Результат интеллектуальной деятельности: Полиуретановая композиция для покрытий

Изобретение относится к области получения эластичных полиуретановых композиций, которые могут быть использованы в качестве защитного покрытия для дерева, бетона, стекла, металла.

Известна полиуретановая композиция для покрытий, содержащая полиоксипропилентриол с молекулярной массой 3600, полиизоцианат на основе 4,4'-дифенилметандиизоцианата, дифенилолпропан, растворитель (смесь ацетона, толуола и циклогексанона, масс. %: 33:33:34) и 2,4,6-трис-(диметиламинометил)-фенол (патент RU 2604069, МПК С08G18/00, С08G18/32, С08G18/48, С08G18/74, 2016).

Недостатками полиуретановой композиции являются низкие значения твердости и прочности при разрыве. Кроме того, этот способ предусматривает сложный состав растворителя: смесь ацетона, толуола и циклогексанона.

Известна полиуретановая композиция для покрытий, содержащая полиол 2,2-бис-[4-2-окситриэтокси)-фенил]-пропан, полиизоцианат на основе 4,4'-дифенилметандиизоцианата и растворитель (патент RU 2534773, МПК С09D175/08, C09G18/30, C09G18/32, C09G18/72, C09G18/76, 2014).

Недостатками полиуретановой композиции являются низкие значения начальной температуры разложения и температуры потери 50 % массы полимера, а также недостаточные прочностные свойства.

Наиболее близким по технической сущности и достигаемому эффекту является полиуретановая композиция, содержащая форполимер, полученный на основе 70 масс.ч. политетраметиленэфиргликоля с молекулярной массой 1950 и 200 масс.ч. 4,4'-дифенилметандиизоцианата при мольном соотношении OH:NCO-групп, равном 1:2, 80–100 масс.ч. диметилформамида, 36 масс.ч. гидроксилсодержащего соединения, 100–120 масс.ч. бората метилфосфита и 15–18 масс.ч. глицидилметакрилата (патент RU 2391362, МПК C08L75/04, C08K3/32, C08K5/053, C08K5/103, C08G18/10, C09D175/04, C09K21/12, 2010).

Недостатком данного способа является сложная технология получения двух полимеров, предусматривающая использование глицидилметакрилата – токсичного реагента и образование структуры взаимопроникающих полимерных сеток, что существенно увеличивает продолжительность процесса получения конечной полиуретановой композиции.

Задачей предлагаемого изобретения является создание термо- и огнестойкой полиуретановой композиции для покрытий, обладающей водо- и маслостойкостью.

Техническим результатом является повышение твердости покрытия из полиуретановой композиции, ее водо- и маслостойкости, при сохранении термо- и огнестойкости.

Представленный технический результат достигается при использовании полиуретановой композиции для покрытий, содержащей форполимер, полученный на основе политетраметиленэфиргликоля с молекулярной массой 1950 и 4,4'-дифенилметандиизоцианата при мольном соотношении ОН:NCO-групп, равном 1:2, диметилформамид и модифицирующую добавку, при этом в качестве модифицирующей добавки композиция содержит 28-32 масс.% дисперсию метилфосфита металла, выбранного из ряда алюминий, кальций, магний, никель, в диметилформамиде, при следующем соотношении компонентов композиции, масс.ч.:

Политетраметиленэфиргликоль 770

4,4'-дифенилметандиизоцианат 200

Диаминопропан 29

Метилфосфит металла 29–97

Диметилформамид 460–625

Использование в предлагаемой полиуретановой композиции в качестве модифицирующей добавки дисперсии метилфосфита (МФ) металла, выбранного из ряда алюминий, кальций, магний, никель в диметилформамиде, в количествах, представленных ниже, приводит к увеличению водо- и маслостойкости покрытия, а также позволяет получать полиуретан с высокими значениями твердости и прочности, при этом относительное удлинение соответствует исходному полиуретану.

Равномерное распределение метилфосфита металла в структуре полиуретана и возникновение регулярных центров повышенной плотности обеспечивает высокие значения твердости и прочности при разрыве полиуретанового покрытия, а также повышение термостойкости композиции.

В результате синергетического действия атомов металлов из ряда алюминий, кальций, магний, никель, входящих в состав метилфосфита металла, и атомов фосфора, происходит увеличение огнестойкости покрытия.

Количественное соотношение компонентов в рассматриваемой полиуретановой композиции оптимизировано таким образом, чтобы получить покрытие с заявляемыми свойствами. Уменьшение содержания метилфосфита металла ниже заявленного значения не позволяет увеличить термо- и огнестойкость покрытия, а повышение приводит к ухудшению эластичных свойств полимера ввиду чрезмерного количества центров повышенной плотности в структуре полимера.

Содержание метилфосфита металла в диметилформамиде должно составлять не более 32 масс.%, так как большее его содержание не позволяет получать равновесную тонкую дисперсию метилфосфита металла в растворителе, но и не менее 28 масс.%, так как большее количество диметилформамида в дисперсии приводит к разбавлению полиуретановой композиции и увеличивает время её отверждения.

Характеристика веществ, используемых в композиции:

– Метилфосфит алюминия получен по известной методике (патент RU 2152949, МПК С07F9/142, 2000). Метилфосфиты кальция, магния, никеля получены по аналогичной методике.

