H12MDI氨酯化反應動力學

宋文生，王　瑞，王　洋，李　迪

(1.河南科技大學 化工與制藥學院，河南 洛陽 471023；2.黎明化工研究設計院有限責任公司，河南 洛陽 471000)

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H12MDI氨酯化反應動力學

宋文生1，王瑞1，王洋2，李迪1

(1.河南科技大學 化工與制藥學院，河南 洛陽 471023；2.黎明化工研究設計院有限責任公司，河南 洛陽 471000)

摘要：依據(jù)-NCO與-OH二級反應特性，建立了動力學方程。采用二正丁胺滴定法，分別研究了4,4’-二環(huán)己基甲烷二異氰酸酯(H12MDI)與聚四氫呋喃醚二醇(PTMG)、聚己二酸-1,4-丁二醇酯二醇(PBA)、1,4-丁二醇(BDO)在不同溫度下的反應特性。研究結(jié)果表明：H12MDI與PTMG、PBA和BDO反應活化能Ea分別為60.9 kJ/mol、113.0 kJ/mol和42.2 kJ/mol，H12MDI與醇類化合物反應時活性較低。

關(guān)鍵詞：4,4’-二環(huán)己基甲烷二異氰酸酯;聚四氫呋喃醚二醇;聚己二酸-1，4-丁二醇酯二醇;1,4’-丁二醇;氨酯化反應動力學

0引言

4,4’-二環(huán)己基甲烷二異氰酸酯(H12MDI)，分子式為C15H22N2O2，相對分子質(zhì)量為262.4，分子結(jié)構(gòu)類似于4,4’-二苯基甲烷二異氰酸酯(MDI)，但其以環(huán)己基六元環(huán)取代苯環(huán)，屬脂環(huán)族二異氰酸酯[1]。

芳香族二異氰酸酯的苯環(huán)直接與氨酯鍵連接，活性高，在紫外光激發(fā)等條件下，容易分解成苯胺，最后氧化成醌式結(jié)構(gòu)的顯色基團，導致聚氨酯(PU)黃化[2-4]。而H12MDI不含苯環(huán)，不易受光和熱的影響發(fā)生氧化，可制備耐候性聚氨酯材料，如耐黃變聚氨酯彈性體、水性聚氨酯涂料和聚氨酯膜分離材料等。H12MDI除賦予聚氨酯材料良好的耐候性外，還賦予其優(yōu)異的耐水解性和耐化學品性等特性[5-7]。

盡管H12MDI已在聚氨酯彈性體、水性聚氨酯涂料和聚氨酯膜分離材料等領(lǐng)域獲得廣泛應用[8-10]，但迄今未見有關(guān)H12MDI氨酯化反應動力學方面的相關(guān)研究，而聚氨酯反應動力學特性又與其成型工藝及材料性能密切相關(guān)。為此，本文分別探討了H12MDI與聚醚(聚四氫呋喃醚二醇，PTMG)、聚酯(聚己二酸-1,4-丁二醇酯二醇，PBA)和二醇擴鏈劑(1,4-丁二醇，BDO)的反應動力學特征，為后續(xù)H12MDI在聚氨酯中的應用奠定了理論基礎，并為其工業(yè)化提供一定的技術(shù)支撐。

1試驗

1.1試驗原料

4,4’-二環(huán)己基甲烷二異氰酸酯(H12MDI)，工業(yè)級(-NCO質(zhì)量分數(shù)為31.9%)，德國Bayer公司；聚四氫呋喃醚二醇(PTMG，重均摩爾分子質(zhì)量Mw=2 000 g/mol)，工業(yè)級，德國BASF公司；聚己二酸-1,4-丁二醇酯二醇(PBA，重均摩爾分子質(zhì)量Mw=3 000 g/mol)，工業(yè)級，青島新宇田化工有限公司；1,4-丁二醇(BDO)，分析純，天津大茂化學試劑廠；二正丁胺，化學純，國藥集團化學試劑有限公司；N-甲基-2-吡咯烷酮(NMP)，分析純，天津市光復精細化工研究所；濃鹽酸，分析純，洛陽昊華化學試劑有限公司。

1.2試驗原理與過程

依據(jù)-NCO與-OH的二級反應特性[11]，首先建立動力學方程。在此基礎上，分別研究在不同溫度下H12MDI與PTMG、PBA和BDO的反應特性，由二正丁胺即時滴定法得出反應體系中-NCO的質(zhì)量分數(shù)。再由反應時間與對應反應體系-NCO質(zhì)量分數(shù)關(guān)系，通過計算與作圖，求取反應活化能，并建立反應速率-溫度(k-T)關(guān)系，即Arrhenius方程。

采用二正丁胺法，按GB/T 12009.4—1989[12]測定反應體系—NCO的質(zhì)量分數(shù)。首先，將脫水后計量PTMG溶于無水N-甲基吡咯烷酮中，配制成一定濃度溶液。然后，將溶液倒入帶溫度計、冷凝管、攪拌器和溫控裝置的三口燒瓶中，加熱至一定溫度后，按n(-NCO)∶n(-OH)=2∶1的比例，加入計量H12MDI，并開始計時。最后，在恒定溫度下，每間隔一定時間由三口燒瓶中取樣分析反應體系-NCO的質(zhì)量分數(shù)。H12MDI與PBA以及H12MDI與BDO的反應特性研究方法與此類同。

