桐油衍生物合成及改性水性聚氨酯研究

摘要

水性聚氨酯(WPU)涂膜存在着耐水性差、耐溶剂性差和力学性能不足等缺点，严重制约了它的应用领域，需要对水性聚氨酯进行改性以提高其涂膜的综合性能。桐油具有干燥快、附着力强、防水、耐酸碱、耐热等优良特性，将桐油衍生化后用于水性聚氨酯的制备，可以改善水性聚氨酯涂膜的耐水性、耐溶剂性和力学性能，同时增加了桐油的附加值，产生良好的社会和经济效益。研究了以桐油为原料，采用非均相水解方法制备桐油酸，再以桐油酸为原料，采用化学基团保护法制备桐油酸单甘酯(TOM)的工艺条件。以桐油酸单甘酯和桐油酸酐酯多元醇(TOAEP)为原料分别制备了桐油酸单甘酯改性水性聚氨酯乳液和桐油酸酐酯多元醇改性水性聚氨酯乳液，采用国标方法对两种乳液涂膜的耐水性、耐溶剂性、耐酸碱、力学性能和耐热性能等进行检测，根据检测结果对两种乳液的制备工艺进行了优化。得到的主要研究结果如下: 1.以桐油和KOH为原料，采用非均相反应制备桐油酸的适宜工艺条件为:桐油和KOH的摩尔比1∶3.5，皂化反应时间1.5 h，皂化反应温度70℃，油水比1∶12，反应收率为98.4％，产品酸值为168.6 mg KOH/g。 2.DT-851为甘油与丙酮缩合反应的适宜催化树脂，异丙叉甘油的合成适宜条件为:催化树脂用量为甘油质量的5％，甘油和丙酮的质量比1∶20，回流反应2h，异丙叉甘油产率为95.0％。DT-851催化树脂可重复利用6次，仍可保持较高催化活性。 3.以二甲苯作带水剂，采用化学基团保护法合成桐油酸单甘酯的适宜条件为:异丙叉甘油和桐油酸的摩尔比1.5∶1，催化剂对甲苯磺酸用量为桐油酸质量的5％，反应温度135℃，反应时间3h，桐油酸转化率为99.1％，脱保护反应4h后，桐油酸单甘酯收率为93.6％，单甘酯含量为95.6％。 4.桐油酸单甘酯改性水性聚氨酯树脂的合成适宜条件为:异氰酸根指数R为1.2，DMPA含量4％，硬段含量60％，桐油酸单甘酯含量8％。TOM改性的水性聚氨酯乳液粒径、硬度、拉伸强度、耐水性、耐溶剂性和耐酸碱性随着TOM用量的增加而逐渐增大;改性后水性聚氨酯的耐热性得到明显改善。 5.桐油酸酐酯多元醇改性水性聚氨酯树脂的适宜合成条件为:异氰酸根指数 R为1.2，DMPA含量5％，硬段含量60％，桐油酸酐酯多元醇含量8％。TOAEP改性的水性聚氨酯乳液粒径、硬度、拉伸强度、耐水性、耐溶剂性和耐酸碱性随着TOAEP用量的增加而逐渐增大;改性后水性聚氨酯的耐热性较未改性前有显著提高。 桐油酸单甘酯和桐油酸酐酯多元醇两种改性水性聚氨酯的涂膜在耐水性、耐溶剂性、耐酸碱、力学性能和耐热性能明显提高，扩大了水性聚氨酯的应用领域，提高了桐油的附加值，从而推动油桐加工产业的发展，产生良好的社会和经济效益。

目录

声明

论文说明

摘要

1 绪论

1．1 桐油及其在合成树脂中的应用

1．1．1 桐油简介

1．1．2 桐油在合成树脂中的应用研究现状

1．2 水性聚氨酯简介

1．2．1 水性聚氨酯的性能特点

1．2．2 水性聚氨酯的制备

1．3 水性聚氨酯的改性研究进展

1．3．1 植物油改性水性聚氨酯

1．3．2 环氧树脂改性水性聚氨酯

1．3．3 有机硅改性水性聚氨酯

1．3．4 丙烯酸酯改性水性聚氨酯

1．3．5 纳米材料改性水性聚氨酯

1．4 本课题的研究背景与内容

1．4．1 研究的目的意义

1．4．2 研究内容

2 非均相反应合成桐油酸

2．1 实验方法

2．1．1 主要实验材料及仪器

2．1．2 油脂碱性水解制备桐油酸

2．1．3 桐油酸酸值测定

2．2 结果与讨论

2．2．1 物料比对桐油酸酸值的影响

2．2．2 皂化反应时间对桐油酸酸值的影响

2．2．3 皂化反应温度对桐油酸酸值的影响

2．2．4 油水比对桐油酸酸值的影响

2．3 小结

3 桐油酸单甘酯的制备

3．1 实验方法

3．1．1 主要实验材料及仪器

3．1．2 异丙叉甘油的合成

3．1．3 桐油酸单甘酯的合成

3．2 结果与讨论

3．2．1 异丙叉甘油的合成

3．2．2 桐油酸单甘酯的合成

3．3 小结

4 桐油酸单甘酯改性水性聚氨酯的制备

4．1 实验方法

4．1．1 主要实验材料及仪器

4．1．2 桐油酸单甘酯改性水性聚氨酯树脂的合成

4．1．3 树脂性能表征

4．2 结果与讨论

4．2．1 异氰酸根指数R对乳液和涂膜性能的影响

4．2．2 硬段含量对乳液和涂膜性能的影响

4．2．3 桐油酸单甘酯含量对乳液粒径和涂膜性能的影响

4．3 小结

5 桐油酸酐酯多元醇改性水性聚氨酯的制备

5．1 实验方法

5．1．1 主要实验材料及仪器

5．1．2 桐油酸酐酯多元醇改性水性聚氨酯的制备

5．1．3 树脂性能表征

5．2 结果与讨论

5．2．1 异氰酸根指数R对乳液和涂膜性能的影响

5．2．2 硬段含量对乳液和涂膜性能的影响

5．2．3 桐油酸酐酯多元醇含量对乳液和涂膜性能的影响

5．3 小结

6 结论与展望

6．1 结论

6．2 创新点

6．3 展望

参考文献

附录A 攻读学位期间的主要学术成果

致谢