聚氨酯形成过程中硬链段大小的控制

本发明涉及聚氨酯弹性体及其制备方法。

聚氨酯是一类多用途的聚合物，由于仅仅改变构成它的各种组分（刚性二元醇、柔性多元醇和聚异氰酸酯）就可以改变它的性质，所以它有各种各样的应用（Ulrich，H.“聚氨酯”，Ency.Chem.Tech.，23：576-606，1983，Wiley  Intersciences）。可以用聚氨酯作粘合剂、涂料、弹性体、泡沫材料和纤维。

聚氨酯弹性体既可以是热塑性的，也可以是热固性的。所有线性嵌段聚氨酯弹性体都是热塑性的，具有良好的撕裂强度、抗冲击性和其它优异机械性能（Finelli，A.等，“热塑性弹性体”，Ency.Chem.Tech.，8：626及以后各页，1979，Wiley  Intersciences）。这些性能部分是由于相邻链的硬链段间存在着很强的氢键所致。制备热塑性聚氨酯时，通常是首先形成异氰酸基封端的柔性聚醚二醇或聚酯二醇预聚物，接着加入链增长剂，形成高分子量的聚氨酯。链增长剂是短链的二元醇。另外，使所有成分同时混合也可制作热塑性弹性体，但其物理性质稍差。

在形成聚氨酯弹性体的两步法中，硬链段长度的大小比较均匀。但是如果需要在形成软链段之前合成硬链段，控制反应的方式就很重要，目的是维持聚氨酯的诸如撕裂强度和韧度这样一些优异性能。更均匀的硬链段大小能增强引力，即增强氢键，从而导致性能的改进。

一种控制硬链段大小的方法是使用两个异氰酸基的反应性有差异的芳香族二异氰酸酯。这种化合物的一个突出的实例是甲苯二异氰酸酯（TDI）。由于电子效应和位阻效应，这是可能的。但如果使用脂肪族二异氰酸酯，或者所用的芳香族二异氰酸酯中异氰酸基与不同的芳环相连，这条途径是不可能的。

现已发现，使二异氰酸酯和短链二元醇同时混合，能够显著改进对由二异氰酸酯制备的硬链段大小的控制。如果应用脂肪族二异氰酸酯，或者所应用的芳香族二异氰酸酯中异氰酸基与不同的芳环相连，则这个结果比较理想。也已经发现，较低的反应温度能提高反应生成所要产物的选择性。

本发明涉及聚氨酯弹性体的制备。其方法是首先使两摩尔当量的二异氰酸酯与约一摩尔当量的低分子量二元醇反应。如果该二元醇用符号◆G◆表示（式中◆表示羟基，G表示该二元醇化合物的其余部分），二异氰酸酯官能化合物用·D·表示（式中·表示异氰酸基），那么此第一步反应可以示意如下：

2·D·+◆G◆→·D＊G＊D·

式中^＊表示氨酯键或脲键。第一个反应产生了所谓的“硬”链段。正如聚合物化学领域的专业人员所了解的，产物·D＊G＊D·是所有反应产物分子的数学平均。实际反应的反应产物将含有·D·和·D（＊G＊D）c＊G＊D，式中c≥2。这些化学式也是数学平均。

常规的聚氨酯制备方法是，使2当量的二异氰酸酯与1当量的长链聚醚二醇或聚酯二醇反应，形成异氰酸基封端的预聚物。然后使此预聚物与短链二元醇反应，形成高分子量的聚合物。采用此合成方案时，作为短链二元醇与预聚物中的异氰酸基的反应产物，硬链段的大小总是均匀的，也就是说，它确实就是·D＊G＊D·，而不是如前一自然段所述那样大小呈·D（＊G＊D）c·（c＝0、1、2、3……）的统计分布。

如果由于所要求的特殊应用或反应条件而希望在制备氨基甲酸酯聚合物或预聚物时首先合成硬链段，则该硬链段的大小不均匀。在这种情况下，为了获得大小分布较窄的硬链段，控制形成硬链段的反应条件是很关键的，而这对维持氨基甲酸酯聚合物的优异机械性能也很重要。控制反应条件以获得最有利的硬链段产物是本发明的主题。

如实施例中所表明的那样，已经发现，各试剂同时混合而制得的硬链段的重量分布最为有利（也就是说它的·D＊G＊D·含量最高），而将短链二元醇慢慢加入二异氰酸酯溶液中而制得的硬链段的大小分布则较为不利。在反应温度高达例如80℃时，这个现象很显著，而当反应温度较低时，此现象就不大显著。只要试剂在所用的溶剂中稳定，溶剂的选择就无关紧要。