2結(jié)果與討論

2.1反應動力學模型

通常異氰酸酯與羥基反應為二級反應，以此為基礎，建立PTMG與H12MDI反應動力學方程。PBA、BDO與H12MDI反應動力學方程的建立，與此類同。

反應動力學方程為[13]：

(1)

其中：CNCO為反應初期體系-NCO的濃度(反應初期為體系中剛剛加入H12MDI)，mol/L；COH為反應初期體系-OH濃度，mol/L；Ca為t時刻時，反應體系-NCO的濃度，mol/L；k為反應速率常數(shù)，L·mol-1·s-1；s為積分常數(shù)。

按式(1)，由Z對t做圖，即可求出不同溫度下反應速率常數(shù)k的值。

由Arrhenius原理，可得：

(2)

其中：k為速率常數(shù)；Ea為反應活化能，kJ/mol；R為摩爾氣體常量，R=8.314 510 J/(mol·K);A為指前因子(常數(shù))；T為反應溫度，K。

再按式(2)，由lnk對T作圖，可求得不同體系反應活化能Ea和A，進而建立起k-T方程，即Arrhenius方程。

2.2H12MDI與PTMG反應動力學

將計量PTMG與H12MDI分別在363 K、373 K和383 K下反應，測定不同時間t時體系-NCO的質(zhì)量分數(shù)，結(jié)果如表1所示。

表1　H12MDI與PTMG反應時體系-NCO質(zhì)量分數(shù)隨時間t的變化

按式(1)，由Z對t作圖，并對圖中所有試驗點進行線性回歸，即可求出不同溫度下反應速率常數(shù)k的值，結(jié)果如表2所示。

表2　不同溫度下H12MDI與PTMG體系反應速率常數(shù)k

圖1　H12MDI/PTMG、H12MDI/PBA 和H12MDI/BDO　　　反應體系ln k與1 000/T關(guān)系圖

依據(jù)表2，由lnk對1 000/T作圖，見圖1。即由圖1可求得-Ea/R=-7.32，lnA=10.8，進而求得H12MDI與PTMG反應活化能Ea=60.9 kJ/mol，常數(shù)A=4.79×104。

由-Ea/R=-7.32和常數(shù)A=4.79×104可得到H12MDI與PTMG反應體系k-T方程，即Arrhenius方程：

2.3H12MDI與PBA反應動力學

將計量PBA與H12MDI分別在343 K、353 K和363 K下反應，測定不同時間t時體系-NCO的質(zhì)量分數(shù)，結(jié)果如表3所示。

表3　H12MDI與PBA反應時體系-NCO質(zhì)量分數(shù)隨時間t的變化

按式(1)，由Z對t作圖，并對圖中所有試驗點進行線性回歸，即可求出不同溫度下反應速率常數(shù)k的值，結(jié)果如表4所示。

表4　不同溫度下H12MDI與PBA體系反應速率常數(shù)k

依據(jù)表4，由lnk對1 000/T作圖，見圖1。由圖1可求得-Ea/R=-13.6，lnA=29.3，進而求得H12MDI與PBA反應活化能Ea=113.0 kJ/mol,常數(shù)A=5.30×1012。

由-Ea/R=-13.6和常數(shù)A=5.30×1012可得到H12MDI與PBA反應體系k-T方程，即Arrhenius方程：

2.4H12MDI與BDO反應動力學

將計量BDO與H12MDI分別在353 K、363 K、373 K和383 K下反應，測定不同時間t時體系-NCO的質(zhì)量分數(shù)，結(jié)果如表5所示。

表5　H12MDI與BDO反應時體系-NCO質(zhì)量分數(shù)隨時間t的變化

按式(1)，由Z對t作圖，并對圖中所有試驗點進行線性回歸，即可求出不同溫度下反應速率常數(shù)k的值，結(jié)果如表6所示。

表6　不同溫度下H12MDI與BDO體系反應速率常數(shù)k

依據(jù)表6，由lnk對1 000/T作圖，見圖1。由圖1可求得-Ea/R=-5.08，lnA=5.83，進而求得H12MDI與BDO反應活化能Ea=42.2 kJ/mol,常數(shù)A=3.41×102。

由-Ea/R=-5.08和常數(shù)A=3.41×102可得到H12MDI與BDO反應體系k-T方程，即Arrhenius方程:

PTMG與MDI反應活化能Ea為47.7 kJ/mol[9]，與本文的結(jié)果對比可知：H12MDI活性低于MDI。因此，在H12MDI參與的聚氨酯反應中，尤其是H12MDI與醇類化合物反應時，若要加速反應，則需提高反應溫度或加入催化劑。

3結(jié)論

H12MDI分別與PTMG、PBA和BDO在不同溫度下反應時，反應活化能Ea分別為60.9 kJ/mol、113.0 kJ/mol和42.2 kJ/mol，反應速率常數(shù)均隨溫度的升高而增大，反應速率常數(shù)與溫度的關(guān)系遵循Arrhenius方程。H12MDI活性低于MDI，可通過提高反應溫度或加入催化劑來提高反應速率。

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基金項目：河南省科技攻關(guān)基金項目(102102210163)；洛陽市科技計劃基金項目(1203214B)；河南科技大學青年科學基金項目(2011QN01)

作者簡介：宋文生(1965-)，男，河北涉縣人，副教授，博士，碩士生導師，主要從事聚氨酯原料合成及成型工藝方面的研究.

收稿日期：2016-01-15

文章編號：1672-6871(2016)04-0097-04

DOI:10.15926/j.cnki.issn1672-6871.2016.04.020

中圖分類號：TQ316.2

文獻標志碼：A