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2,2-二羟甲基丁酸(DMBA)与2,2-二羟甲基丙酸(DMPA)的性能对比

2,2-二羟甲基丁酸(DMBA)与2,2-二羟甲基丙酸(DMPA)的性能对比

  • 分类:DMBA、DMPA应用
  • 作者:
  • 来源:
  • 发布时间:2019-11-11
  • 访问量:15

【概要描述】2,2-二羟甲基丁酸是一种既有羟基又有羧基基团,它还可应用于皮化材料、液晶、油墨、食品添加剂及粘合剂化工等方面,特别是在水乳型聚氨酯及皮革涂饰剂的制造中,它既是扩链剂,又能使聚氨酯获得良好的自乳化性能,可大大提高聚氨酯水乳液的稳定性。

2,2-二羟甲基丁酸(DMBA)与2,2-二羟甲基丙酸(DMPA)的性能对比

【概要描述】2,2-二羟甲基丁酸是一种既有羟基又有羧基基团,它还可应用于皮化材料、液晶、油墨、食品添加剂及粘合剂化工等方面,特别是在水乳型聚氨酯及皮革涂饰剂的制造中,它既是扩链剂,又能使聚氨酯获得良好的自乳化性能,可大大提高聚氨酯水乳液的稳定性。

  • 分类:DMBA、DMPA应用
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一、产品特性
      2,2-二羟甲基丁酸
分子式:C6H12O4 ,分子量:148.16,CAS登录记号:[10097-02-6]
英文名称: Dimethylolbutanoic acid [2,2-Bis(hydroxymethyl)butyric Acid]
白色晶体粉末,在相对湿度高时有吸湿性。熔点为107~115℃(高纯度为112~117℃),密度为1.263g/cm3。溶于水。20℃在丙酮、甲乙酮和甲基异丁基酮中的溶解度分别是15g/100g、7g/100g和2g/100g,40℃时溶解度分别是44g/100g、14g/100g和7g/100g。
毒性较低,大鼠经口急性中毒值LD50>2000mg/kg。
溶解度数据                               单位g/100g溶剂 

温 度

丙 酮

甲基乙基甲酮

甲基异丁基甲酮

20℃

15(1)

7(0.4)

2(0.1)

40℃

44(2)

14(0.8)

7(0.5)

20℃DMBA在水中的溶解度为48%,DMPA在水中的溶解为11%,( )内是DMPA的溶解度。

二、产品质量的主要技术指标

项   目

指        标

2,2-二羟甲基丁酸(DMBA)

2,2-二羟甲基丙酸(DMPA)

