一种聚氨酯光学树脂制备方法及其应用

技术领域

本发明属于聚氨酯树脂材料领域，具体涉及一种聚氨酯光学树脂制备方法及其应用。

背景技术

光学材料广泛用于制作眼镜片、飞机和汽车的风挡、窗玻璃以及透镜和棱镜等光学元件。传统的光学材料主要为无机玻璃，但存在密度大、耐冲击性能不佳及碎后容易对人体造成伤害等缺点；而聚合物光学材料具有密度小、重量轻、透明度高、抗冲击、易成型加工等特点，光学树脂镜片的市场占有率逐年升高，普及树脂镜片形成趋势。

光学树脂中聚氨酯类树脂是最重要的一种，该类树脂采用异氰酸酯和多元硫醇多化合物聚合反应得到。此类光学树脂具有折射率高、重量轻、耐冲击性、染色性好、易加工性等优异特性。且聚氨酯镜片由于其较高的折射率，镜片可以做的很薄，更加美观，是今后树脂镜片的发展趋势。

通常，在可见光区，光学塑料透光率的损失主要由三个因素造成：光的反射、散射和吸收。光的散射是因光学介质的内部不均一性导致的。作为原料的异氰酸酯对产品的物理性能有显著的影响。

目前在聚氨酯光学树脂领域，关注异氰酸酯单体质量的相关专利不多。关于镜片树脂质量的影响因素研究多集中于氯的影响。专利US5576412中水解氯小于300ppm的异氰酸酯可以得到质量良好的镜片树脂，实施例中有采用水解氯120ppm的XDI制作镜片树脂。JP2014234429限制XDI中α-氯代杂质至1-250ppm可得到质量良好镜片树脂。在SKC的专利CN108586705A中提到在XDI组合物中控制氯含量为100-1000ppm，其中所述的氯包括氯离子和氯基存储稳定剂中的至少一种，这样可以保持XDI储存稳定性和反应性不降低。专利CN107189034A公开了一种抗黄变树脂镜片组合物配方：异氰酸酯，多元硫醇，脱模剂，催化剂，抗氧剂。其中异氰酸酯中含有少量的氯离子。通过控制氯离子的含量与特定的抗氧剂，制备抗黄变的光学树脂。

综上，目前从原料角度控制聚氨酯树脂制品的光学性能和外观品质，以及聚氨酯组合物稳定性的主要途径，都是控制原料中氯的影响。

发明内容

通过异氰酸酯和多元硫醇化合物聚合得到聚氨酯光学树脂的过程中，有时制品会受到各种杂质的影响，产生光学畸变，对光学制品的性能造成不良影响。本发明的目的在于提供一种聚氨酯光学树脂品质控制方法，该方法能够获得光学性能和外观品质良好的聚氨酯光学树脂制品，有效降低光学制品的次品率。

光学材料的加工一般由化学单体和引发剂(催化剂)混合后配料，真空脱气后注入模具，经过程序控温固化后，再进行后处理加工。当树脂中含有一定量固体颗粒时，在贮存和使用过程中就会出现聚合、吸水反应成脲等情况，产生发朦，变浑，并伴随出现透明度和折射率下降的现象，使得制品外观变差，从而影响产品的品质。这些杂质一部分是溶解状态，一部分是悬浮状态。根据胶体化学的知识可知,当分散颗粒粒径较小时,肉眼或显微镜是不能辨别的,从外观上看是透明的；当分散颗粒粒径较大时,用肉眼或普通显微镜可观察到分散相颗粒。较大颗粒能阻止光线通过或者发生光学散射,因而外观上是浑浊不透明的。

迄今，国内外针对光学树脂用异氰酸酯的品质测定方法主要是测定色号、纯度、水解氯等指标。市售异氰酸酯，即使提纯，也很可能含有少量的杂质，这会损害产品的物理性能，且不利于长期储存，此状况在特别需要高透明性和光学特性的光学镜片领域中最终会导致严重的问题(如出现波纹、发朦、斑点或起泡等)。

为达到上述发明目的，本发明提供如下技术方案：

一种聚氨酯光学树脂制备方法，该方法将包含异氰酸酯和多元硫醇化合物的原料组合物通过聚合反应得到所述聚氨酯光学树脂，所述原料组合物中异氰酸酯的浊度含量控制为≤2NTU，优选为≤1NTU，进一步优选为≤0.5NTU，更优选为≤0.3NTU，当然也可以将该含量控制到更低的程度，例如更佳为≤0.25NTU等。

