聚碳酸酯亲水型阻燃涂料的开发与应用研究

论文摘要

近年来，随着生产力的发展和人们生活质量的不断提升，水性聚氨酯以水为主要溶剂，具有无污染、无毒、成膜性好、涂膜柔韧性好、附着力强等优点，正好与人们对涂料中VOC低排放量的要求相迎合，从而水性聚氨酯类涂料在近几十年得到迅速发展。但是水性聚氨酯涂料本身易燃，且耐水性较差使其应用与发展受到限制。因此研发具有良好阻燃性和耐水性的新型水性聚氨酯涂料具有重要意义及巨大的市场前景。本课题合成水性聚氨酯涂料所用原料为聚碳酸亚丙酯二元醇，属于脂肪类聚碳酸酯系列聚酯，具有水性聚氨酯的共性，且因其自身的高成碳性，PC自身氧指数LOI在24-26％之间，有利于降低水性聚氨酯自身的可燃性。实验中以聚碳酸亚丙酯二醇（PPC）、2,4-二异氰酸酯（TDI）、二羟甲基丙酸（DMPA）、1,4-丁二醇（BDO）、三乙胺为主要原料合成水性聚氨酯，分别采用KH-550和环氧树脂对水性聚氨酯进行改性处理，得到经KH-550和环氧树脂改性的水性聚氨酯涂料，并向其中添加由聚磷酸铵、三聚氰胺、季戊四醇三者组成的膨胀型阻燃体系，制得水性聚氨酯阻燃涂料，其涂膜耐水性等理化性质及阻燃效果优异。通过研究水性聚氨酯合成过程中各参数对乳液性能及阻燃性能的影响，得到的水性聚氨酯阻燃涂料最佳合成工艺如下：R值为1.2，DMPA和改性环氧树脂用量均为3%，预聚时间和温度分别为180min、70℃，扩链时间和温度分别为120min、80℃，合成水性聚氨酯阻燃涂料的阻燃剂用量为80%，阻燃体系中（聚磷酸铵、三聚氰胺、季戊四醇）三者配比为30:25:15。采用傅里叶红外光谱和热重分析对改性水性聚氨酯的耐水性和阻燃体系炭化质量损失进行研究，发现环氧树脂与水性聚氨酯之间存在化学键交联，制得的水性聚氨酯阻燃涂料其涂膜耐水性有明显提高；与未添加膨胀型阻燃剂的水性聚氨酯涂料相比，水性聚氨酯阻燃涂料炭化质量损失由91%降为75%，耐火时间由125s提高到578s，说明所得水性聚氨酯阻燃涂料的阻燃性得到明显提高。实验中模拟大板燃烧法，自行设计阻燃测试装置测定阻燃效果，由测定结果可得，与未添加膨胀型阻燃体系的水性聚氨酯涂料相比，水性聚氨酯阻燃涂料能大幅度提升阻燃效果。

论文目录

• 摘要
• ABSTRACT
• 1 绪论
• 1.1 水性聚氨酯概述
• 1.2 水性聚氨酯的分类及特点
• 1.2.1 水性聚氨酯的分类
• 1.2.2 水性聚氨酯的特点
• 1.3 水性聚氨酯涂料存在问题及发展趋势
• 1.3.1 水性涂料现实存在的问题
• 1.3.2 水性聚氨酯的发展趋势
• 1.4 水性聚氨酯的改性
• 1.5 水性聚氨酯阻燃涂料
• 1.5.1 阻燃涂料基料的选择
• 1.5.2 阻燃剂的分类
• 1.5.3 水性聚氨酯阻燃涂料的发展趋势
• 1.6 本课题的研究目的、意义及主要研究内容
• 1.6.1 研究目的及意义
• 1.6.2 主要研究内容
• 2 理论部分
• 2.1 合成水性聚氨酯的原料
• 2.1.1 多异氰酸酯
• 2.1.2 聚合物多元醇
• 2.1.3 亲水扩链剂
• 2.1.4 小分子扩链剂
• 2.1.5 成盐剂
• 2.1.6 催化剂
• 2.1.7 硅烷偶联剂
• 2.1.8 环氧树脂
• 2.1.9 阻燃剂
• 2.2 水性聚氨酯的制备方法
• 2.2.1 预聚体混合法
• 2.2.2 丙酮法
• 2.2.3 熔融分散法
• 2.2.4 酮亚胺/酮连氮法
• 2.2.5 保护端基乳化法
• 2.3 合成水性聚氨酯的基本化学反应
• 2.3.1 异氰酸酯与活泼氢化合物的反应机理
• 2.3.2 异氰酸酯与水的反应
• 2.3.3 异氰酸酯与氨酯基及脲基的反应
• 2.4 膨胀型阻燃涂料作用机理
• 3 实验部分
• 3.1 实验药品及仪器
• 3.1.1 实验药品
• 3.1.2 实验材料
• 3.1.3 实验仪器
• 3.2 水性聚氨酯的制备
• 3.2.1 原料的准备
• 3.2.2 合成方法及步骤
• 3.2.3 水性聚氨酯涂膜的制备
• 3.3 改性水性聚氨酯涂料的制备
• 3.3.1 KH-550 改性水性聚氨酯涂料
• 3.3.2 环氧树脂改性水性聚氨酯涂料
• 3.4 水性聚氨酯阻燃涂料的制备方法
• 3.4.1 制备配方及工艺
• 3.4.2 涂膜制备方法
• 3.5 测试方法
• 3.5.1 耐水性测试
• 3.5.2 吸水率测试
• 3.5.3 乳液粘度测定
• 3.5.4 阻燃性测试
• 3.5.5 异氰酸酯含量的测定
• 3.5.6 盐酸标定
• 3.5.7 铅笔硬度的测定
• 3.5.8 固含量的测定
• 3.5.9 离心稳定性的测定
• 3.5.10 红外光谱测试
• 3.5.11 热重分析（Tg）
• 4 结果与讨论
• 4.1 水性聚氨酯的制备
• 4.1.1 制备方法对水性聚氨酯乳液性能的影响
• 4.1.2 R 值对水性聚氨酯乳液性能的影响
• 4.1.3 DMPA 用量对水性聚氨酯的影响
• 4.1.4 预聚温度对预聚反应的影响
• 4.1.5 预聚时间对预聚反应的影响
• 4.1.6 扩链温度对扩链反应的影响
• 4.1.7 扩链时间对扩链反应的影响
• 4.1.8 三乙胺加入方式对水性聚氨酯乳液性能的影响
• 4.2 硅烷偶联剂 KH-550 改性水性聚氨酯
• 4.2.1 KH-550 对水性聚氨酯涂膜的耐水性和耐溶性的影响
• 4.3 环氧树脂改性水性聚氨酯
• 4.3.1 环氧树脂用量对涂膜吸水率的影响
• 4.4 阻燃剂用量及体系比例对涂料阻燃性能的影响
• 4.4.1 阻燃剂用量对涂料阻燃性能的影响
• 4.4.2 阻燃原料配比对涂料阻燃性能的影响
• 4.5 环氧树脂用量对水性聚氨酯阻燃涂料性能的影响
• 4.6 阻燃剂种类对水性聚氨酯阻燃涂料性能的影响
• 4.7 不同多元醇对阻燃涂料的阻燃性能影响
• 4.8 红外光谱图分析
• 4.9 热重分析（Tg）
• 5 结论
• 参考文献
• 攻读学位期间发表文章
• 致谢