水性聚氨酯涂层剂的合成及性能研究

论文摘要

水性聚氨酯是一种聚氨酯粒子分散于水中的二元胶体体系,分子链中含有亲水性基团,因此与水具有很强的亲和性。它不仅具有溶剂型聚氨酯耐低温、柔韧性好、粘接强度大的优良性能,还具有无毒、不燃、气味小、不污染环境、安全、加工方便、成膜透气性好等优点。由于近年来有机溶剂价格高涨及环保部门对有机溶剂的使用和废物排放的严格限制,使水性聚氨酯取代溶剂型聚氨酯成为一个重要的发展方向。近十年来,国内水性聚氨酯研究多采用芳香族异氰酸酯为原料,其耐候性差,容易黄变,不能满足市场的特殊要求。随着人们生活水平的提高,对环保、健康及高性能产品的需求日益迫切,绿色化学品逐渐成为未来发展的主流,因而由更加环保的脂肪族异氰酸酯生产的水性聚氨酯产品,将成为顺应这一潮流的主要发展方向之一。本课题选用脂肪族六亚甲基二异氰酸酯(hexamethylenediisocyanate,简称HDI)、聚己二酸丁二醇酯二元醇(poly butyleneglycol adipate,简称PBA)、二羟甲基丙酸(dimethylolpropionic acid,简称DMPA)和小分子二元醇等为主要原料,采用阴离子自乳化法,合成了一系列稳定的聚酯型水性聚氨酯乳液,然后与市售交联剂交联成膜,并在纯棉织物上进行涂层。通过研究亲水基团的含量、NCO/OH摩尔比值、软段分子量以及扩链剂种类等对水性聚氨酯乳液性能、膜的力学性能、膜的热力学性能以及涂层织物白度、防水透湿性能的影响,结果发现:随着DMPA用量的增加,乳液粒子尺寸减小,乳液的粘度上升,乳液的机械稳定性提高;涂膜的吸水率增大,耐水性下降,胶膜的拉伸强度变化有增大趋势,但不明显;玻璃化温度降低、熔点升高,微相分离程度加大;耐热稳定变化不显著。随着初始NCO/OH摩尔比值的增大,乳液粒子尺寸增大,乳液粘度下降,乳液稳定性降低;涂膜吸水率降低,但降低效果不显著;胶膜的拉升强度先增加后降低;玻璃化温度增加,微相分离程度降低;耐热稳定性明显降低。随着多元醇PBA分子量的增大,乳液外观由半透明到乳白色,粘度逐渐减小,稳定性下降;胶膜的拉伸强度、断裂伸长率都增加;玻璃化温度降低、熔点升高,微相分离程度加大;耐热稳定性提高。不同扩链剂对水性聚氨酯乳液的性能有所影响,比较显著表现在胶膜的力学性能上,EDA扩链后的聚氨酯回弹性较好、BPA扩链后的聚氨酯强度高,BDO的介于二者之间。在棉织物涂层整理中,焙烘温度和时间工艺因素对PU高聚物与棉纤维交联度及膜在表面形成有着重要影响。温度低、时间短,耐水压值低;温度高、时间长,白度下降明显,在140℃下交联1～2min有较好的综合性能。涂层量增加,涂层织物的白度略有降低;透湿性降低幅度较大;耐水压升高;聚氨酯软段分子质量增加有利于耐静水压的提高,但会导致透湿性下降。

