水性聚氨酯丙烯酸酯水性漆制備及性能研究.pdf

1、聚氨酯(PU)材料是一類(lèi)含有氨基甲酸酯鍵，脲鍵等的產(chǎn)品形態(tài)多樣的多功能合成樹(shù)脂，氨基甲酸酯鍵間易形成氫鍵，氫鍵作用使PU分子鏈形成致密聚合物網(wǎng)絡(luò)，使聚氨酯涂膜具有優(yōu)異的耐磨性、柔韌性、耐低溫及耐化學(xué)介質(zhì)性。本論文針對(duì)水性聚氨酯的研究現(xiàn)狀，開(kāi)展了不飽和有機(jī)硅單體和丙烯酸酯單體改性聚氨酯乳液的合成工作，系統(tǒng)的研究了制得的硅烷偶聯(lián)劑和丙烯酸酯單體改性聚氨酯乳液的乳液性能和膠膜性能，且合成的改性聚氨酯乳液可以作為水性漆樹(shù)脂乳液，制備性能優(yōu)良的水

2、性清漆，并分別應(yīng)用于紙張，墻面和木材表面。本論文主要包括以下三個(gè)方面的工作:
　　(1)以異佛爾酮二異氰酸酯(IPDI)、聚四氫呋喃二醇(PTMG)、γ-（甲基丙烯酰氧基）丙基三甲氧基硅烷(MEMO)為基本原料，采用偶氮引發(fā)劑引發(fā)MEMO與聚氨酯預(yù)聚體反應(yīng)，制得了系列不飽和有機(jī)硅單體改性的聚氨酯乳液，并外加交聯(lián)劑進(jìn)一步提高了膠膜的性能。采用衰減全反射傅里葉變換紅外光譜(ATR-FTIR)對(duì)產(chǎn)物的結(jié)構(gòu)進(jìn)行了表征，同時(shí)采用動(dòng)態(tài)激光光散

3、射(DLS)、多功能力學(xué)實(shí)驗(yàn)機(jī)及熱重分析(TGA)考察了MEMO含量對(duì)乳液粒徑、膠膜耐水性、力學(xué)性能及熱性能的影響，同時(shí)通過(guò)X-光電子能譜(XPS)對(duì)膠膜表面的元素進(jìn)行了分析，以及對(duì)膠膜的結(jié)晶性及接觸角進(jìn)行了測(cè)試。結(jié)果表明，ATR-FTIR分析證實(shí)了MEMO成功的反應(yīng)到了聚氨酯分子鏈上;隨著MEMO含量的增加，乳膠粒的粒徑從121.4nm降至91.4nm。在w(MEMO)=5.67％,w(COOH)=1.5％,w(AZ)=2％時(shí)，膠膜的

4、耐水性最低為14.84％，膠膜的最大拉伸強(qiáng)度為17.334MPa，斷裂伸長(zhǎng)率為232.56％，且經(jīng)不飽和有機(jī)硅單體改性后聚氨酯的熱穩(wěn)定性提高。XPS分析證實(shí)有機(jī)硅氧烷已經(jīng)成功反應(yīng)到聚氨酯分子鏈上，膠膜表面Si元素的實(shí)際含量比理論計(jì)算值略高，表明有機(jī)硅組分主要聚集于聚合物膜表面。XRD及接觸角測(cè)試表明膠膜的結(jié)晶性及表面能均降低。將合成的MPU乳液應(yīng)用于紙張表面，紙張耐折次數(shù)達(dá)到90次和滲透時(shí)間增加至65s，掃描電鏡顯示乳液成膜性能優(yōu)良。<

5、br>　　(2)以聚氨酯乳液作為種子乳液，在丙烯酸酯聚合體系中引入甲基丙烯酸縮水甘油酯(GMA)合成了環(huán)氧基團(tuán)改性的聚氨酯/丙烯酸酯(EPUA)復(fù)合乳液。通過(guò)流變，表面張力，動(dòng)態(tài)光散射(DLS)和透射電鏡(TEM)測(cè)試表征了相關(guān)乳液的性能。流變測(cè)試表明，EPUA乳液表現(xiàn)出剪切變稀的特性，利于涂裝后涂料的流動(dòng)和流平。表面張力測(cè)試表明聚氨酯乳液具有相關(guān)表面活性劑的性能，隨著聚氨酯濃度的增加，乳液的表面張力迅速下降。當(dāng)聚氨酯乳液濃度為0.3％