外 观

白色固体颗粒

白色固体颗粒

含 量 % ≥

99

99

水 份 % ≤

0.5

0.5

羟 值mgKOH/g

728~782

810~860

酸 值 mgKOH/g

370~375

414.2~418.3

熔点 ℃

108~115

≥180

水份含量 % ≤

0.3

0.3

灰份含量 % ≤

0.03

0.03

残醛含量 % ≤

0.03

0.03

铁(Fe)含量ppm ≤

5

5

钠(Na)含量ppm ≤

150

50

鉀(K)含量ppm ≤

10

10

丙酮-三乙胺溶解试验

澄清透明

澄清透明

三、产品主要用途和优点
2,2-二羟甲基丁酸是一种既有羟基又有羧基基团,独一无二的多功能受阻的二元醇分子,自由酸基团在与碱中和后,能积极提高树脂的水溶性或分散性能;引入极性基团,改进涂料的附着力和合成纤维的染色性能;增加镀膜的碱溶性。可应用于水溶性聚氨酯体系,水溶性醇酸树脂和聚酯树脂,环氧酯涂料,聚氨酯弹性体及粉末涂料。
它还可应用于皮化材料、液晶、油墨、食品添加剂及粘合剂化工等方面,特别是在水乳型聚氨酯及皮革涂饰剂的制造中,它既是扩链剂,又能使聚氨酯获得良好的自乳化性能,可大大提高聚氨酯水乳液的稳定性。
2,2-二羟甲基丁酸是分子中含有两个伯羟基和一个羧基的多官能团化合物,该分子具有醇类和有酸类化合物的特性,亲油性的碳骨架结构及亲水性的官能团结构使其具有独特的溶解性能,成为一种优异的交联剂和精细化工中间体。利用这种特性,2,2-二羟甲基丁酸可用于制备水溶性聚氨酯、聚酯、环氧树脂等方面,是一种新型绿色化学品。另外,由于2,2-二羟甲基丁酸熔点低,易溶于以丙酮为代表的酮类溶剂,且在制备水性聚氨酯时操作性能良好,所以即使在水性体系以外的领域,其用途也在日益扩大。
DMBA是带有两个活性的羟甲基团的新戊基羧酸,因此可以被用作合成水性高分子体系,可广泛用于水溶性聚氨酯、聚酯、环氧树脂等方面。DMBA在不同溶剂中具有比DMPA更好的溶解性能,因此可以使工作效率得到很大的改善。DMBA被视为水性聚氨酯用新一代绿色环保型扩链剂和内乳化剂,生产水性聚氨酯胶黏剂,无需使用有机溶剂,有机残留物为零。不存在使用DMPA熔点高、溶解慢、反应时间长、能耗高、产品性能差、需要加入有机溶剂、溶剂残留量大等问题。还可用于水性环氧树脂、聚酯等胶黏剂的制造。目前水性聚氨酯、水性树脂、水性胶粘剂、水性涂料等水性产品最好的多用途改性助剂(亲水扩链剂),作为单体,改性过程中,二羟甲基丁酸(DMBA)无需添加任何有机溶剂(以水代替),生产工艺更加简单,性能稳定,效果最好。其中二羟甲基丙酸(DMPA)以优越的性价比使得其在水性领域应用较为普遍。
目前使用的二羟甲基羧酸亲水扩链剂主要有DMPA和DMBA两种,其中DMPA使用时间较早,是目前使用最为普遍的一种。虽然它有许多优点,但是还存在许多缺点,主要是自身熔点较高(180℃-185℃),很难加热熔解,这就需要加入有机溶剂如N-甲基吡咯烷酮(NMP)、N,N-二甲基酰胺(DMF)、丙酮等,而NMP沸点高,制备APU后很难除去。而且DMPA在丙酮中溶解度较小,在合成过程需要加入大量的丙酮,脱酮过程既浪费能源又带来安全隐患。所以说使用DMPA不仅生产能耗高,而且产品中易造成有机残留等。而DMBA由于有其特殊的分子结构,可以在合成过程不需要消耗一点溶剂,这样不仅缩短了反应时间,不但大大提高了工作效率,同时降低能耗,而且节省能源。
DMBA和DMPA相比,DMBA存在如下明显优点:
(1)DMBA在有机溶剂中有更好的溶解性。
表2:DMBA与DMPA在不同温度下,在不同溶剂中的溶解度数据

序号

温 度

丙 酮

甲基乙基甲酮

甲基异丁基甲酮

DMBA

DMPA

DMBA

DMPA

DMBA

DMPA

1

20

15

1

7

0.4

2

0.1

2

40

44

2

14

0.8

7

0.5

溶解度:单位g/100g溶剂
DMBA在水中溶解度为48%,DMPA为12%。
同时DMBA熔点低,为108℃~115℃ ;
由于DMBA具有优良的溶解性和低熔点,因而它在合成水性聚氨酯乳液过程不需要溶剂或少加溶剂。
谢伟等人在《DMBA基水性聚氨酯乳液的合成研究》表明:利用DMBA作为亲水扩链剂,采用后扩链工艺,整个反应过程6h基本可以完成,不用溶剂,使得产品环保,而且不需脱溶,避免浪费。
刘都宝等人在《无溶剂水性聚氨酯的合成及性能研究》表明:在用DMBA合成水性聚氨酯过程,不要加一点溶剂既可以完成整个反应过程,而且反应结果附合配方设计。
(2)高反应率,反应速度快,反应温度低。
合成聚氨酯预聚体反应时间短,一般只要50-60分钟,而DMPA则要150-180分钟。这是因为DMBA结构中比DMPA多了一个亚甲基,使羧基与亚甲基的距离加大,羧基与异氰酸酯的空间位阻减少,从而使反应速率增大。
(3)用于水性聚氨酯乳液其粒径更细且分布窄,胶膜性能优异,光泽度高。
刘都宝等人在《无溶剂水性聚氨酯的合成及性能研究》中,分别以二羟基丁酸(DMBA)、异佛尔酮二异氰酸酯(IPDI)、聚氧化丙烯二醇(PPG-220)等主要原料,采用预聚体法合成无溶剂型水性聚氨酯树脂,与DMPA基合成的WPU进行对比,其具体数据见表3.
表3:DMBA、DMPA聚氨酯乳液性能比较:

