水性聚氨酯特种纸张表面增强剂的制备及应用性能研究

论文摘要

随着社会经济的发展和国民生活水平的提高，对特种纸提出了更大的需求，特别是针对不同的应用条件，对一些特种纸提出了新的要求，如要求有很高的表面性能、干湿强度、施胶度、耐折度和印刷适性等。此时表面施胶剂的作用不言而喻，所以开发新型表面施胶剂显得越来越重要。水性聚氨酯表面施胶剂，是一种近年来出现的新型表面施胶产品。单一的水性聚氨酯（PU）涂膜具有优异的力学性能、耐磨性、柔韧性和耐化学品性等优点，但是其涂层的耐水性较差、强度较低，且价格较昂贵。而经过扩链剂对水性聚氨酯进行改性可明显改善聚氨酯乳液及涂膜的性能。这一方法已成为研制新型水性聚氨酯的重要途径。本研究以异佛尔酮二异氰酸酯（IPDI）、聚己内酯二元醇（PCL）、N-甲基吡咯烷酮（NMP）、二羟甲基丙酸（DMPA）异佛尔酮二胺（IPDA）等为主要原料制备了阴离子型聚氨酯/聚脲乳液（PU/PUU），系统研究了IPDA、二乙烯三胺（DETA），乙二胺（EDA）三种扩链剂，及n（-NCO）/n（-OH），扩链剂用量，中和度等对乳液和涂膜性能的影响，并采用多种现代分析手段对其结构、形态和热性能进行了表征。本研究还对阴离子型聚氨酯/聚脲乳液应用于造纸表面施胶的实际应用效果进行了探讨。系统研究了n（-NCO）/n（-OH）,IPDA，DMPA，氮丙啶以及乳液用量对纸张施胶度、耐折度和抗张强度的影响。采用扫描电镜（SEM）对表面施胶前后的纸张进行了表征。并对施胶后的纸张表面进行了接触角的测量。研究结果表明：（1）通过对阴离子型水性聚氨酯/聚脲乳液合成条件的研究，确定出较佳的聚合工艺为：当n（-NCO）：n（-OH）为1.6，DMPA用量为3.4%， IPDA用量为0.5%时，聚合温度为60℃。此水性聚氨酯/聚脲乳液具有优异的表面施胶性能。（2）通过对涂膜的性能测试表明，在较佳聚合工艺条件下，涂膜具有较好的力学性能和较低的吸水率，铅笔硬度为HB，涂膜吸水率为2.96%。（3）红外光谱（FI-IR）分析证明了制备阴离子型水性聚氨酯/聚脲乳液符合预期的化学结构。热重（TG）分析表明，聚合物的热稳定性良好，起始分解温度在150℃以上，满足了造纸工艺对温度的要求。X射线衍射（XRD）分析表明，阴离子型水性聚氨酯涂膜属于非晶态聚合物，呈无定型状态，能够满足正常的使用。粒径分布显示了乳胶粒的粒径大多数分布在一个狭小的区域内，粒径均一。乳液的zeta电位分析说明乳液粒子均一，体系稳定。（4）将合成的阴离子型聚氨酯/聚脲乳液应用于造纸工业的表面施胶。通过表面施胶，耐折度能达到125次，纸张的施胶度及抗张强度均有所提高。通过SEM可观测到经乳液处理后的纸业，纸张纤维因聚合物在其表面成膜，使纸张表面的空隙减少。水与纸张的静态接触角可达113°。