浊度是用一种称作浊度计的仪器来测定的。浊度计发出平行光线，使之穿过一段样品，并从与入射光呈90°的方向上检测有多少光被水中的颗粒物所散射。这种散射光测量方法称作散射法，国际标准浊度单位NTU，是以一种悬浮稳定的有机化合物(硫酸肼与六次甲基四胺的聚合物)为标准浊度物质来定义的，英文意为Nephelometric Turbidity Unit。

浊度大小主要与测试品中的胶体颗粒尺寸、分布、数量有关。一般认为:颗粒越小、分布越均匀、数量越少，浊度越小。而固体颗粒尺寸、分布、数量3个因素中，胶体颗粒尺寸可以测定，而数量及分布难以直接测量。影响浊度产生的因素非常多，包括全面质量管理的五个因素人员、机器、原料、方法、环境，影响单体浊度的工艺因素包括厂房条件、温度湿度条件、参数管控、设备条件管控及作业手法及稳定性。

通过浊度测试控制原料品质的方法具有良好的准确度和可行性，数据分析简单，对操作人员的专业要求不高，适合工厂质量的快速便捷的监控要求。

本发明在研究中惊奇地发现，制备聚氨酯光学树脂所用的异氰酸酯原料中的异氰酸酯浊度值会影响到聚氨酯光学树脂产品质量，特别是与产品透射比等指标密切相关。

目前聚氨酯光学树脂的生产领域，尚未关注过所用异氰酸酯原料中存在的异氰酸酯的浊度值对生产的影响。以苯二亚甲基二异氰酸酯为例，其他杂质例如低含量的杂质4-氰基苯甲异氰酸酯、2-氯甲基苯甲异氰酸酯和氯苯等的存在会降低产品纯度，影响产品品质。但是，异氰酸酯的浊度值对生产和应用的影响与上述其他杂质的影响有差异。本发明基于本领域所认可的(例如文献中有关异氰酸酯类物质储存条件的报道和实际工业生产的经验)的异氰酸酯使用条件，而发现原料浊度值的变化，同时注意到当该变化超过某一特定范围时，会造成制备的聚氨酯光学树脂结构不均一，继而导致制品质量变化。异氰酸酯原料中异氰酸酯的浊度值超过某特定值时，会产生形变或透明性变差，导致制品的合格率降低。而通过控制原料组合物中所用的异氰酸酯原料的异氰酸酯浊度含量可以有效抑制异常，得到指标合格的透明高性能聚氨酯光学树脂。

原料组合物中所使用的异氰酸酯选自脂肪族和/或芳香族异氰酸酯，其中，脂肪族异氰酸酯优选为六亚甲基二异氰酸酯、甲基环己基二异氰酸酯、二甲基环己基二异氰酸酯、二环己基甲烷二异氰酸酯、异佛尔酮二异氰酸酯、降冰片烷二异氰酸酯和环己基二亚甲基二异氰酸酯中的一种或多种，芳香族异氰酸酯优选为甲苯二异氰酸酯、对苯二异氰酸酯和苯二亚甲基二异氰酸酯中的一种或多种，所述异氰酸酯更优选为环己基二亚甲基二异氰酸酯和/或苯二亚甲基二异氰酸酯。

原料组合物中所用的多元硫醇化合物选自乙二醇二(巯基乙酸酯)、二乙二醇二(巯基乙酸酯)、丙三醇三(巯基乙酸酯)、丙二醇二(巯基乙酸酯)、丁二醇二(巯基乙酸酯)、三羟甲基丙烷三(巯基乙酸酯)、亚乙基二(2-羟乙基硫醚)二(巯基乙酸酯)、三羟甲基丙烷三(巯基乙酸酯)、季戊四醇四(巯基乙酸酯)、二季戊四醇六(巯基乙酸酯)、四(3-巯基丙酸)季戊四醇酯和1，2-双[(2-巯基乙基)硫代]-3-巯基丙烷中的一种或多种，优选为乙二醇二(巯基乙酸酯)、丙三醇三(巯基乙酸酯)、丁二醇二(巯基乙酸酯)、三羟甲基丙烷三(巯基乙酸酯)、亚乙基二(2-羟乙基硫醚)二(巯基乙酸酯)、季戊四醇四(巯基乙酸酯)、二季戊四醇六(巯基乙酸酯)、四(3-巯基丙酸)季戊四醇酯和1，2-双[(2-巯基乙基)硫代]-3-巯基丙烷中的一种或多种。