编号

拉伸强度/(MPa)

断裂伸长率/(%)

模量/(MPa)

手感

光泽

P-1

7.6

464

4.6

78

P-2

9.4

495

5.4

一般

85

B-3

33.5

1290

17.5

84

B-2

46.7

1186

19.7

较好

90

      注:P-1、P-1 代表DMPA中羧基含量是1.0%和2.0%,B-1、B-1代表DMBA中羧基含量是1.0%和2.0%。
刘都宝等人经研究认为,DMBA聚氨酯乳液的位伸强度和断裂伸长率高于DMPA聚氨酯,原因是:一是DMBA的分子结构,庞大的侧链-CH2COO-妨碍了聚氨酯硬段的聚集,硬段堆砌程度差,使硬段本身在软段基质中溶解度偏高,硬段微区中硬段减小,这些因素会导致模量下降,然而低模量会导致较大的断裂伸长,反过来较大的断裂伸长又会使软段产生进一步的应力结晶,结果出现较高的拉伸强度。二是DMBA具有比DMPA更低的熔点,而且DMBA容易熔于多元醇,所以在相同的时间内DMBA可以完全按照配方反应,而由于DMPA只有一部分溶解反应掉,所以DMBA比DMPA合成的分子量大,力学性能更优越。DMBA光泽度比DMPA的光泽度高的原因,可能是由于DMBA的亲水性更好,导致乳液的粒径比较小,粒子较均匀。
二羟甲基丁酸通过两个一级羟基的作用,不需要保护第三个羧基就能轻易地氨基甲酸甲酯化或酯化,然后在氨水中中基,使其水溶化。该产品可广泛用于聚氨酯、聚酯、环氧树脂等方面。在溶解性方面,DMBA具有自己独到的溶解性,可大大提高工作效率。
目前水性聚氨酯以阴离子型自乳化为主,亲水性扩链剂多用DMPA,成盐剂用有机碱类三乙胺(TEA),TEA/DMPA0.73-0.78在范围内可获得粘度适中,稳定性好的聚氨酯乳液。与DMPA相比,用DMBA作为阴离子型内乳化剂制备聚氨酯乳液具有以下特性:①DMBA的熔点为105℃,故可以在此温度下熔化/溶解在多元醇中;②用DMBA合成聚氨酯预聚体的反应时间(约60-60min)远小于DMPA的反应时间(约150-180min);③用DMBA制备聚氨酯乳液涂膜吸水前后的拉伸强度和断裂伸长度都大于用DMPA制备的聚氨酯乳液涂膜;④以DMBA为内乳化剂制备的APU乳液粒径大而分布窄,因此,用DMBA作为阴离子型乳化剂制备聚氨酯乳液有良好的应用前景。
使用DMBA和DMPA的对比:

使用多元醇种类

聚醚多元醇

聚碳酸酯多元醇

 

 

DMBA

DMPA

DMBA

DMPA

成分

H12MDImole ratio

1.94

1.94

1.94

1.94

PTMG2000

1

1

 

 

PCD2000

 

 

1

1

DMBA

0.58

 

0.58

 

DMPA

 

0.58

 

0.58

TEA(乙三胺)

0.46

0.46

0.46

0.46

EDA

0.009

0.009

0.009

0.009

NVP wt% tosolid

10

10

20

20

分散性质

固含量wt%

33.7

33.1

32.3

32.7

黏度mpa.s/25℃

78

50

57

51

PH值

8.6

8.6

7.6

7.8

机械性能

50%模量Mpa

7.4

9.2

6

5.1

拉伸强度Mpa

35.6

28.8

24.9

16.7

伸长量%

573

439

422

307

耐水性

 

50%模量Mpa

4

4.6

4.1

3.3

拉伸强度Mpa

18.6

12.2

21.4

17.4

伸长量%

573

455

518

529

吸收率%

4.3

4.2

4.2

5.3

 

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