可分散性纳米TiO2的制备及其对水性聚氨酯的改性研究

摘要

纳米TiO2无毒、无臭、光催化活性好、紫外线吸收和红外线反射能力强，并具有杀菌、除臭等功能，在涂料、化妆品、抗菌剂，以及造纸和环境保护等领域得到了广泛的应用。将纳米TiO2应用于传统皮革涂饰剂的改性，预期可以获得性能优良的成品皮革。但纳米TiO2比表面积大、表面能高、易相互团聚，制约了其在涂料中的应用。基于此，我们分别以聚乙烯吡咯烷酮(PVP)和KH-550硅烷偶联剂对纳米TiO2进行原位表面改性，以提高其分散性及与聚合物基体的相容性，并增强聚合物-填料之间的结合强度；进而利用共混方法制备了TiO2/PVP/聚氨酯复合涂层和TiO2/KH-550/水性聚氨酯复合涂层，考察了两种复合涂层的耐溶剂性、抗紫外线性能、抗磨性能及热稳定性。本论文主要研究内容和结果如下：
　　 1、以TiCl4为原料，利用低温液相水解制备了金红石型纳米TiO2，以PVP对纳米TiO2进行原位表面改性，进而利用共混方法制备了TiO2/PVP/聚氨酯复合涂层；采用X射线衍射仪(XRD)、透射电子显微镜(TEM)和红外光谱仪(FI-TR)等表征了改性前后TiO2纳米微粒的组成和微结构，并初步测定了聚氨酯涂层的耐溶剂性、抗紫外线性能、抗磨性能及热稳定性。结果表明，TiO2/PVP在水性聚氨酯皮革涂饰材料中具有良好的分散性；引入TiO2/PVP可以显著提高聚氨酯涂层的耐溶剂性、抗紫外线性能和抗磨性能。与此同时，TiO2/PVP/聚氨酯复合涂层的热稳定性优于纯聚氨酯涂层；当TiO2/PVP含量为4％，复合涂层的紫外吸收最强，摩擦系数比聚氨酯树脂涂层的降低21.64％，吸水率降低56.95％，水接触角从65.2°(添加前)增加到83.8°(添加后)。
　　 2、采用KH-550硅烷偶联剂改性纳米TiO2，利用共混方法制备了TiO2/KH-550/水性聚氨酯复合涂层；利用FT-IR分析了硅烷偶联剂改性纳米TiO2的化学结构，利用热分析系统测定了TiO2/KH-550和TiO2/KH-550/水性聚氨酯复合涂层的热稳定性，并初步测定了TiO2/KH-550/水性聚氨酯复合涂层的耐水性、抗紫外线性能及抗磨性能。结果表明，KH-550通过形成化学键而键合到纳米TiO2表面；引入TiO2/KH-550纳米微粒使得水性聚氨酯涂层的耐水性、热稳定性及抗紫外线性能都得到了一定程度的提高。当TiO2/KH-550含量达到3％时，复合涂层的紫外吸收最强；当TiO2/KH-550含量为2％时，复合涂层的吸水率最低(比纯聚氨酯涂层的低39.11％)，水接触角从61.2°(添加前)增加到82.6°(添加后)。将所制备的复合乳液用于羊皮蓝革的涂饰，可以明显提高革样的耐水性和抗磨性能，涂饰后革样表面的摩擦系数从原来的0.44降低到0.30,降低幅度达31.20％。