论文目录

• 摘要
• ABSTRACT
• 符号说明
• 1 绪论
• 1.1 特种纸张的发展应用及造纸助剂的分类
• 1.1.1 纸张干强剂
• 1.1.2 纸张湿强剂
• 1.2 表面施胶的研究进展
• 1.2.1 表面施胶剂的作用机理
• 1.2.2 表面施胶剂的国内外发展状况
• 1.2.3 表面施胶剂的基本类别
• 1.3 水性聚氨酯的研究现状
• 1.4 水性聚氨酯的研究方法
• 1.4.1 软硬段单体的筛选和控制
• 1.4.2 扩链剂的选择和控制
• 1.5 水性聚氨酯的改性方法
• 1.5.1 物理共混
• 1.5.2 化学改性
• 1.5.3 水性聚氨酯—环氧树脂
• 1.5.4 其他改性方法
• 1.6 水性聚氨酯的国内外发展状况
• 1.7 纸张的聚氨酯处理
• 1.7.1 异氰酸酯直接与纸张的聚氨酯处理
• 1.7.2 封闭异氰酸酯及纸张的聚氨酯处理
• 1.8 本课题的意义及任务
• 2 扩链剂对聚氨酯 /聚脲乳液的结构与性能的影响
• 2.1 引言
• 2.2 实验部分
• 2.2.1 实验原料及试剂
• 2.2.2 聚氨酯 /聚脲乳液的合成
• 2.2.3 样品的简单处理
• 2.2.4 聚合物纸张耐折性能方面的测试
• 2.2.5 聚合物热失重方面的分析
• 2.2.6 聚氨酯乳液膜的 X-射线衍射方面的分析
• 2.2.7 聚合物膜吸水性分析
• 2.2.8 聚合物膜力学性能分析
• 2.3 结果与讨论
• 2.3.1 不同扩链剂对纸张耐折性的影响
• 2.3.2 聚合物热失重分析
• 2.3.3 不同扩链剂的 X-射线衍射分析
• 2.3.4 不同扩链剂的吸水率分析
• 2.4 本章小结
• 3 聚氨酯 /聚脲乳液的制备及纸张表面处理研究
• 3.1 引言
• 3.2 实验部分
• 3.2.1 实验原料及试剂
• 3.2.2 实验仪器
• 3.2.3 聚氨酯 /聚脲乳液（ PUU）的制备工艺
• 3.2.4 乳液外观的测定
• 3.2.5 纸张强度的测定
• 3.2.6 固含量
• 3.2.7 涂膜的硬度测定
• 3.2.8 乳液稳定性的测定
• 3.2.9 红外测试
• 3.2.10 胶束形貌及粒径的测定
• 3.2.11 乳胶膜热稳定性性能的测定
• 3.2.12 涂膜表面性能的测定
• 3.3 结果与讨论
• 3.3.1 n（ NCO） /n（ OH）值的影响
• 3.3.2 IPDA 含量的影响
• 3.3.3 DMPA 用量对纸张性能的影响
• 3.3.4 中和度对纸张性能的影响
• 3.3.5 结构分析
• 3.3.6 乳液形貌分析
• 3.3.7 乳液粒径分析
• 3.3.8 乳胶膜热稳定性研究
• 3.3.9 聚氨酯 /聚脲乳胶膜膜形貌研究
• 3.4 本章小结
• 4 氮丙啶交联剂 /聚氨酯复配乳液膜的性能表征及表面施胶性能
• 4.1 引言
• 4.2 实验部分
• 4.2.1 实验原料及试剂
• 4.2.2 氮丙啶交联剂 /聚氨酯复合乳液的制备工艺
• 4.2.3 纸张施胶性能的测定
• 4.2.4 红外测试
• 4.2.5 热失重分析
• 4.2.6 力学性能分析
• 4.2.7 接触角的测定
• 4.2.8 涂膜表面性能的测定
• 4.2.9 纸张扫描电镜的测定
• 4.3 结果与讨论
• 4.3.1 氮丙啶 /聚氨酯复配的乳液对纸张各种性能的研究
• 4.3.2 氮丙啶 /聚氨酯乳液红外分析研究
• 4.3.3 氮丙啶 /聚氨酯膜的热失重分析
• 4.3.4 力学性能分析
• 4.3.5 表面接触角的测定
• 4.3.6 涂膜表面性能的测定
• 4.4 本章小结
• 5 总结
• 5.1 主要工作
• 5.1.1 扩链剂对聚氨酯 /聚脲乳液的结构与性能的影响
• 5.1.2 聚氨酯 /聚脲乳液的制备及纸张表面处理研究
• 5.1.3 氮丙啶交联剂 /聚氨酯复配乳液膜的性能表征及表面施胶性能
• 5.2 主要创新点
• 5.3 进一步的工作
• 致谢
• 参考文献
• 攻读学位期间发表的学术论文目录