纤维素基天然高分子的水性化及微观结构与自组装行为研究

论文摘要

溶剂型硝化纤维涂料及溶剂型醋酸纤维胶粘剂以其干燥速度快、装饰性能好、施工方便等优点受到了广泛的使用。然而，随着环保要求的日益提高，各国相继出台了相应的法规和标准严格限制涂料及胶粘剂中挥发性有机化合物（VOC）的含量，传统的硝化纤维涂料及醋酸纤维胶粘剂由于含有大量有机溶剂很难达到这个要求，面临着被市场淘汰的危险，如何降低VOC含量也就成为制约硝化纤维涂料及醋酸纤维胶粘剂应用和发展的瓶颈问题。在众多的解决方法中，最有效的方式就是将以有机物为溶剂的传统油溶性涂料及胶粘剂做成水性涂料及胶粘剂，它以水性树脂为基料，以水为分散介质，基本上不含有机挥发物，VOC含量很容易降到零。所以，研究开发出性能良好的水分散型硝化纤维树脂及醋酸纤维树脂具有重要的应用价值和广阔的市场前景。本文提出了一种新颖的自乳化方法，采用正交试验优化了合成配方及工艺条件，制备出了性能优良的水性纤维素酯类衍生物乳液。通过交联改性剂对乳液涂膜进行改性，初步研究了水性纤维素酯类衍生物的微观结构及成膜过程中自组装行为。本文的主要研究内容和研究成果如下：⑴利用纤维素酯类衍生物分子上的羟基反应活性，设计出了以二异氰酸酯、二羟甲基丙酸等为原料的自乳化方法。该方法通过在纤维素酯类衍生物大分子链上引入亲水基团，使之可自行乳化分散在水中形成较小粒径的乳液。⑵通过正交试验探讨了不同工艺参数对合成水性纤维素酯类衍生物乳液的影响，确定了优化的合成工艺。对产物进行了结构表征和性能测试。红外光谱分析表明在没有破坏硝化纤维和醋酸纤维的特征基团的前提下成功引入了氨酯键和亲水基团，产物结构符合分子设计，乳液的各项稳定性均优良，硝化纤维乳液粒子的平均粒径为162nm、Zeta电位为-54.49mV，醋酸纤维乳液粒子的平均粒径为113.5nm、Zeta电位为-49.98mV。⑶通过氮丙啶交联剂（ACL）或硅烷偶联剂（SCL）改性水性硝化纤维乳液涂膜，通过环氧树脂（EP）或环氧氯丙烷（ECH）改性水性醋酸纤维乳液胶膜，研究了不同改性剂含量对乳液的稳定性，对膜耐水性、热稳定性、力学性能等性能的影响，从而得出最佳的改性剂含量百分比。⑷以水性纤维素酯类衍生物的微观结构及成膜过程中的自组装行为为切入点来探讨影响水性纤维素酯类衍生物乳液稳定性及乳液成膜性能的影响因素，提出乳液稳定机理和影响膜性能的主要因素。探讨了乳液的粒径和Zeta电位对乳液稳定性以及乳液粒子的大小及其分布对膜最终性能的影响。

论文目录

• 摘要
• ABSTRACT
• 1 前言
• 1.1 纤维素及其衍生物
• 1.2 纤维素酯类衍生物
• 1.2.1 纤维素硝酸酯
• 1.2.2 纤维素醋酸酯
• 1.3 纤维素酯类衍生物水性化的主要方法
• 1.4 提高水性高分子涂膜性能的常用方法
• 1.4.1 氮丙啶化合物交联
• 1.4.2 环氧基交联
• 1.4.3 硅氧烷交联
• 1.5 水性纤维素酯类衍生物的应用
• 1.6 本课题的研究内容、目的及意义
• 1.6.1 研究的目的和意义
• 1.6.2 研究内容
• 2 自乳化法工艺设计
• 2.1 自乳化法工艺流程设计
• 2.2 合成原料的选择
• 2.3 合成反应原理
• 2.4 小结
• 3 水性硝化纤维乳液的合成及其涂膜的改性研究
• 3.1 引言
• 3.2 水性硝化纤维乳液的合成
• 3.2.1 实验仪器与原料
• 3.2.2 制备方案
• 3.2.3 测试与表征
• 3.2.4 结果与讨论
• 3.3 水性硝化纤维乳液涂膜的改性研究
• 3.3.1 实验制备
• 3.3.2 测试与表征
• 3.3.3 结果与讨论
• 3.4 小结
• 4 水性醋酸纤维乳液的合成及其胶膜的改性研究
• 4.1 引言
• 4.2 水性醋酸纤维乳液的合成
• 4.2.1 实验仪器与原料
• 4.2.2 制备方案
• 4.2.3 测试与表征
• 4.2.4 结果与讨论
• 4.3 水性醋酸纤维乳液胶膜的改性研究
• 4.3.1 实验制备
• 4.3.2 测试与表征
• 4.3.3 结果与讨论
• 4.4 小结
• 5 水性硝化纤维及醋酸纤维微观结构及自组装行为研究
• 5.1 引言
• 5.2 水性纤维素酯类衍生物的微观结构
• 5.2.1 引言
• 5.2.2 实验部分
• 5.2.3 结果与讨论
• 5.3 水性纤维素酯类衍生物成膜过程中自组装行为的初步研究
• 5.3.1 引言
• 5.3.2 水性纤维素酯类衍生物成膜过程中的自组装行为
• 5.3.3 影响水性纤维素酯类衍生物成膜过程的主要因素
• 5.4 小结
• 6 结论与创新点
• 6.1 结论
• 6.2 创新点
• 致谢
• 参考文献
• 攻读学位期间发表的学术论文