论文目录

• 摘要
• ABSTRACT
• 1 综述
• 1.1 概述
• 1.2 水性聚氨酯的研究历程
• 1.2.1 国外水性聚氨酯的研究历程
• 1.2.2 国内水性聚氨酯的研究历程
• 1.3 水性聚氨酯分类和制备方法
• 1.3.1 水性聚氨酯的分类
• 1.3.2 水性聚氨酯的制备方法
• 1.3.2.1 外乳化法
• 1.3.2.2 自乳化法
• 1.4 水性聚氨酯的原料
• 1.4.1 聚合物多元醇的种类及选择
• 1.4.2 二异氰酸酯的种类及选择
• 1.4.3 扩链剂的种类及选择
• 1.4.4 封端剂的种类及选择
• 1.4.5 中和剂的种类及选择
• 1.4.6 水的影响
• 1.4.7 溶剂
• 1.4.8 乳化剂
• 1.5 水性聚氨酯的应用
• 1.5.1 染色和印花助剂
• 1.5.2 后整理剂
• 1.5.2.1 柔软与防皱整理剂
• 1.5.2.2 抗静电和亲水整理剂
• 1.5.2.3 羊毛防缩整理剂
• 1.6 涂层整理
• 1.6.1 涂层整理的特点
• 1.6.2 涂层整理的方法
• 1.7 本论文研究的目的及意义
• 2 实验内容
• 2.1 实验材料与仪器
• 2.2 原料预处理
• 2.3 水性聚氨酯合成工艺的确定
• 2.3.1 水性聚氨酯乳液的合成流程
• 2.3.2 温度对预聚反应的影响
• 2.3.3 温度对扩链及封端反应的影响
• 2.3.4 催化剂对水性聚氨酯合成的影响
• 2.4 水性聚氨酯乳液的制备
• 2.5 织物上的涂层
• 2.6 测试方法
• 2.6.1 PBA羟值及分子量的测定
• 2.6.2 多异氰酸酯及预聚物中NCO含量的测定
• 2.6.3 WPU理化性质测试
• 2.6.3.1 粘度测定
• 2.6.3.2 粒径测定
• 2.6.3.3 机械稳定性测试
• 2.6.4 WPU涂膜性能测试
• 2.6.4.1 涂膜的制备
• 2.6.4.2 吸水性测试
• 2.6.4.3 力学性能的测试
• 2.6.5 织物的整理效果测试
• 2.6.5.1 涂层量的测试
• 2.6.5.2 涂层织物白度测试
• 2.6.5.4 涂层织物耐水压测试
• 2.6.5.5 涂层织物透湿性测试
• 2.6.6 表征方法
• 2.6.6.1 傅立叶红外光谱分析（FTIR）
• 2.6.6.2 膜的热分析
• 2.7 样品配方
• 3 结果与讨论
• 3.1 水性聚氨酯合成工艺条件的研究
• 3.1.1 温度对预聚反应的影响
• 3.1.2 温度对扩链及封端反应的影响
• 3.1.3 催化剂对水性聚氨酯乳液性能的影响
• 3.2 DMPA对水性聚氨酯涂层剂性能的影响
• 3.2.1 DMPA含量对水性聚氨酯外观、稳定性的影响
• 3.2.2 DMRA含量对水性聚氨酯粘度的影响
• 3.2.3 DMPA含量对WPU胶膜吸水率的影响
• 3.2.4 DMPA含量对WPU胶膜力学性能的影响
• 3.2.5 DMPA含量对WPU胶膜微相分离的影响
• 3.2.6 DMPA含量对WPU胶膜热稳定性的影响
• 3.3 R值对水性聚氨酯涂层剂性能的影响
• 3.3.1 R值对水性聚氨酯外观、稳定性的影响
• 3.3.2 R值对水性聚氨酯粘度的影响
• 3.3.3 R值对WPU胶膜吸水率的影响
• 3.3.4 R值对WPU胶膜力学性能的影响
• 3.3.5 R值对WPU胶膜微相分离的影响
• 3.3.6 R值对WPU胶膜热稳定的影响
• 3.4 软段分子量对水性聚氨酯涂层剂性能的影响
• 3.4.1 软段分子量对水性聚氨酯乳液性能的影响
• 3.4.2 软段分子量对WPU胶膜吸水率的影响
• 3.4.3 软段分子量对WPU胶膜力学性能的影响
• 3.4.4 软段分子量对WPU胶膜微相分离的影响
• 3.4.5 软段分子量对WPU胶膜热稳定性的影响
• 3.5 扩链剂对聚氨酯涂层剂性能的影响
• 3.5.1 扩链剂种类对水性聚氨酯乳液性能的影响
• 3.5.2 扩链剂种类对WPU胶膜吸水率的影响
• 3.5.3 扩链剂种类对WPU胶膜力学性能的影响
• 3.5.4 扩链剂种类对WPU胶膜微相分离的影响
• 3.5.5 扩链剂种类对WPU胶膜热稳定性的影响
• 3.6 红外表征
• 3.7 水性聚氨酯在棉织物上的涂层应用
• 3.7.1 焙烘温度与时间对涂层棉织物白度的影响
• 3.7.2 涂层量对棉织物白度的影响
• 3.7.3 焙烘温度与时间对涂层棉织物透湿量的影响
• 3.7.4 涂层量对棉织物透湿量的影响
• 3.7.5 焙烘温度与时间对涂层棉织物耐水压的影响
• 3.7.6 涂层量对棉织物耐静水压的影响
• 4 结论
• 参考文献
• 在读期间发表论文
• 致谢