本发明的方法可以应用两个异氰酸基的反应活性彼此独立的任何二异氰酸酯。这些二异氰酸酯包括任何脂肪族二异氰酸酯和异氰酸基与不同芳环相连的任何芳族二异氰酸酯。

因此，本发明的方法可以应用具有独立反应活性的任何二异氰酸酯（即·D·）。“D”可以选自含6-30个碳原子的烷基、烷基环烷基、环烷基、烷基芳基和芳双基。优选的脂肪族二异氰酸酯（即·D·）是异佛尔酮二异氰酸酯、1，6-己二异氰酸酯、1，6-己二异氰酸酯的缩二脲、和4，4′-二环己甲烷二异氰酸酯。优选的芳香族二异氰酸酯是双（4-异氰酸根合苯基）甲烷。

适宜的低分子量二元醇（即·G·）包括G选自含1-40个碳原子的烷基、环烷基、烷基环烷基、芳基、烷芳双基的二元醇。二元醇的主链中可以有醚键、硫醚键和胺键。特别优选的低分子量二元醇是2，2-（4，4′-二羟二苯基）丙烷（双酚A）、4，4′-异亚丙基二环己醇（氢化双酚A）、乙氧化双酚A、丙氧化双酚A、2，2-（4，4′-二羟基二苯基）戊烷、α，α′-（4，4′-二羟基二苯基）对二异丙基苯、1，3-环己二醇、1，4-环己二醇、1，4-环己二甲醇、二环和三环二元醇（例如4，8-双（羟甲基）三环〔5.2.1，0^2，6〕癸烷）、新戊二醇、1，4-丁二醇、1，3-丙二醇、1，5-戊二醇、二甘醇、三甘醇等等。

第一个反应（在二异氰酸酯和低分子量二元醇之间进行）的产物在第二阶段与长链二元醇进行反应，形成聚氨酯弹性体。如果用◆A◆表示长链二元醇，第二个反应可以示意如下：

2·D＊G＊D·+◆A◆→[·D＊G＊D＊]₂A

合适的高分子量二元醇（即◆A◆）包括A选自分子量超过400，优选1000-10，000，更优选的是2，000-5，000的烷基、环烷基、烷基环烷基、芳基和烷芳双基的二元醇。合适的二元醇还包括上述化合物的氟化类似物和含硅氧烷类似物。

“A”最好表示选自下列基团的二价聚合自由基：

-（CH₂）n′-O-（R^PO）n-（CH₂）n″-

-（CH₂）m′-O-（R^FO）m-（CH₂）m″-

式中R^P表示1-6个碳原子的直链或支链烷基，n使该部分自由基的分子量在2，000-10，000之间;R^F表示1-6个碳原子的氟化直链或支链烷基，m使该部分的分子量在400-10，000之间;R^S表示1-3个碳原子的烷基或短链氟化烷基;p使该部分的分子量在400-10，000之间;

优选的高分子量二元醇包括具有下式的聚合物：

a） HO（CH₂）（R^PO）n（CH₂）OH;

b） HO（CH₂）（R^PO）m（CH₂）OH;和

式a）代表聚氧化亚烷基二醇，该物质一般可在市场上买到，其分子量范围符合本发明的需要。这些二元醇包括由下列环氧化物制得的聚合物：环氧乙烷、1，2-环氧丙烷、1，2-环氧丁烷、2，2-环氧癸烷、1，2-环氧辛烷、2，3-环氧降冰片烷、1，2-环氧-3-乙氧丙烷、2，2-环氧-3-苯氧基丙烷、2，3-环氧丙基-4-甲氧基苯基醚、四氢呋喃、1，2-环氧-3-环己氧基丙烷、氧杂环丁烷、1，2-环氧-5-己烯、1，2-环氧乙基苯、1，2-环氧-1-甲氧基-2-甲基丙烷、苄氧基-1，2-环氧丙烷等，以及它们的组合。

这类聚合物中优选的是分子量为200、3000、4000和4000以上的聚丙二醇和分子量大于2000的聚氧乙烯聚氧丙烯嵌段共聚物。

式b）代表具有α，ω-活泼氢的聚氟代醚。这类聚合物可以按美国专利3，810，874所述的方法来合成。通常这些聚合物的分子量应在400-10，000之间。

式c）代表α，ω-二羟基烷基封端的聚硅氧烷，对于本发明的目的来说，该聚硅氧烷的分子量应在400-10，000范围内。使通式如下的二硅氧烷在酸性条件下与环聚二甲硅氧烷反应可以合成这些聚硅氧烷。