6、時(shí)，體系表面張力最低為47.98mN/m。DLS結(jié)果表明隨著GMA含量的增加，乳液的粒徑及粒度分散系數(shù)均越來(lái)越大。TEM測(cè)試表明乳液有明顯的核殼結(jié)構(gòu)。采用衰減全反射傅里葉變換紅外光譜(ATR-FTIR)及X-光電子能譜(XPS)對(duì)產(chǎn)物的結(jié)構(gòu)及元素進(jìn)行了表征，同時(shí)采用多功能力學(xué)實(shí)驗(yàn)機(jī)及熱重分析(TGA)考察了GMA含量對(duì)膠膜耐水性、力學(xué)性能及熱性能的影響。紅外分析證實(shí)了丙烯酸酯的存在，XPS測(cè)試表明膠膜表面富集有聚氨酯組分，通過(guò)對(duì)XPS測(cè)

7、試結(jié)果進(jìn)行去卷積擬合處理證實(shí)了膠膜中含有EPUA組分。隨著GMA含量從0％增加到3％，吸水率從18％下降到7.8％，吸THF率從30.1％下降到15.3％。在w(GMA)=3％，w(PA)=20％時(shí)，體系的拉伸強(qiáng)度增加到5.825MPa，交聯(lián)度較高。TGA分析表明隨著體系中環(huán)氧基團(tuán)與羧基的反應(yīng)，交聯(lián)網(wǎng)絡(luò)結(jié)構(gòu)形成，膠膜的熱穩(wěn)定性提高。原子力顯微鏡(AFM)分析表明隨著GMA含量的增加，膠膜表面結(jié)構(gòu)中的“溝壑”數(shù)量明顯減少，膠膜表面平整光滑

8、。將此乳液配制成水性清漆，并采用水性漆性能測(cè)試表征了此清漆的性能。結(jié)果表明，隨著GMA含量的提高，所制得水性清漆的鉛筆硬度增加，耐沖擊性能變小，柔韌性能好，附著力優(yōu)良，光澤度逐漸增加，耐磨耗性不斷變好，耐失光性好，可作為外墻涂料進(jìn)行應(yīng)用。
　　(3)以聚氨酯乳液為種子乳液，烯丙氧基羥丙基磺酸鈉(AHPS)為功能性單體，甲基丙烯酸甲酯(MMA)，丙烯酸丁酯(BA)，甲基丙烯酸羥乙酯(HEA)為聚合單體，采用原位乳液聚合法，合成了新型

9、聚氨酯丙烯酸酯(PUAS)復(fù)合乳液。采用表面張力，動(dòng)態(tài)光散射(DLS)和透射電鏡(TEM)測(cè)試表征了相關(guān)乳液的性能。隨著AHPS用量的增加，乳液的穩(wěn)定性越來(lái)越好。表面張力測(cè)試表明采用AHPS合成的乳液表面張力(62.5-65.6mN·m-1)比AHPS單體的表面張力大，且更加接近于水的表面張力，說(shuō)明絕大部分AHPS單體與丙烯酸酯單體參與了聚合反應(yīng)，只有很小一部分通過(guò)物理作用吸附在粒子表面。隨著AHPS含量的從1％增加到4％，乳液的轉(zhuǎn)化率

10、從89.70％上升至95.78％，乳液的粒徑則從102nm降至83nm。TEM測(cè)試結(jié)果表明核殼結(jié)構(gòu)緊密的結(jié)合在了一起。采用衰減全反射傅里葉變換紅外光譜(ATR-FTIR)及X-光電子能譜(XPS)對(duì)產(chǎn)物的結(jié)構(gòu)及元素進(jìn)行了表征，同時(shí)采用拉力試驗(yàn)及熱重分析(TGA)考察了AHPS含量對(duì)膠膜耐水性、力學(xué)性能及熱性能的影響。紅外分析表明AHPS成功聚合到PUAS分子鏈上。X-光電子能譜分析表明鈉元素主要在膠膜表面富集。隨著AHPS用量的增加，P

11、UAS膠膜的拉伸強(qiáng)度不斷增加，斷裂伸長(zhǎng)率不斷減小。熱重測(cè)試結(jié)果表明PUAS膠膜中可聚合乳化劑AHPS的加入提高了體系的熱穩(wěn)定性。差示掃描量熱分析(DSC)和動(dòng)態(tài)力學(xué)分析(DMA)表明隨著AHPS含量的增加，膠膜的玻璃化轉(zhuǎn)變溫度(Tg)逐漸升高，體系的相容性不斷變好。原子力顯微鏡微觀形貌分析表明所制得的膠膜表面平整。漆膜測(cè)試性能優(yōu)良，可作為家具用涂料進(jìn)行應(yīng)用。
　　本論文圍繞水性聚氨酯乳液展開(kāi)研究，主要針對(duì)水性涂料行業(yè)對(duì)涂料綜合性能