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、耐低溫及耐化學介質(zhì)性。本論文針對水性聚氨酯的研究現(xiàn)狀，開展了不飽和有機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與聚氨酯預聚體反應(yīng)，制得了系列不飽和有機硅單體改性的聚氨酯乳液，并外加交聯(lián)劑進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)對產(chǎn)物的結(jié)構(gòu)進行了表征，同時采用動態(tài)激光光散

3、射(DLS)、多功能力學實驗機及熱重分析(TGA)考察了MEMO含量對乳液粒徑、膠膜耐水性、力學性能及熱性能的影響，同時通過X-光電子能譜(XPS)對膠膜表面的元素進行了分析，以及對膠膜的結(jié)晶性及接觸角進行了測試。結(jié)果表明，ATR-FTIR分析證實了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，膠膜的

4、耐水性最低為14.84％，膠膜的最大拉伸強度為17.334MPa，斷裂伸長率為232.56％，且經(jīng)不飽和有機硅單體改性后聚氨酯的熱穩(wěn)定性提高。XPS分析證實有機硅氧烷已經(jīng)成功反應(yīng)到聚氨酯分子鏈上，膠膜表面Si元素的實際含量比理論計算值略高，表明有機硅組分主要聚集于聚合物膜表面。XRD及接觸角測試表明膠膜的結(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)達到90次和滲透時間增加至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)氧基團改性的聚氨酯/丙烯酸酯(EPUA)復合乳液。通過流變，表面張力，動態(tài)光散射(DLS)和透射電鏡(TEM)測試表征了相關(guān)乳液的性能。流變測試表明，EPUA乳液表現(xiàn)出剪切變稀的特性，利于涂裝后涂料的流動和流平。表面張力測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。當聚氨酯乳液濃度為0.3％

6、時，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)均越來越大。TEM測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)對產(chǎn)物的結(jié)構(gòu)及元素進行了表征，同時采用多功能力學實驗機及熱重分析(TGA)考察了GMA含量對膠膜耐水性、力學性能及熱性能的影響。紅外分析證實了丙烯酸酯的存在，XPS測試表明膠膜表面富集有聚氨酯組分，通過對XPS測

7、試結(jié)果進行去卷積擬合處理證實了膠膜中含有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，體系的拉伸強度增加到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)復合乳液。采用表面張力，動態(tài)光散射(DLS)和透射電鏡(TEM)測試表征了相關(guān)乳液的性能。隨著AHPS用量的增加，乳液的穩(wěn)定性越來越好。表面張力測試表明采用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)對產(chǎn)物的結(jié)構(gòu)及元素進行了表征，同時采用拉力試驗及熱重分析(TGA)考察了AHPS含量對膠膜耐水性、力學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膠膜的拉伸強度不斷增加，斷裂伸長率不斷減小。熱重測試結(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)和動態(tài)力學分析(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。漆膜測試性能優(yōu)良，可作為家具用涂料進行應(yīng)用。
　　本論文圍繞水性聚氨酯乳液展開研究，主要針對水性涂料行業(yè)對涂料綜合性能