另外，也可以用二甲氧基二甲基硅烷或二乙氧基二甲基硅烷来代替二硅氧烷，产生α，ω-二羟基封端的聚硅氧烷。

通常，每个反应阶段都进行到该反应步骤完成为止。反应进程可以用酸碱滴定法来监测。由二丁胺储液和它与二异氰酸酯反应中间物的反应产物之间酸当量之差，可以计算出异氰酸酯的含量。该反应还可以利用ATR-IR监测1700cm^-1和2250cm^-1峰的出现/消失，前一个峰表明的存在，后一个峰表明-N＝C＝O的消耗。

预聚物的合成可在溶液中进行，也可以纯态进行。可以使用各式各样的非质子性溶剂来合成本发明的预聚物。可用于该合成的溶剂包括甲苯、二氯甲烷、苯、环己烷、己烷、庚烷等。优选的溶剂是甲苯、二氯甲烷以及它们的混合物。

母体的反应无论用于氨基甲酸酯反应的催化剂存在与否都可以实现，这些催化剂是本领域熟知的。锡盐和有机锡酯（例如二月桂酸二丁锡）、叔胺（例如三乙二胺）和其他公认的催化剂〔例如1，4-二氮杂（2.2.2）-二环辛烷（DABCO）〕都属于合适的催化剂之列。

本发明弹性体合成法的第一步最好在低于约100℃下进行，在约40℃-80℃范围内进行最为合适。然后在类似的温度下进行第二步反应，最好在约40℃-70℃范围内进行。正如本领域专业人员所了解的，为了使反应条件既能造成有利的反应速度又不助长不利副反应，对于每个反应体系都选择最佳的反应条件，例如温度和持续时间。

为了产生通式为·（D＊G＊D＊A）a＊D＊G＊D·（其中a至少是1）的多嵌段聚合物，第二阶段可以选择用摩尔数量的◆A◆进行。

在第三阶段加可聚合的封端剂，可以使如上所述制备的聚氨酯弹性体转化为预聚物。在这一阶段，第二阶段的反应产物与摩尔数过量的封端单体进行反应，该单体具有：1）羟基或胺官能度;2）一些可聚合的不饱和键。如果用符号E◆（其中◆为-OH或-NH₂或-NH-）来表示封端剂，则反应一般按下式进行：

[·D＊G＊D＊]₂A+2E→[E＊D＊G＊D＊]₂A

合适的封端剂包括由以下化学通式表示的可聚合的不饱和有机自由基：

式中R¹表示含1-10个碳原子的二价亚烷基;R²表示-H或-CH₃自由基;R³表示-H自由基或1-6个碳原子的烷基或基，式中Y是-O-、-S-或-NH-;R⁴表示1-12个碳原子的烷基;X表示或;Ar表示6-30个碳原子的芳基;a至少是1;w是0-6;x是0或1;y是0或1;z是0或1。

具体实例是丙烯酸羟乙酯、甲基丙烯酸羟乙酯、甲基丙烯酸氨乙酯、甲基丙烯酸3-羟基丙基酯、甲基丙烯酸氨丙酯、丙烯酸羟己酯、甲基丙烯酸叔丁氨乙酯、双酚A和/或双酚B的单丙烯酸酯或单甲基丙烯酸酯。

预聚物的形成一般在约室温到100℃的温度下进行，优选在约20℃-40℃下进行。

由于这些预聚物在与现有技术烯不饱和生物医学单体共聚后既具有物理强度又具有高度氧渗透性，所以这些预聚物对制造生物医学材料特别有用。这些优异性能的组合是由于要求保护的预聚物固有的特殊化学性质而实现的。

这些预聚物在聚合后形成两个区域，这两个区域可分别称作硬区和软区。软区的玻璃化转变温度（Tg）一般低于室温，而硬区的玻璃化转变温度高于室温。聚合后，预聚物的硬链段彼此结合，软链段形成软区，软区使该聚合物具有氧渗透性。软硬链段的组合使该聚合物具有用其他方法得不到的优异机械性能。

如前所述，这些硬链段由于通过氢键与其他刚性链段结合，在最终的聚合物或共聚物中形成硬区。控制链段间氢键的数量可以改变硬区内的结合程度，控制方法有两种：1）通过增加软链段的分子量减少预聚物中硬链段的总重量含量;2）使用较软的较长链的二元醇，或不用二元醇而使用叔胺或仲胺封端的低分子量化合物与二异氰酸酯相连，从而减少硬链段中氢键的密度。

