丙烯酸-聚氨酯多元醇水分散体的合成及应用研究

摘要

双组分水性聚氨酯具有溶剂型双组分聚氨酯的高性能和水性体系低VOC值的双重特点，是近十年来的研究热点。本文目的在于制备理想的羟基组分一丙烯酸.聚氨酯(PUA)多元醇水分散体，并探讨工艺参数对其性能的影响，在此基础上将其与多异氰酸酯固化剂复配，得到性能优异的可室温固化的双组分水性聚氨酯体系(2K-PU)，并寻找适宜的固化条件。
　　 采用了预聚体法和原位乳液聚合法相结合的工艺合成了PUA多元醇分散体，通过研究各因素对PUA多元醇水分散体性能的影响，最优合成工艺参数为：聚醚二元醇采用分子量适中的MW-403； NCO/OH初摩尔比为2.2～2.3； NCO/OH总摩尔比为0.70～0.75；二羟甲基丙酸(DMPA)用量在6.5～7.0％左右；中和度为90～100％；甲基丙烯酸甲酯(MMA)，用量为20％左右；引发剂选用油溶性偶氮二异丁腈(AIBN)；聚氨酯与共聚丙烯酸单体质量比为(2～3)：1；链制止剂二乙醇胺(DEOA)为3.0～4.0％、复合链转移剂的用量为单体质量的4％。用正交实验优化了合成PUA多元醇的配方，得到较好的配方设计如下：NCO/OH(初)取2.2，DEOA含量取3.0％，DMPA含量取6.5％，丙烯酸单体含量为30％。最终获得优化的PUA多元醇分散体性能为：外观泛蓝半透明、粒径76nm、单摆硬度达到0.84、吸水率低至27.6％，有良好的机械性能和稳定性。
　　 采用水分散性多异氰酸酯305与PUA多元醇分散体组成了可以室温固化的双组份水性聚氨酯(2K-PU)，研究了在不同的配方组成及配比清况下漆膜的性能，得到如下结论：混合分散合适的搅拌速率应为800r/min；305的粘度用丙二醇甲醚酯酸酯(PMA)调至1500cp为最佳状态；催化剂用量二丁基二月桂酸锡(DBTDL)为PUA质量的0.05～1.00％；在任何条件下，涂膜均具有良好的附着力、柔韧性和冲击强度：涂膜的耐水性和耐化学品性随着NCO/OH比例的增加而变好，在羟值为100 mgKOH/g，酸值为15mgKOH/g，NCO/OH比例是1.5:1时2K-PU的综合性能最好。经试验对比，结果表明本文制备的双组分水性聚氨酯产品与国外同类水性产品以及相应的溶剂型产品在性能上相当。
　　 通过傅立叶红外光谱跟踪分析PUA多元醇水分散体的合成和2K-PU固化过程的化学结构，证实了室温下双组分水性聚氨酯的固化反应。

目录

文摘

英文文摘

声明

第一章 绪论

1.1 前言

1.2 双组分水性聚氨酯的组成

1.2.1 水性多元醇组分

1.2.2 多异氰酸酯组分

1.3 双组分水性聚氨酯的成膜

1.4 用于水性双组分聚氨酯的水性高分子多元醇组分的发展

1.4.1 用于水性双组分聚氨酯的水性高分子多元醇概论

1.4.2 水性聚酯多元醇分散体

1.4.3 环氧多元醇分散体

1.4.4 水性丙烯酸酯多元醇分散体

1.4.5 水性聚氨酯多元醇分散体

1.4.6 丙烯酸-聚氨酯多元醇水分散体系

1.5 用于水性双组分聚氨酯的水可分散多异氰酸酯组分

1.6 水性双组分聚氨酯的应用

1.6.1 汽车涂料

1.6.2 木器涂料

1.6.3 工业维护涂料

1.6.4 塑料涂料

1.6.5 其它涂料

1.7 双组分水性聚氨酯的制备

1.7.1 水性聚氨酯的制造原理

1.7.2 水性聚氨酯的合成工艺

1.7.3 丙稀酸改性的聚氨酯多元醇水分散体(PUA)的制备原理

1.7.4 水性PUA分散体的制备工艺

1.7.5 乳化机理-相反转过程以及理论描述

1.8 本课题的研究目标和研究内容

1.8.1 本论文的研究意义

1.8.2 技术路线以及研究内容：

1.8.3 本课题的创新之处

第二章 实验部分

2.1 原料的选择

2.1.1 聚多元醇

2.1.2 二异氰酸酯

2.1.3 催化剂

2.1.4 链制止剂

2.1.5 亲水性扩链剂

2.1.6 中和剂

2.1.7 溶剂

2.1.8 乙烯基单体

2.1.9 水

2.1.10 链转移剂

2.1.11 引发剂

2.2 原料

2.3 实验仪器设备

2.3.1 逐步聚合实验装置

2.3.2 乳化装置

2.3.3 聚合装置

2.4 实验步骤

2.4.1 丙烯酸改性的聚氨酯多元醇分散体(PUA)的合成

2.4.2 水性双组分丙烯酸改性聚氨酯的制备

2.5 PUA多元醇的分散体分析与测试

2.5.1 NCO含量的测定

2.5.2 外观

2.5.3 稳定性测试

2.5.4 固含量的测试

2.5.5 粘度测试

2.5.6 酸值和羟值

2.5.7 玻璃化温度温度(Tg)的测试

2.5.8 贮存稳定性

2.5.9 粒径大小及分布

2.5.10 透射电镜(TEM)观测

2.5.11 胶膜的制备

2.5.12 吸水率测试

2.5.13 硬度的测试

2.6 双组分水性聚氨酯涂膜的测试

2.7 本章小结

第三章 丙烯酸-聚氨酯多元醇分散体的性能及结构研究

3.1 聚醚多元醇对分散体性能的影响

3.2 NCO/OH(摩尔比)的影响

3.2.1 NCO/OH(初始摩尔比)的影响

3.2.2 NCO/OH(总摩尔比)的影响

3.3 DMPA加入量的影响

3.3.1 DMPA含量对粒径的影响

3.3.2 DMPA含量对分散体预聚物粘度的影响分析

3.3.3 DMPA对亲水过程的影响

3.3.4 DMPA对分散体涂膜的吸水率的影响

3.4 MMA含量对产品性能的影响

3.4.1 MMA含量对分散体性能的影响

3.4.2 MMA含量对涂膜性能的影响

3.4.3 MMA含量对核壳结构的影响

3.5 丙烯酸单体用量的影响

3.6 中和过程对产品性能的影响

3.6.1 不同中和方式的影响

3.6.2 不同中和度的影响

3.7 二乙醇胺对分散体性能的影响

3.7.1 链制止剂二乙醇胺的加入方式

3.7.2 二乙醇胺扩链剂用量对分散体性能的影响

3.8 引发剂对PUA性能的影响

3.8.1 引发剂的选择

3.8.2 引发剂的加入方式和量的确定

3.9 链转移剂对PUA分散体的影响

3.10 合成配方的优化

3.11 傅立叶红外光谱分析

3.11.1 合成过程的FTIR跟踪分析

3.11.2 PU和PUA的红外谱图对比

3.12 本章小结

第四章 双组分水性聚氨酯的成膜及其固化条件研究

结 论

参考文献

攻读硕士学位期间取得的研究成果

致谢