加入0.13g辛酸亞錫和0.12g二月桂酸二丁基錫作為催化劑，升溫至75℃，在氬氣氛圍中，攪拌反應(yīng)0.5h，用丙酮-二正丁胺滴定法測定R值；

(2)、將98g IPDI熔融后加入120g PPG2000中，混合均勻后加入0.22g二月桂酸二丁基錫作為催化劑，升溫至75℃，在氬氣氛圍中，攪拌反應(yīng)0.5h，用丙酮-二正丁胺滴定法測定R值；

(3)、將步驟(1)(2)的產(chǎn)物混合均勻中加入28g親水?dāng)U鏈劑二羥基半酯，惰性氣體保護(hù)下，80℃反應(yīng)2h后，加入26g所示含Diels-Alder鍵的二元醇擴(kuò)鏈劑DA3，80℃繼續(xù)反應(yīng)2.5h，降溫至35℃，加入氨水，反應(yīng)30min中和至pH＝8～9，得到自修復(fù)水性聚氨酯預(yù)聚物；

(4)、將步驟(2)制備出的水性聚氨酯預(yù)聚物用40ml丁酮釋后，在溫度40℃，乳化器轉(zhuǎn)速4000轉(zhuǎn)/分鐘的條件下，緩慢加入850g去離子水中，剪切分散分散后減壓抽提除去有機(jī)溶劑，得到相應(yīng)的雙組份水性聚氨酯分散液。

實施例6

(1)、將121g TDI熔融后加入240g PPG4000中，混合均勻后加入0.25g辛酸亞錫作為催化劑，升溫至70℃，在氬氣氛圍中，攪拌反應(yīng)1.5h，用丙酮-二正丁胺滴定法測定R值；

(2)、將96g HDI熔融后加入106g PTMEG 2000中，混合均勻后加入0.2g二月桂酸二丁基錫作為催化劑，升溫至75℃，在氬氣氛圍中，攪拌反應(yīng)1.5h，用丙酮-二正丁胺滴定法測定R值；

(3)、將步驟(1)、(2)的產(chǎn)物混合均勻中加入26g親水?dāng)U鏈劑二羥基半酯，惰性氣體保護(hù)下，85℃反應(yīng)2h后，加入26g所示含Diels-Alder鍵的二元醇擴(kuò)鏈劑DA2，85℃繼續(xù)反應(yīng)2.5h，降溫至30℃，加入氨水，反應(yīng)45min中和至pH＝8～9，得到自修復(fù)水性聚氨酯預(yù)聚物；

(4)、將步驟(2)制備出的水性聚氨酯預(yù)聚物用40ml丁酮釋后，在溫度40℃，乳化器轉(zhuǎn)速4000轉(zhuǎn)/分鐘的條件下，緩慢加入850g去離子水中，剪切分散分散后減壓抽提除去有機(jī)溶劑，得到相應(yīng)的雙組份水性聚氨酯分散液。

實施例7

(1)、將109g MDI熔融后加入180g PTMEG2000中，混合均勻后加入0.3g辛酸亞錫作為催化劑，升溫至85℃，在氬氣保護(hù)下，攪拌反應(yīng)1h，用丙酮-二正丁胺滴定法測定R值；

(2)、向步驟(1)的產(chǎn)物中加入16g親水?dāng)U鏈劑DMAP，惰性氣體保護(hù)下，75℃反應(yīng)2h后，加入23g所示含Diels-Alder鍵的二元醇擴(kuò)鏈劑DA2，80℃繼續(xù)反應(yīng)2.5h，降溫至30℃，加入三乙胺，反應(yīng)30min中和至pH＝8～9，得到自修復(fù)水性聚氨酯預(yù)聚物；

(3)、將步驟(2)制備出的水性聚氨酯預(yù)聚物用60ml丁酮釋后，在溫度45℃，乳化器轉(zhuǎn)速4000轉(zhuǎn)/分鐘的條件下，緩慢加入600g去離子水中，剪切分散分散后減壓抽提除去有機(jī)溶劑，得到相應(yīng)的單組份水性聚氨酯分散液。

實施例8

(1)、將210g HMDI熔融后加入240g PCL2000中，混合均勻后加入0.15g辛酸亞錫和0.12g二月桂酸二丁基錫作為催化劑，升溫至75℃，在氬氣氛圍中，攪拌反應(yīng)0.5h，用丙酮-二正丁胺滴定法測定R值；

(2)、向步驟(1)的產(chǎn)物中加入23g親水?dāng)U鏈劑甲基二乙醇胺，惰性氣體保護(hù)下，85℃反應(yīng)1.5h后，加入25g所示含Diels-Alder鍵的二元醇擴(kuò)鏈劑DA1，85℃繼續(xù)反應(yīng)2.5h，降溫至30℃，加入氨水，反應(yīng)35min中和至pH＝8～9，得到自修復(fù)水性聚氨酯預(yù)聚物；

(3)、將步驟(2)制備出的水性聚氨酯預(yù)聚物用40ml丁酮釋后，在溫度40℃，乳化器轉(zhuǎn)速3500轉(zhuǎn)/分鐘的條件下，緩慢加入1000g去離子水中，剪切分散分散后減壓抽提除去有機(jī)溶劑，得到相應(yīng)的單組份水性聚氨酯分散液。

