双组分水性聚氨酯的制备及其成膜机理研究

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——聚氨酯多元醇水分散体，并探讨各因素对其性能的影响，将其与多异氰酸酯固化剂复配成膜，寻找适宜的固化工艺条件，并对成膜机理进行详细探讨。 采用丙酮法制备聚氨酯多元醇水分散体，发现合成过程中各因素二羟甲基丙酸DMPA含量、预聚阶段-NCO与-OH摩尔比R<,预>、合成过程中总的-NCO与-OH摩尔比R<，总>、三羟甲基丙烷TMP用量、中和度等对其性能均有很大的影响。根据配制的涂膜性能确定了各因素的适宜配比：DMPA含量为4.0％～5.0％、R<,预>为1.7～1.8、R<,总>为0.7～0.8、三官能度度扩链剂TMP用量为3.37％～5.07％、中和度为100％。 双组分水性聚氨酯中两组分间充分均一的混合和分散是得到最佳性能的基本保证，主要取决于多元醇、多异氰酸酯固化剂以及混合方式。根据最终涂膜性能，确定了适宜固化条件：温度为30～50℃，两组分配比NCO：OH摩尔比为1.2～1.5，催化剂用量为0.05％～0.1％。固化剂的选择需根据实际需要进行选择。 固化温度及催化剂均对成膜过程有很大影响。固化温度升高，对物理成膜和化学成膜均有益，但需考虑到水分逃逸过快带来的负面影响；而催化剂的引入，会阻碍物理成膜，但有益于化学成膜过程。 采用衰减全反射傅立叶红外光谱和等温微量热相结合对化学反应过程进行了详细分析，发现三种固化剂反应速率并不相同，与结构有明显关联。等温微量热数据表明在分散体系中多异氰酸酯与多元醇的反应热明显低于本体状态下两者之间的反应热。 双组分聚氨酯涂膜的耐水性可通过提高涂膜交联度来改善。涂膜的结构分析发现体系中存在明显的氢键化作用。质子提供者N-H与绝大多数氨酯基(占总氨酯基的83.2％)及部分脲酯基(占总脲酯基的32.6％)中-C=O形成氢键，由聚酯二醇提供的酯基全部处于游离态。

目录

文摘

英文文摘

声明

第1章引言

1.1双组分水性聚氨酯的组成

1.1.1水性多元醇组分

1.1.2多异氰酸酯组分

1.2双组分水性聚氨酯的混合分散与成膜

1.2.1双组分水性聚氨酯的混合分散

1.2.2双组分水性聚氨酯的成膜

1.3双组分水性聚氨酯体系目前存在的问题

1.4本课题的研究目的和意义

第2章聚氨酯多元醇水分散体的制备及结构与性能研究

2.1实验部分

2.1.1实验药品及原材料

2.1.2实验仪器及设备

2.1.3实验步骤

2.1.4分析与测试

2.2聚氨酯多元醇水分散体的合成

2.2.1原料红外光谱分析

2.2.2合成过程中红外光谱追踪分析

2.3聚氨酯多元醇水分散体性能指标

2.3.1稳定性

2.3.2粒径

2.3.3粘度

2.4聚氨酯多元醇水分散体的性能

2.4.1 DMPA含量对聚氨酯多元醇水分散体性能的影响

2.4.2 R预对聚氨酯多元醇水分散体性能的影响

2.4.3 R总对聚氨酯多元醇水分散体性能的影响

2.4.4扩链剂对聚氨酯多元醇水分散体性能的影响

2.4.5中和度对聚氨酯多元醇水分散体性能的影响

2.5本章小结

第3章双组分水性聚氨酯的制备及其固化条件研究

3.1实验

3.1.1实验药品及原材料

3.1.2主要实验仪器及设备

3.1.3双组分水性聚氨酯涂料的配制

3.1.4分析与测试

3.2双组分水性聚氨酯的混合与分散

3.2.1多异氰酸酯固化剂对混合分散过程的影响

3.2.2多元醇粒径对混合分散过程的影响

3.3双组分水性聚氨酯涂膜性能的影响因素

3.3.1固化温度的影响

3.3.2固化剂的影响

3.3.3 NCO∶OH配比的影响

3.3.4催化剂用量的影响

3.3.5多元醇的影响

3.4双组分水性聚氨酯涂膜的耐水性

3.5双组分水性聚氨酯涂膜结构及氢键化作用

3.5.1涂膜中重要谱带结构及振动类型分析

3.5.2聚氨酯氢键化作用

3.6本章小结

第4章双组分水性聚氨酯成膜机理研究

4.1分析与测试

4.1.1双组分水性聚氨酯涂膜可挥发物挥发常数测定

4.1.2双组分水性聚氨酯成膜过程红外光谱表征

4.1.3双组分水性聚氨酯成膜过程等温微量热分析

4.2双组分水性聚氨酯成膜过程

4.3双组分水性聚氨酯的物理成膜过程

4.3.1双组分水性聚氨酯的可挥发物挥发过程

4.3.2双组分水性聚氨酯成膜过程中粒子的共凝结

4.4双组分水性聚氨酯的化学成膜过程

4.4.1亲水改性HDI多异氰酸酯固化剂(Bayhydur 3100)体系

4.4.2 HDI脲二酮多异氰酸酯固化剂(Desmodur N 3400)体系

4.4.3 HDI三聚体多异氰酸酯固化剂(Desmodur N 3600)体系

4.4.4三种固化剂体系比较

4.5本章小结

第5章结论

参考文献

硕士期间发表的论文

致谢