IPDI型水性聚氨酯的固含提高和表面能降低

论文摘要

水性聚氨酯因为具有环境友好性,无毒无污染,并且不易燃等优点,在许多领域和日常生活中得到了广泛的应用。在水性聚氨酯的制备过程中,水替代有机溶剂作为分散剂,因而大大减少了挥发性物质的排放。但也正是因为水的存在,给水性聚氨酯带来了两个先天性的问题。首先因为水在体系中的大量存在,相同固含量下水性聚氨酯中的水比溶剂型聚氨醋的溶剂挥发慢,干燥时间长。对于快节奏的现代生产线的生产要求,这是一个缺憾。为解决此问题,提高水性聚氨酯乳液的固含量是一个有效途径。固含提高不仅会减少成膜和干燥的时间,使得水性聚氨酯乳液的应用更有效率,还可以降低单位能耗,有助于提高运输效率,降低运输成本。因此,高固含量的水性聚氨酯的产品是水性聚氨酯乳液的发展方向之一。但是,在之前的研究中,水性聚氨酯乳液的固含量一般在20%-35%的范围内,并且很少有文献公开报导高固含水性聚氨酯乳液的合成。第二,为了得到水性聚氨酯乳液,必须引入亲水基团。但是亲水基团的引入,使其所形成的膜具有较高的表面自由能,在提高亲水性的同时降低了膜的耐水性和拒油性能。本文以异氟尔酮二异氰酸酯（IPDI）、聚四氢呋喃醚二醇（PTMG）、聚己内酯二醇（PCLD）、2,2-二羟甲基丙酸（DMPA）以及1,4-丁二醇（BDO）等为主要原料,经自乳化法分别合成出IPDI型阴离子水性聚氨酯PTMG-PU、PCLD-PU。Fourier变换红外光谱测试证实了二者结构上的差别。通过系统研究合成制备工艺过程中多种因素对乳液粘度及胶粒粒径的影响,发现当控制合成过程中中和度为90-100%、[NCO]/[OH]比为1.13-1.20、DMPA含量为2.5-9.0%以及乳化时叶片转速为1500-2000 r/min、加水速度为100-200 ml/min（体系总体积200ml）时,可制得乳液粘度和胶粒粒径适中且固含量可达40%以上稳定的IPDI型聚氨酯乳液。为了提高水性聚氨酯乳胶膜的表面性能,又以二乙醇胺与丙烯酸十二氟庚酯为原料合成出一种新的含氟二元醇3-（N, N-二羟乙基）丙酸十二氟庚酯（DEFA）。以IPDI、PTMG、DMPA以及BDO等为主要原料,并将DEFA作为扩链剂,经自乳化法合成制备出含氟长支链聚氨酯IPDI-DEFA-PU乳液。1H NMR和Fourier变换红外光谱测试分析分别证实了DEFA和IPDI-DEFA-PU的结构。实验发现随着氟含量从0增加到15.1%,IPDI-DEFA-PU乳胶粒子粒径从102 nm增加到260 nm,乳胶膜表面张力由42.9 mN/m下降到16.5 mN/m,与水的接触角由71°上升到104°,在水和环己烷中的溶胀度则分别由15.8 %减小到1.1 %和28.8 %减小到3.4 %,膜的耐水性、耐有机溶剂性以及热稳定性都得到提高;伴随拉伸强度由9 MPa增加到15 MPa,断裂伸长率则从520 %降低到280 %。

论文目录

• 目录
• 摘要
• ABSTRACT
• 第一章 绪论
• 1.1 引言
• 1.2 水性涂料
• 1.3 水性聚氨酯简介
• 1.3.1 水性聚氨酯的现状
• 1.3.2 水性聚氨酯合成工艺
• 1.4 水性聚氨酯乳液
• 1.4.1 水性聚氨酯乳化的相反转过程
• 1.4.2 水性聚氨酯乳液的性能
• 1.4.3 高固含水性聚氨酯乳液
• 1.5 水性聚氨酯改性材料
• 1.5.1 含氟聚氨酯的研究进展
• 1.5.2 含氟中间体
• 1.5.3 含氟聚氨酯的合成
• 1.5.4 含氟聚氨酯的用途
• 1.6 水性聚氨酯的发展趋势
• 1.7 本文研究主要内容及目标
• 1.6.1 研究背景
• 1.6.2 研究内容
• 第二章 高固含水性聚氨酯乳液的合成
• 2.1 背景及方案设计
• 2.2 实验部分
• 2.2.1 主要实验试剂及精制
• 2.2.2 主要官能团分析测试方法
• 2.2.3 水性PU 合成步骤
• 2.2.4 测试仪器及方法
• 2.3 结果与讨论
• 2.3.1 Fourier 变换红外光谱分析
• 2.3.2 固含量对乳液粘度的影响
• 2.3.3 乳化工艺对乳液粘度和粒径的影响
• 2.3.4 中和度对乳液粘度和粒径的影响
• 2.3.5 DMPA 含量对乳液形成的影响
• 2.3.6 低聚物二元醇及分子量对乳液形成的影响
• 2.3.7 [NCO]/[OH]比对乳液形成的影响
• 2.3.8 改变加料顺序对乳液形成的影响
• 2.3.9 固含量的提高对成膜速度的改善
• 2.4 本章小结
• 第三章 含氟长支链聚氨酯乳液的合成与成膜性能
• 3.1 背景及方案设计
• 3.2 实验部分
• 3.2.1 主要实验试剂与精制
• 3.2.2 具体实验操作步骤
• 3.2.3 样品的制备、测试仪器与表征
• 3.3 结果与讨论
• 3.3.1 DEFA 的结构分析
• 3.3.2 含氟聚氨酯IPDI-DEFA-PU 的Fourier 变换红外光谱分析
• 3.3.3 分子链中氟含量对IPDI-DEFA-PU 乳液粒径的影响
• 3.3.4 IPDI-DEFA-PU 乳胶膜的表面张力
• 3.3.5 IPDI-DEFA-PU 乳胶膜的水接触角
• 3.3.6 IPDI-DEFA-PU 乳胶膜的耐水与耐有机溶剂性能
• 3.3.7 IPDI-DEFA-PU 乳胶膜的热稳定性
• 3.3.8 IPDI-DEFA-PU 乳胶膜的抗张强度与断裂伸长率
• 4.4 本章小结
• 结论
• 参考文献
• 致谢