原料组合物中所用的异氰酸酯原料，其中所存在的异氰酸酯的浊度值的控制，可通过将异氰酸酯化合物进行分离纯化处理和/或控制异氰酸酯存储条件来达到。所述分离纯化可采用本领域常规纯化手段，只要能达到将异氰酸酯中存在的浊度值含量控制在上述范围(例如≤2NTU，≤1NTU，≤0.5NTU，≤0.3NTU等)的分离纯化方式均可使用，例如精馏等常规分离纯化手段，在此不作赘述。

原料组合物中的异氰酸酯组分的一种重要的反应特点是它的NCO自聚化倾向及NCO基团和含活泼氢物质的反应。本发明发现，适宜的储存和使用条件利于获得指标优异的聚氨酯光学树脂。为了促进材料能够更为稳定地使用，探究储存异氰酸酯原料的适宜湿度也显得很必要。通过选择合适的异氰酸酯原料存储条件可以控制其浊度，使所述异氰酸酯在敞口放置时控制环境相对湿度≤35％，芳香族异氰酸酯控制放置时间≤48h，脂肪族异氰酸酯控制放置时间≤240h，优选≤144h。

利用异氰酸酯和多元硫醇化合物的聚合反应来制备聚氨酯光学树脂的具体工艺过程是本领域所熟知的，为本领域公知技术，并非本发明的重点，因而不作一一赘述。其制备过程主要包括将所述原料组合物中的各组分搅拌混合，之后脱气并经固化工艺后得到所述聚氨酯光学树脂。通常采用注塑聚合来制造聚氨酯光学树脂，具体而言，是将异氰酸酯、多元硫醇化合物及根据需要所添加的其他助剂混合，将此混合液脱气后，注入光学材料用注塑模中，通常将其缓缓地从低温加热至高温，例如由室温程序升温至120℃，使其聚合固化；然后，经脱模再进行二次固化后，得到光学材料。

异氰酸酯和多元硫醇化合物的反应为体型缩聚反应，依据体型缩聚反应理论，两种单体反应配比计算是以相互反应的官能团配比为基础。为了提高官能团的反应程度，进而由此改善体型缩聚聚合物的分子量，需要将NCO基/SH基的摩尔比控制在(0.8-1.3)：1，优选(0.9-1.2)：1的范围内。

制备聚氨酯光学树脂的原料组合物中，为了获得所需的反应速度，可以加入聚合催化剂，催化剂例如为二丁基二氯化锡，按使用的催化剂的总量计算，任选使用量例如可以为0.01-5.0wt％，优选0.01-3wt％(基于制备聚氨酯光学树脂所需异氰酸酯和多元硫醇化合物的总重量)。除二丁基二氯化锡、二甲基二氯化锡等二烷基卤化锡(dialkyltinhalide)类，也可采用二甲基二乙酸锡、二丁基二辛酸锡、二丁基二月桂酸锡等二烷基二羧酸锡类。

另外，根据目的，可以与公知的聚氨酯光学树脂制备方法相同地添加扩链剂、交联剂、光稳定剂、紫外线吸收剂、抗氧化剂、油溶染料、填充剂、脱模剂等各种助剂物质中的一种或多种，每种助剂的添加量例如可以为0.05-3.0wt％，优选0.05-1wt％(基于制备聚氨酯光学树脂所需异氰酸酯和多元硫醇化合物的总重量)。

一种利用上述制备方法得到的聚氨酯光学树脂，该树脂可再进一步加工制备成制品。

一种利用上述聚氨酯光学树脂制成的光学制品。利用本发明的制备方法得到的聚氨酯光学树脂制备的各种光学制品，例如但不限于透镜、棱镜、光纤、信息记录基板、滤光器等。

本发明利用上述方法获得的光学制品的黄度指数YI值≤2.2，可见光光谱区域(380nm-780nm)的平均透射比≥80％。

光透射比是指制品的光通量和入射光通量的比值。对光学制品而言，透射比越高，反射与吸收越小，光学制品越清晰。根据波动理论的半波叠加原理，通过加硬及多种折射率的组合镀膜提高光学制品的透光率。