實施例9

(1)、將121g HMDI熔融后加入240g PTMEG3000中，混合均勻后加入0.19g辛酸亞錫和0.11g二月桂酸二丁基錫作為催化劑，升溫至75℃，在氬氣氛圍中，攪拌反應(yīng)1h，用丙酮-二正丁胺滴定法測定R值；

(2)、將98g IPDI熔融后加入120g PPG2000中，混合均勻后加入0.22g二月桂酸二丁基錫作為催化劑，升溫至75℃，在氬氣氛圍中，攪拌反應(yīng)1h，用丙酮-二正丁胺滴定法測定R值；

(3)、將步驟(1)、(2)的產(chǎn)物混合均勻中加入28g親水?dāng)U鏈劑二乙烯三胺，惰性氣體保護(hù)下，80℃反應(yīng)2h后，加入26g所示含Diels-Alder鍵的二元醇擴(kuò)鏈劑DA3，85℃繼續(xù)反應(yīng)2h，降溫至35℃，加入氨水，反應(yīng)40min中和至pH＝8～9，得到自修復(fù)水性聚氨酯預(yù)聚物；

(4)、將步驟(2)制備出的水性聚氨酯預(yù)聚物用40ml丁酮釋后，在溫度40℃，乳化器轉(zhuǎn)速4000轉(zhuǎn)/分鐘的條件下，緩慢加入1500g去離子水中，剪切分散分散后減壓抽提除去有機(jī)溶劑，得到相應(yīng)的雙組份水性聚氨酯分散液。

實施例10

(1)、將100g TDI熔融后加入180g PEG2000中，混合均勻后加入0.18g辛酸亞錫作為催化劑，升溫至70℃，在氬氣氛圍中，攪拌反應(yīng)1h，用丙酮-二正丁胺滴定法測定R值；

(2)、將196g IPDI熔融后加入126g PTMEG 2000中，混合均勻后加入0.22g二月桂酸二丁基錫作為催化劑，升溫至75℃，在氬氣氛圍中，攪拌反應(yīng)1h，用丙酮-二正丁胺滴定法測定R值；

(3)、將步驟(1)、(2)的產(chǎn)物混合均勻中加入27g親水?dāng)U鏈劑乙二胺基乙磺酸鈉，惰性氣體保護(hù)下，85℃反應(yīng)2h后，加入26g所示含Diels-Alder鍵的二元醇擴(kuò)鏈劑DA1，85℃繼續(xù)反應(yīng)2.5h，降溫至35℃，加入氨水，反應(yīng)30min中和至pH＝8～9，得到自修復(fù)水性聚氨酯預(yù)聚物；

(4)、將步驟(2)制備出的水性聚氨酯預(yù)聚物用40ml丁酮釋后，在溫度40℃，乳化器轉(zhuǎn)速4000轉(zhuǎn)/分鐘的條件下，緩慢加入1200g去離子水中，剪切分散分散后減壓抽提除去有機(jī)溶劑，得到相應(yīng)的雙組份水性聚氨酯分散液。

性能測試：

將實施例1～3所制備的水性聚氨酯分散液在20～45℃的烘箱中涂膜，干燥后得到相應(yīng)的試樣。

對應(yīng)用實施例1～3所得試樣進(jìn)行力學(xué)性能測試，得到相應(yīng)的拉伸強(qiáng)度、斷裂伸長率、楊氏模量，如表1所示；

表1.實施例1～3所得水性聚氨酯分散液涂膜后得到試樣力學(xué)性能

由表1可知，本方法制備的水性聚氨酯分散液涂膜后形成的材料具有良好的柔韌性，力學(xué)性能也優(yōu)于一般方法制備的材料。

對應(yīng)用實施例1～3所得樣品進(jìn)行切斷處理，然后將兩斷面貼合在一起，對其進(jìn)行加熱、紫外光照射或超聲處理一段時間后，斷裂面發(fā)生粘合。對粘合后的試樣進(jìn)行力學(xué)性能測試，得到相應(yīng)的拉伸強(qiáng)度、斷裂伸長率、楊氏模量，如表2所示；

表2.實施例1～3所得材料試樣經(jīng)切斷/粘合后的力學(xué)性能

由表2可知，該聚氨酯材料經(jīng)經(jīng)切斷/粘合處理后，力學(xué)性能依然可以保持在較高的水平，說明該材料具有良好的自修復(fù)性能。

本發(fā)明具有以下優(yōu)點(diǎn)：

1、當(dāng)材料破壞后，通過熱處理，使材料溫度上升到臨界溫度以上時Diels-Alder動態(tài)鍵發(fā)生斷裂，破壞面間分子相互擴(kuò)散；

2、Diels-Alder動態(tài)鍵在溫度低于臨界溫度時發(fā)生重組，破壞得到修復(fù)，提高了制品的力學(xué)性能，延長使用壽命；

3、基體材料為聚氨酯，其具有良好的柔韌性。

4、該材料用于人工皮膚、人造血管、人造軟骨的制備；抗刮擦的自修復(fù)功能涂層材料的成膜物質(zhì)、可循環(huán)利用的膠粘劑和包覆材料、新型皮革涂飾劑的制備。