– Полиизоцианат на основе 4,4'-дифенилметандиизоцианата (ДМИ) торговой марки Суризон или Суризон П 85 по ТУ 113-03-29-84.

– Политетраметиленэфиргликоль (ПТМЭГ) ТУ 6-02-646-81.

– Диаминопропан, регистрационный номер CAS 109-76-2.

– Диметилформамид (ДМФ) ГОСТ 20289-74.

Полиуретановую композицию для покрытий получают следующим образом. В качестве исходного синтезируют форполимер в результате взаимодействия политетраметиленэфиргликоля с молекулярной массой 1950 и 4,4'-дифенилметандиизоцианата при мольном соотношении 1:2. Для этого в реактор, прогретый до температуры 60±2°С, загружают политетраметиленэфиргликоль (гидроксильное число 57) и 4,4'- дифенилметандиизоцианат. При перемешивании увеличивают температуру реакционной массы до 70±2°С, процесс продолжают при той же температуре в течение 30 минут. Контроль за протеканием реакции осуществляют по нарастанию вязкости реакционной массы. Образовавшийся форполимер с молекулярной массой 2500 содержит 3,4 % NCO-групп.

Реактор, содержащий форполимер, охлаждают до 10±2°С и с помощью делительной воронки вносят раствор диаминопропана (ДАП) в диметилформамиде при мольном соотношении форполимер:диаминопропан равном 1:1, таким образом, чтобы весь объем отдозировался в течение 30 минут, при этом температура реакционной массы самопроизвольно повышается до нормальной. Синтез ведут при постоянном перемешивании в инертной среде. Контроль за протеканием реакции осуществляют по нарастанию вязкости реакционной системы и по содержанию NCO-групп.

Метилфосфит металла предварительно диспергируют в среде диметилформамида на шариковой мельнице при нормальных условиях в течение 20 минут при массовом соотношении метилфосфит металла:диметилформамид=1:(2,1-2,6). В реактор, содержащий раствор полиуретана, вводят расчетное количество дисперсии метилфосфита металла в диметилформамиде. Реакционную массу перемешивают с помощью якорной мешалки в течение 20–30 минут.

Готовые полиуретановые композиции наносят на стеклянную поверхность и выдерживают при температуре 20±2 °С в течение 20 ч и при 80±10 °С в течение 2 часов.

В таблице 1 приведен состав полиуретановых композиций.

Таблица 1.

Испытания физико-механических показателей полиуретанов проводили после двухнедельной выдержки образцов в нормальных условиях в соответствии с ГОСТ 14236-81. Относительную твердость покрытия на стеклянной пластине определяли по отношению к твердости стекла на маятниковом приборе марки МЭ–3 по ГОСТ 5233–67. Испытания пленки на водо- и маслостойкость определяли по равновесной степени набухания: по массе поглощенной жидкости (воды, или трансформаторного масла), согласно ГОСТ 7516-75. Адгезию определяли методом решетчатых надрезов покрытия на стальной пластинке согласно ГОСТ 15140-78. Термостойкость оценивали по значениям начальной температуры разложения (Т_нач.°C), и температуры потери 50% массы (Т_50%,°C), определяемых по данным термогравиметрического анализа при скорости нагревания 2°C/мин в соответствии с ГОСТ 29127-91. Исследование огнестойкости образцов проводится в соответствии с методикой, согласно которой горючесть образцов оценивалась по времени горения (тления) и потере массы образцов после воздействия источника открытого пламени по ГОСТ 21207-81.

Результаты исследований представлены в таблице 2.

Из данных таблицы 2 видно, что полученные полиуретановые композиции, характеризуются высокими значениями твердости и прочности при разрыве, которые возрастают с увеличением содержания метилфосфитов металлов в образцах до 54% и 18% соответственно относительно немодифицированного полиуретана. Эластичные свойства полиуретановой композиции при содержание метилфосфита металла не превышающем 78 масс.ч., остаются на высоком уровне соответствующем исходному полимеру. Увеличение степени набухания в воде и в трансформаторном масле с увеличением содержания метилфосфита алюминия и метилфосфита никеля в образцах не превышает 4,2% и 13,3% соответственно и ниже значений немодифицированного образца в два раза. Все изученные образцы характеризуются высокой адгезией покрытия к основе. Кроме того, анализ данных таблицы 2, свидетельствует о повышении термоокислительной устойчивости композиций. Так, температура начала деструктивного течения увеличивается на 36–50°С, а температуры потери массы сдвигаются в область более высоких значений. Содержание в полиуретановой композиции 78 масс.ч. и более метилфосфитов алюминия и никеля позволяет получать самозатухающий полимер с низкой (2 масс.%) потерей массы образца.

Таблица 2

Таким образом, покрытия из полиуретановой композиции, содержащей форполимер, полученный на основе политетраметиленэфиргликоля с молекулярной массой 1950 и 4,4'-дифенилметандиизоцианата при мольном соотношении ОН:NCO-групп, равном 1:2, диметилформамид и модифицирующую добавку – 28-32 масс.% дисперсию метилфосфита металла, выбранного из ряда алюминий, кальций, магний, никель, в диметилформамиде, при заявленном соотношении компонентов обладает повышенной твердостью, водо- и маслостойкостью, при сохранении термо- и огнестойкости покрытия.