黄色指数YI是指高分子材料偏离白色的程度，或者发黄的程度，实际中借助在标准光源下氧化镁标准白板作为基准，从试样对红、绿、蓝三色光的反射率(或者透射率)计算所得的表示黄色深浅的一种量度。黄度指数YI值越小，制品的色相越好，YI值越大，色相变得越不好。

除了黄度指数和透射比之外，采用雾度来表征光学散射的程度。雾度又叫雾霾(Haze)，即通过镜片而偏离入射光方向的散射光通量与透过的入射光通量的百分比。雾度不仅是评定镜片表面耐擦痕的技术指标(搭配落砂实验)，也是判定光学材料保持透明度和物象清晰度的可靠数据之一。评定光散射材料的两项主要指标是透过率和雾度。通常情况下，材料的透过率和雾度是相反的，透过率高的材料，雾度低，反之亦然。

本发明通过采用上述技术方案，获得了如下有益效果：

(1)根据本发明的制备方法，能够快速简便地控制原料品质，发现原料的细微差异，以较低的成本和较高的效率来制备性能优异的聚氨酯树脂类光学制品，获得的光学制品的黄度指数YI值≤2.2，可见光光谱区域(380nm-780nm)的平均透射比≥80％；

(2)进一步控制异氰酸酯的浊度还能有效减少制品出现波纹、发朦、斑点或起泡等现象，有效提高产品外观品质，显著降低次品率。

附图说明

图1是实施例1固化后制片外观；

图2是实施例4固化后制片中个别出现缺陷的次品外观(左图)和对比例3固化后制片外观(左图)。

具体实施方式

为了更好的理解本发明的技术方案，下面结合实施例进一步阐述本发明的内容，但本发明的内容并不仅仅局限于以下实施例。

文中所述的“浊度”若未特别说明，均指异氰酸酯的浊度。

本发明以下实施例和对比例采用以下仪器分析：

浊度测试使用HACH2100N浊度仪，美国HACH公司生产，测量范围为0-10000NTU，分度值为0.01NTU，其散射方式包括90°散射及前向、后向散射及透射，可以自动选择测量范围，钨灯光源，采用400～600nm光。

产品评价用以下的方法进行：

浊度的样品测定：

开机，仪器预热30min；

将样品转移至干燥、清洁的样品瓶中，旋紧瓶塞，倾倒样品时应避免气泡生成；

用超细纤维无尘布擦拭样品瓶外壁，视外壁划痕情况涂抹适量硅油，擦拭均匀；

测定时使用可设定的最低范围，将样品放入样品槽中，样品瓶上的定向标记与容器室前面凸起的定向标记对齐；

待测量值稳定后，读取结果。

标准校正：

按样品测试的方法，在校准模式下，用浊度标准液做校正曲线。

分析结果保留至小数点后第二位报告，单位为NTU。

采用高铁检测仪器(东莞)有限公司恒温恒湿箱，型号GT-7005-A2M，控制样品放置的温度湿度条件。

采用Hunterlab USVIS 1839色差仪，测试固态聚合物的黄度指数、和透射比(透光率)。测试采用的都是固定模具制备样品。

合格率：本实施例中在高压汞灯下目视观察100片制片，确认有条纹状、气泡等由于组成不同等导致局部与周围正常折射率不同的现象制品判定为不合格，统计后计算出合格率。

以下实施例所用的间苯二亚甲基二异氰酸酯(XDI)和环己基二亚甲基二异氰酸酯(H

以下实施例及对比例中所用的异氰酸酯原料经GC色谱分析及水分分析，水含量＜100ppm，GC纯度均＞99.51％(A/A)，氯代杂质＜0.025％(A/A),氰基杂质＜0.015％(A/A)。多元硫醇化合物采用市售原料，主含量91.0％-95.0％(A/A)，其余为含巯基的混合物，水含量＜500ppm。实施例及对比例所选用原料排除已知相关杂质和水份对光学树脂质量影响。

