有机硅改性水性聚氨酯涂层剂的制备及性能研究

论文摘要

水性聚氨酯具有成膜性好、弹性优良、耐磨、与织物的粘结牢度高、环保无污染等优点,是织物涂层剂首选的材料之一。但水性聚氨酯的耐水性能不佳,而且作为织物涂层剂,需要外加交联剂,操作繁琐而且毒性较大、不够环保。鉴于此,课题采用引入自交联剂的方法来制备出自交联水性聚氨酯,在此基础上引入有机硅单体,合成自交联的有机硅改性水性聚氨酯,产品可以不需外加交联剂,达到涂层织物良好的耐水、透湿性能及较柔软的手感。论文研究分为三部分:第一部分自交联型脂肪族水性聚氨酯的合成与性能。本部分将异佛尔酮二异氰酸酯（IPDI）、聚醚210反应制得预聚体,以二羟甲基丙酸（DMPA）、三官能团自交联单体（TMP）和1,4-丁二醇（BDO）作为扩链剂,合成自交联型脂肪族水性聚氨酯乳液。研究了反应温度和时间对—NCO转化率的影响,初始R值（n（—NCO）/n（—OH））、亲水单体用量以及自交联单体用量对聚氨酯乳液性能及胶膜性能的影响;将自交联型水性聚氨酯用作织物涂层,测试了涂层织物的静水压、耐洗牢度。研究结果表明:自交联型水性聚氨酯优化合成工艺条件为:预聚反应温度80℃,反应时间2h,亲水扩链反应温度85℃,反应时间2h,初始R值为2.5,亲水单体用量为4%,自交联单体用量为40%。自交联型聚氨酯涂层织物的静水压为239mm,耐洗次数达到26次。相对普通水性聚氨酯,其耐水性、耐洗牢度都有大幅度提高,基本达到外交联水性聚氨酯的水平。第二部分有机硅改性水性聚氨酯的合成与性能。本部分将异佛尔酮二异氰酸酯、聚醚210及聚醚聚硅氧烷二元醇（PESO）反应制得预聚体,以二羟甲基丙酸、三羟甲基丙烷（TMP）和1,4-丁二醇作为扩链剂,合成一种自交联型的有机硅改性水性聚氨酯（Si-WPU）乳液。研究PESO的不同用量及分子量对改性聚氨酯乳液及其胶膜性能的影响;采用红外光谱分析来表征有机硅改性聚氨酯的结构;将Si-WPU乳液用作织物涂层,测试了涂层织物的静水压、硬挺度。结果表明:PESO的分子量为4600,用量为6%时,所合成的Si-WPU乳液稳定性良好、乳液粒径小、胶膜的耐水性能、力学性能均较好;通过红外谱图表征了有机硅链段通过化学方式键入到聚氨酯链段中;Si-WPU涂层织物的静水压为322,硬挺度为2.98。相对未改性的自交联水性聚氨酯,其耐水性明显提高,手感变软。第三部分有机硅改性水性聚氨酯织物涂层剂的应用研究。本部分将自制的自交联型有机硅改性水性聚氨酯乳液应用于棉织物涂层整理。研究了涂层量、焙烘温度及时间对涂层棉织物性能的影响,优化了涂层工艺条件,测试了自制的有机硅改性水性聚氨酯的涂层织物的性能,并与未改性水性聚氨酯及市售的有机硅改性水性聚氨酯做比较。研究结果表明:自交联型有机硅改性水性聚氨酯乳液涂层工艺优化条件为:涂层量10g/m2,焙烘温度140℃,焙烘时间3min。自制的有机硅改性水性聚氨酯用于棉织物的涂层,较未改性的水性聚氨酯,其耐水性能明显提高,且具有较好的透湿性能及柔软丰满的手感。与市售的有机硅改性聚氨酯（PU328）相比,自制的有机硅水性聚氨酯的静水压、透湿率和手感均优于市场有机硅改性水性聚氨酯产品,但耐洗性和强力有所不足,但相差幅度并不大。

