環碳酸酯樹脂之製備及應用

 

刊登日期:2019/10/5
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聚氨酯(Polyurethane; PU)由於其優異的性能,成為當今極為重要的聚合物材料之一。然而,製備PU所使用的異氰酸酯原料具有諸多缺點,例如高毒性和對水分的敏感性。以二氧化碳與環氧樹脂合成的環碳酸酯單體可進一步與胺基化合物反應,可製備非異氰酸酯型聚氨酯(或稱環碳酸酯樹脂),其製程減碳環保。此外,樹脂結構中氨基甲酸酯基團內形成分子內氫鍵,使得材料具備更優異的機械性能、耐化性及耐水解性。環碳酸酯樹脂已成為新一代綠色聚氨酯新材料。
 
本文將從以下大綱,介紹環狀碳酸酯樹脂的合成方法及其產品應用,以及目前工研院的研究現狀。
‧前言
‧環碳酸酯樹脂製作及特性
 1. 環碳酸酯樹脂
 2. 環碳酸酯樹脂製作
 3. 雜化環碳酸酯樹脂
‧環碳酸酯樹脂應用
 1. 塗料
 2. 接著劑
 3. 密封劑
 4. 泡沫塑料(輕質發泡)
‧市場動向
‧工研院開發之環碳酸酯樹脂技術發展現況
 1. 塗料應用
 2. 輕質發泡
 3. 防火阻燃材料
 4. 紫外線光固化材料
 5. 水性塗料
‧未來展望
 
【內文精選】
前言
目前全球聚氨酯(PU)市場規模超過1,800萬噸/年,年需求成長率超過6%(圖一),材料廣泛應用於國民經濟眾多領域,包括輕工、化工、電子、紡織、醫療、建築、建材、汽車、國防、航太、航空等領域。傳統聚氨酯材料是由高毒性異氰酸酯(Isocyanate)和多元醇(Polyol)製備的聚合物材料,由於異氰酸酯對環境及人體具有高毒性,吸入蒸汽或皮膚直接接觸,都會對人體造成嚴重的危害。隨環保意識及法規要求日趨嚴格(如:ECHA、U.S. EPA、PEL-TWA嚴格限用高毒性異氰酸酯:0.02 ppm、0.05 mg/m3),開發更環保無毒生產製程呼聲日漸高漲且刻不容緩。
 
環碳酸酯樹脂應用
環碳酸酯樹脂合成過程未使用高毒性異氰酸酯,結構中分子內氫鍵可改善材料的耐化學性、耐水解性和抗滲透性,且易施工,應用領域極廣泛,應用產品包含塗料、接著劑、密封劑、泡沫塑料(輕質發泡)、彈性體等領域。
4. 泡沫塑料(輕質發泡)
美國Eurotech公司在環碳酸酯樹脂泡沫的開發上取得了進展,並進行各項工業標準的雜化環碳酸酯泡沫試驗研究,以氫氟碳化合物進行物理性發泡,所製備的泡沫具有與常規聚氨酯泡沫相近的性能,可用於建築、機械製造、電子和電工、醫藥等領域。目前歐洲市場正在逐漸向保溫材料和包裝訂出限用異氰酸酯要求,預料HNIPU (Hybrid Non-isocyanate Polyurethane)泡沫將迎來高度需求成長市場。
 
市場動向
Hybrid Coating Technologies Inc. (HCTI)是全球NIPU的早期製造商之一。由HCTI所創建的Hybrid Coating公司目前推出多項NIPU地坪塗層塗料,並以Green Polyurethanes™為產品名,於美國(產品可於加利福尼亞州聖安娜的White Cap商店購買)、墨西哥、義大利和歐洲其他地區銷售。近年來,Hybrid Coating公司更結盟國際塗料大廠PPG,將產品滲透至各項民生塗料產品(圖七)。
 
圖七、國外應用產品
圖七、國外應用產品
 
工研院開發之環碳酸酯樹脂技術發展現況
工研院近年來致力於「環保型環碳酸酯樹脂」製程技術及產品應用開發,已建立並掌握相關技術,透過專利智財權布局,已擁有多項國內外專利。以下介紹目前工研院所開發之應用產品。
1. 塗料應用
透過環碳酸酯與胺基化合物所開發之無溶劑2k型環碳酸酯樹脂塗層塗料,不含有機揮發性物質(Zero-VOC),且可單層塗佈(Monolayer Coating),降低施工成本,產品對水氣高度穩定,可於高溼度環境下施工(圖八),塗層表面高光澤性(>90 GU),對不同基材強接著力(5B)(圖九)。由於環碳酸酯與環氧樹脂具有高相容性,可以任何比例環氧共混操作,使得產品更具物性調整彈性。產品將可應用於建築裝飾、地坪及防水層等(圖十)。
 
圖八、環碳酸酯樹脂塗層塗料應用
圖八、環碳酸酯樹脂塗層塗料應用
 
2. 輕質發泡
輕質發泡材料占整體PU市場近七成,是極為重要的應用項目之一,對此工研院亦投入環碳酸酯樹脂發泡研究。由於環碳酸酯對水氣具高穩定性,無法與水反應並產生CO2發泡(圖十一),因此工研院開發CA-amine胺基化合物應用於環碳酸酯樹脂發泡製備,並導入碳酸酯化大豆油製備出生質基質環碳酸酯發泡材料(圖十二)…以上為部分節錄資料,完整內容請見下方附檔。
 
作者:薛茂霖/工研院材化所
★本文節錄自「工業材料雜誌」394期,更多資料請見下方附檔。

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