实施例与对比例中1质量份为30g。

在带搅拌的反应釜内加入浊度为0.242NTU的间苯二亚甲基二异氰酸酯(XDI，纯度99.79％)50质量份，在25℃下加入0.015质量份二丁基二氯化锡作为催化剂、0.10质量份酸性磷酸酯(Stepan公司、商品名Zelec UN)、0.05质量份紫外线吸收剂(Rianlon制、商品名RIASORB UV531)混合溶解。进而，加入50质量份1，2-双[(2-巯基乙基)硫代]-3-巯基丙烷的多硫醇化合物(京博化工、商品名聚硫醇501)，二者NCO/SH基团的摩尔比值为1.08，将其室温混合1h，混合转速100rpm，形成聚合性原料组合物。冷却至20℃之后，在2kPa(绝对压力)、25℃条件下进行1.5小时脱气，注入到透镜用模具中。在烘箱中用24小时从20℃升温至120℃使其聚合固化，进行脱模，再经过120℃二次固化2小时得到光学材料。同批次制备100片，统计其合格品率，在表1中示出测试结果。

本实施例所用异氰酸酯原料与实施例1基本相同，不同在于加入浊度为0.35NTU的51质量份XDI，加入49质量份1，2-双[(2-巯基乙基)硫代]-3-巯基丙烷，二者NCO/SH基团的摩尔比值为1.13，除此以外均与实施例1相同地进行聚合性原料组合物的合成及塑料透镜的制造操作。结果如表1所示。

本实施例所用异氰酸酯原料与实施例1基本相同，不同在于加入浊度为0.55NTU的47质量份XDI，加入53质量份1，2-双[(2-巯基乙基)硫代]-3-巯基丙烷，二者NCO/SH基团的摩尔比值为0.96，除此以外本实施例与实施例1采用同样的操作。在表1中示出结果。

本实施例所用异氰酸酯原料与实施例1基本相同，不同在于加入浊度为1.93NTU的52质量份XDI，加入48质量份1，2-双[(2-巯基乙基)硫代]-3-巯基丙烷，二者NCO/SH基团的摩尔比值为1.17，除此以外本实施例与实施例1采用同样的操作。在表1中示出结果。

所用异氰酸酯原料与实施例1基本相同，不同在于其中异氰酸酯的浊度值不同，本实施例采用浊度为8.12NTU的XDI，除此以外本对比例与实施例1采用同样的操作。在表1中示出结果。

所用异氰酸酯原料与实施例1基本相同，不同在于其中异氰酸酯的浊度值不同，本实施例采用浊度为30.23NTU的XDI，除此以外本对比例与实施例1采用同样的操作。在表1中示出结果。

所用异氰酸酯原料与实施例1基本相同，不同在于其中异氰酸酯的浊度值不同，本实施例采用浊度为2330NTU的XDI，除此以外本对比例与实施例1采用同样的操作。在表1中示出结果。

在带搅拌的反应釜内加入浊度为0.240NTU的环己基二亚甲基二异氰酸酯(H

本实施例所用异氰酸酯原料与实施例5基本相同，不同在于加入浊度为0.563的55质量份H

表1实施案例中不同浊度值原料的合成光学材料评价结果

注：6mm制片厚度测试，C/2光源；制品发朦不透明，都为不合格品。

根据上述实施例和对比例的比较结果可知，异氰酸酯原料中存在的浊度指标对光学形变发生率具有重要影响，当将该指标控制在一定范围时，可以有效保证产品品质。特别是当异氰酸酯原料的浊度值在0.35NTU以下时，得到的光学材料物性更佳且合格率更高。而随着异氰酸酯化合物中浊度含量增加，制品的各项指标逐渐变差，导致产品品质下降。

由于在实际使用中，打开物料包装桶后，会有一定的放置时间。本发明还对XDI及H

使用恒温恒湿箱，设定温度为30℃(一般加工车间环境温度)，敞口放入多个1000ml广口玻璃瓶，瓶中放入1000g XDI，间隔24h取样分析，一组定湿度实验后调整湿度设定。实验结果如表2所示。

表2不同湿度下敞口储存XDI的浊度(单位NTU)随时间的变化

使用恒温恒湿箱，设定温度为30℃，敞口放入多个1000ml广口玻璃瓶，瓶中放入1000g H

表3不同湿度下敞口储存H

根据表2与表3的分析结果，发现在敞口放置过程中，XDI比H

使用异氰酸酯化合物和多硫醇化合物反应得到的聚氨酯类树脂，无色透明且高折射率低分散，为特别适合冲击性、染色性、加工性等优异的塑料透镜。本发明提出的控制指标，能保证产品的品质，稳定地制备光学制品。

本领域技术人员可以理解，在本说明书的教导之下，可对本发明做出一些修改或调整。这些修改或调整也应当在本发明权利要求所限定的范围之内。