本发明的预聚物特别可用作可用于生物医学材料领域的现有技术烯反应性单体的共聚单体。一般来说，这些单体是丙烯酸羟烷基酯和二丙烯酸羟烷基酯，例如丙烯酸羟乙酯、丙烯酸羟丙酯，以及相应的甲基丙烯酸酯类化合物，包括甲基丙烯酸环己基酯、甲基丙烯酸甲酯、甲基丙烯酸异冰片基酯、甲基丙烯酸月桂基酯、三甘醇二甲基丙烯酸酯、甲基丙烯酸异丁酯、甲基丙烯酸四氢糠基酯。也可以使用其他不饱和活泼单体，例如丙烯酰胺、甲基丙烯酰胺、吡咯烷酮类、苯乙烯和丙烯腈，以及本领域已知的其他单体，包括所有上述单体的氟化类似物及本领域已知的有机硅氧烷共聚单体。具体的含氟共聚单体包括：衣康酸2，2，2-三氟乙基酯、衣康酸六氟异丙基酯、衣康酸1H，1H-全氟辛基酯、衣康酸1H，1H，11H-全氟十一烷基酯、衣康酸全氟叔丁基酯、衣康酸五氟苯基酯、衣康酸2H，2H-全氟苄基酯、衣康酸五氟苯甲基酯、衣康酸十氟环己基酯、衣康酸（1H-全氟环己基）甲基酯、衣康酸1，1，1-三氟异丙基酯、单衣康酸1-甲基-4-六氟异丙基酯、单衣康酸4-六氟异丙基酯、衣康酸1-（1H，1H-全氟辛基）-4-六氟异丙基酯，以及它们的甲基丙烯酸酯类似物。

具体的有机硅共聚单体包括：丙烯酸和甲基丙烯酸的三（2-乙酰氧基乙基二甲基硅氧基）硅基丙基酯、丙烯酸和甲基丙烯酸的三（2-羧基乙基二甲基硅氧基）硅基丙基酯、丙烯酸和甲基丙烯酸的三（3-羟丙基二甲基硅氧基）硅基丙基酯，以及带有丙烯酸和甲基丙烯酸官能团的氟代烷基/芳基硅氧烷，例如：丙烯酸和甲基丙烯酸的三（3，3，3-三氟丙基二甲基硅氧基）硅基丙基酯、丙烯酸和甲基丙烯酸的三〔3-（七氟异丙氧基）丙基〕二甲基硅氧基硅基丙基酯、丙烯酸和甲基丙烯酸的三（五氟苯基二甲基硅氧基）硅基丙基酯。

其他可能有用的有机硅共聚单体包括：对（五甲基二硅氧烷基）苯乙烯、丙烯酸和甲基丙烯酸的二（三甲基硅氧基）吡咯烷酮基二甲基硅氧基硅基丙基酯。作为共聚单体使用时，这些物质的用量可为最终共聚物重量的5-85%（重量），共聚物中的其余成分是预聚物部分。

也可用其他二乙烯活泼单体来产生机械性能和表面性能。这些交联剂的用量一般在0.1-5%（重量）范围内。

这些聚合物和共聚物是通过游离基机制而形成的，采用多种已知的游离基催化剂，例如：过氧化二酰，如过氧化苯甲酰;二烷基过氧化物，如二叔丁基过氧化物;过氧化酮，例如过氧化甲乙酮;易水解的过酸酯，如过乙酸叔丁酯、过苯甲酸叔丁酯、二过邻苯二甲酸二叔丁酯等。一类特别有用的过氧化引发剂是有机氢过氧化物，例如氢过氧化枯烯、氢过氧化甲乙酮、叔丁基过氧化氢等。这些引发剂的使用浓度应为配方总重量的约0.01-10%，优选约0.1-5%。另一类有用的引发剂包括含羰基的紫外激活游离基引发剂，如苯乙酮、二苯酮和苯偶姻醚。其他合适的紫外引发剂是本领域所已知的。也可以使用引发剂混合物。

在最终的共聚和/或聚合过程中可以使用溶剂。溶剂的选择将取决于所用的预聚物和共聚单体（如果有的话）的溶解度参数，所选择的溶剂应使所有聚合物组分完全溶解。

在某些情况下，共聚过程应在不加溶剂的情况下进行。例如，在甲基丙烯酸2-羟乙酯（HEMA）与一种由聚乙二醇形成的预聚物共聚时，使用甲苯会使HEMA形成在剧烈水解条件下不稳定的不均一区域。