论文目录

• 摘要
• Abstract
• 第一章 前言
• 1.1 引言
• 1.2 水性聚氨酯综述
• 1.2.1 水性聚氨酯的结构与性能
• 1.2.2 水性聚氨酯的制备方法
• 1.2.3 水性聚氨酯乳化、离子稳定和成膜机理
• 1.2.4 水性聚氨酯在织物涂层整理上的应用
• 1.3 水性聚氨酯改性
• 1.3.1 交联改性
• 1.3.2 优化复合改性
• 1.4 有机硅改性水性聚氨酯
• 1.4.1 有机硅改性水性聚氨酯的制备方法
• 1.4.1.1 硅醇羟基封端硅氧烷改性法
• 1.4.1.2 氨烷基封端的聚硅氧烷改性法
• 1.4.1.3 烷氧基硅烷交联改性法
• 1.4.1.4 羟烃基封端的聚硅氧烷改性法
• 1.4.2 有机硅改性水性聚氨酯存在的问题及解决方法
• 1.5 课题的立意、主要研究内容与论文的创新点
• 参考文献
• 第二章 自交联型脂肪族水性聚氨酯的合成与性能
• 2.1 引言
• 2.2 实验部分
• 2.2.1 实验材料及仪器
• 2.2.2 原料预处理
• 2.2.3 自交联水性聚氨酯的制备
• 2.2.4 胶膜的制备
• 2.2.5 涂层工艺
• 2.2.6 测试方法
• 2.2.6.1 —NCO 含量的测定
• 2.2.6.2 乳液性能
• 2.2.6.3 胶膜性能
• 2.2.6.4 涂层织物应用性能
• 2.3 结果与讨论
• 2.3.1 反应温度对—NCO 转化率的影响
• 2.3.1.1 预聚反应温度对—NCO 转化率的影响
• 2.3.1.2 亲水扩链反应温度对—NCO 转化率的影响
• 2.3.2 初始R 值（n（—NCO）/n（—OH））对乳液及胶膜性能的影响
• 2.3.2.1 初始R 值（n（—NCO）/n（—OH））对乳液稳定性的影响
• 2.3.2.2 初始R 值（n（—NCO）/n（—OH））对乳液粒径分布的影响
• 2.3.2.3 初始R 值（n（—NCO）/n（—OH））对胶膜力学性能的影响
• 2.3.3 亲水单体DMPA 用量对乳液及胶膜性能的影响
• 2.3.3.1 亲水单体DMPA 用量对乳液稳定性的影响
• 2.3.3.2 亲水单体DMPA 用量对乳液粒径分布的影响
• 2.3.3.3 亲水单体DMPA 用量对胶膜耐水性的影响
• 2.3.4 自交联单体TMP 用量对乳液及胶膜性能的影响
• 2.3.4.1 自交联单体TMP 用量对乳液稳定性的影响
• 2.3.4.2 自交联单体TMP 用量对乳液粒径分布的影响
• 2.3.4.3 自交联单体TMP 用量对乳液粘度的影响
• 2.3.4.4 自交联单体TMP 用量对乳液成膜速率的影响
• 2.3.4.5 自交联单体用量对胶膜拉伸性能的影响
• 2.3.4.6 自交联单体用量对胶膜耐水性的影响
• 2.3.5 自交联水性聚氨酯的涂层应用性能
• 2.4 本章小结
• 参考文献
• 第三章 有机硅改性水性聚氨酯的合成与性能
• 3.1 引言
• 3.2 实验部分
• 3.2.1 材料与仪器
• 3.2.2 Si-WPU 的制备
• 3.2.3 胶膜的制备
• 3.2.4 性能测试
• 3.2.4.1 —NCO 含量的测定
• 3.2.4.2 乳液性能
• 3.2.4.3 胶膜性能
• 3.2.4.4 涂层织物应用性能
• 3.3 结果与讨论
• 3.3.1 聚醚聚硅氧烷二元醇（PESO）加料顺序的确定
• 3.3.2 预聚反应温度和时间的重新确定
• 3.3.3 PESO 用量对乳液及其胶膜性能的影响
• 3.3.3.1 PESO 用量对乳液离心稳定性的影响
• 3.3.3.2 PESO 用量对乳液粒径分布的影响
• 3.3.3.3 PESO 用量对胶膜表面水接触角的影响
• 3.3.3.4 PESO 用量对胶膜耐水性能的影响
• 3.3.3.5 PESO 用量对胶膜耐溶剂性能的影响
• 3.3.3.6 PESO 用量对胶膜力学性能的影响
• 3.3.4 PESO 分子量对乳液及其胶膜性能的影响
• 3.3.4.1 PESO 分子量对乳液粒径分布的影响
• 3.3.4.2 PESO 分子量对胶膜水接触角的影响
• 3.3.4.3 PESO 分子量对胶膜力学性能的影响
• 3.3.5 有机硅改性聚氨酯结构的表征
• 3.3.6 有机硅改性聚氨酯的涂层应用性能
• 3.4 本章小结
• 参考文献
• 第四章 有机硅改性水性聚氨酯织物涂层剂的应用研究
• 4.1 引言
• 4.2 实验部分
• 4.2.1 材料和仪器
• 4.2.2 涂层工艺
• 4.2.3 性能测试
• 4.3 结果与讨论
• 4.3.1 涂层量
• 4.3.2 焙烘温度
• 4.3.3 焙烘时间
• 4.3.4 有机硅改性聚氨酯涂层织物性能的研究
• 4.4 本章小结
• 参考文献
• 第五章 结论与建议
• 5.1 结论
• 5.2 建议