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摘 要

PDI缩二脲因其特殊官能团缩二脲基和异氰酸酯环的优良性能而被作为优良的涂料使用。PDI缩二脲主要是PDI与水化合而成具有缩二脲结构的预聚物。本论文以PDI和水作为原料进行反应，同时将开展常规一锅法合成PDI缩二脲与微流体合成PDI缩二脲的两种工艺对比，并展开分析与讨论。主要研究结论如下：

以PDI为原料，利用一锅法合成工艺合成PDI缩二脲。考察了不同条件下（如水的添加方式和反应的温度与时间）对五亚甲基二异氰酸酯合成的影响并且进行探讨与优化。结果表明，采用一步控温法，反应温度为130 ºC，水在120 min 内均匀滴加，反应120 min 得到的产品品质最优，白色不溶物聚脲的生成量减少。

以PDI为原料，利用微流体反应器进行PDI缩二脲合成，考察微通道合成PDI缩二脲的优缺点。由于水和PDI的混溶性极差，混合时体系为两相。为了使PDI和水混合为均匀的一相，进行了乳化剂和溶剂的筛选实验，其中庚烷磺酸钠和三甘醇的效果最佳。结果表明，利用微流体反应器，反应温度为130 ℃，水在120 min 内均匀流加，反应120 min ，可以成功合成PDI缩二脲，但是效果次于传统一锅法。

关键字：PDI缩二脲 一锅法 微通道反应器

Study on the synthesis of PDI biuret in microchannel reactor

Abstract

PDI biuret is widely used in advanced coating industry due to its excellent properties of special functional groups biuret and isocyanate ring. Isocyanate biuret is mainly a prepolymer with biuret structure generated by the reaction of isocyanate and water. In this paper, pentamethylene diisocyanate (PDI) and distilled water are used as raw materials for reaction. At the same time, the two processes of conventional one-pot synthesis of PDI biuret and microfluidic synthesis of PDI biuret are compared, analyzed and discussed. The main research conclusions are as follows.

PDI biuret was synthesized from PDI by one pot method. The effects of different conditions (such as the way of adding water and the temperature and time of reaction) on the synthesis of pentamethylene diisocyanate were investigated and optimized. The resultsshow that the reaction temperature is 130 ° C, the water is evenly added in 120 minutes,the product quality is the best,and the production of white insoluble polyurea is reduced.

The biuret synthesis of PDI was studied in a microfluidic reactor using PDI as raw material. Because the miscibility of water and PDI is very poor, the system is two-phasewhen mixed. In order to make PDI and water mixed into a uniform phase,the screeningexperiments of emulsifier and solvent were carried out,among which sodium Heptane sulfonate and triethylene glycol were the best.The results showed that PDI biuret could besynthesized successfully in a microfluidic reactor at a temperature of 130℃, with water added in 120 minutes and reaction time of 120 minutes,but the effect was inferior to thetraditional one-pot method.

Keywords: PDI Biuret; One-pot method; Microchannel

目 录

摘要 I

Abstract II

第一章 文献综述 2

1.1 前言 2

1.2 五亚甲基二异氰酸酯的简介 2

1.2.1 五亚甲基二异氰酸酯的性质 2

1.2.2 生物基异氰酸酯的研究现状 3

1.3 PDI缩二脲的合成方法 3

1.3.1 喷雾法 3

1.3.2 结晶水法 3

1.3.3 气相法 4

1.3.4 水蒸汽法 4

1.4 本论文的立题意义和主要研究内容 4

1.4.1 立题意义 4

1.4.2 主要研究内容 4

第二章 PDI缩二脲的合成研究及其表征 5

2.1 前言 5

2.2 实验材料 6

2.2.1 实验原料 6

2.2.2 实验装置 6

2.2.3 实验步骤 7

2.3 分析方法 7

2.3.1 异氰酸酯基的测定 7

2.3.2 红外光谱定量分析 9

2.4 结果与讨论 10

2.4.1 反应温度对产品组成的影响 11

2.5 本章小结 12

第三章 微流体通道应用于PDI缩二脲的合成 14

3.1 前言 14

3.2 乳化剂的筛选与优化 14

3.3 溶剂的优化 16

3.4 实验材料 17

3.4.1 实验原料 17

3.4.2 实验装置 17

3.4.3 实验步骤 17

3.5 结果与讨论 18

3.6 微通道反应的利与弊 19

3.6.1 微通道反应器的优势 19

3.6.2 微流体的局限性 19

参考文献 21

致谢 22

第一章 文献综述

1.1 前言

PDI（简称五亚甲基二异氰酸酯）单体容易挥发，对人体有害，故可以将其加工成PDI缩二脲应用于生活中，其生成物危害性小、能快速成膜、耐久性好^[1]。特别是产品具有保色的特性，主要用于制造保色性强的涂料、粘合剂^[2-5]。合成异氰酸酯缩二脲的反应体系中存在许多的副反应，这是因为-NCO基团都可以与含有活泼氢的化学物质发生反应例如:如PDI的分子中的两个-NCO基团化学性质相似，最终产物的成分十分复杂。PDI中的亚甲基组成的链两头对称地分布着两个-NCO基，反应的程度一致，PDI分子中的一个-NCO基按照理论上讲能够反应成具有缩二脲结构物质，而另一端的-NCO基团不参与任何反应是十分困难的^[6]。n(PDI):n(H₂O)=3:1的理想摩尔比反应，部分PDI的两个-NCO基团可能都会反应，反应副产品含量大大增加；在PDI过量的条件下得到的产品中缩二脲含量较高，产品中PDI缩二脲含量会随n(PDI):n(H₂O)比值增大，但是残留单体氰酸酯含量也会随之增加，增加后期的分离成本^[7]。

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