如上所述，本发明的预聚物特别可用于形成用于生物医学的成形制品。这些聚合物和共聚物可用来制造生物医学器械即成形制品（例如渗析器隔膜），还可用来制备人工肾和其他生物医学移植物，如Wichterle的美国专利2，976，576和3，220，960中所公开的移植物。本发明的聚合物和共聚物可用于制备如Shephard的美国专利3，428，043所公开的医疗用绷带。本发明的聚合物和共聚物还可用于制备外科医疗器械，例如心脏瓣膜、代用血管、子宫内避孕器、膜和其他薄膜、透析器隔膜、导管、护口器、牙衬，以及如Shephard的美国专利3，520，949和3，618，231所公开的其他器械。本发明的聚合物和共聚物可用于改性胶原蛋白以制造血管、膀胱、以及如Kliment的美国专利3，563，925所公开的其他器械。本发明的聚合物和共聚物可用来制造如Shephard的美国专利3，566，874所公开的导管。本发明的聚合物和共聚物可以用作透析用半透膜、人造托牙以及如Stoy的美国专利3，607，848中所提到的所有公开内容。本发明的聚合物和共聚物可用于假眼及Wichterle的美国专利3，679，504中所公开的所有其他用途。它们还可以作为聚合物基质用于活性药物的控制释放。

本发明聚氨酯预聚物的优选应用是制造隐形镜片。因为已发现芳香族二异氰酸酯会使隐形镜片变色，所以对上述应用来说优选脂肪族二异氰酸酯。

本发明的聚氨酯弹性体和预聚物与副产物的分离即便不是不可能也是很困难的，这是由于这些物质高度活泼。因此，必须提高反应的选择性以得到所要的弹性体/预聚物产物。如果要把预聚物掺加到隐形镜片材料中则尤其如此，而这正是本发明特别优选的实施方案所考虑的。

下列实施例中使用的异佛尔酮二异氰酸酯（“IPDI”）经过了减压蒸馏。气相色谱分析表明其中有72%为顺式，28%为反式。下列实施例中使用二甘醇（“DEG”）并用甲苯作反应溶剂时，在使用前将DEG（经费歇尔法测定纯度在99%以上，另有不到0.04%的水）与甲苯一起共沸蒸馏。否则就用3A分子筛将其干燥。甲苯用钠干燥。二氯甲烷用3A分子筛干燥，最终含水量低于0.01%。

实施例1-4和比较例A-D

将IPDI的甲苯溶液或二氯甲烷溶液（1当量）与二月桂酸二丁锡（为IPDI和DEG两种反应物重量的1.1%）一起加到充有氮气层的干燥三颈瓶中。将该溶液在指定温度下加热。然后用指定时间加入无水DEG溶液（0.5当量）。然后在氮气层下加热并搅拌内容物，直到用酸碱滴定法测得的异氰酸酯含量下降一半。

取一份试样使其与过量丁胺反应，然后进行真空汽提。加入丁胺是为了形成稳定的脲以供定性鉴定用。如果以异氰酸基封端的加合物没有完全失活，它就会吸收水分，从而错误地出现大的分子量数值。

然后用凝胶渗透色谱法分析氨基甲酸酯-脲加合物的大小分布。结果示于表1。该表中，A代表以脲封端的IPDI-（DEG-IPDI）n，其中n不小于2;B代表以脲封端的IPDI-DEG-IPDI，即所要的产物;C代表以脲封端的IPDI。

表1

实施例  A  B  C  1  D  2  3  4

温度（℃）100  80  80  80  50  50  50  25

溶剂 -甲苯- CH₂Cl₂

混合时间

（小时）  3  3  1.5  0  3  0  0  0

产物分布

（重量%）

A  31  37  25  21  25  22  21  30

B  42  35  41  55  52  59  57  56

C  27  28  33  24  23  19  20  14

B/A之比  1.35  0.95  1.64  2.62  2.08  2.68  2.71  1.87

数据显示了加料方式和反应温度对硬链段大小分布的影响。在80℃以甲苯作溶剂时发现，同时混合DEG和IPDI所得到的封端DEG（IPDI-DEG-IPDI）浓度最高（55%），而缓慢加入DEG（3小时）时浓度最低（35%）。请注意，在较低温度（50℃，相对于较高温度80℃）下反应时，所要的硬链段的浓度较高，不管加料方式如何。在所研究的所有温度下，同时混合各试剂都得到优异的结果。改变溶剂并不改变反应产物的分布。