丙烯酸接枝共聚型水性硝化纤维乳液的合成及性能研究

摘要

硝基涂料因其干燥速率快、装饰性能较好、在工程方面的应用较为方便等优势，在家具的涂装、汽车轮船等交通工具表层的漆补、文具用品等领域被普遍应用。然而传统硝基涂料中有毒的溶剂(VOC)对环境的危害太大。随着社会的发展，人们越来越关注环境保护，国家也加强了对环境保护的管制，健全环保法制，尤其是在有机溶剂(VOC)释放方面。用水代替VOC作为溶剂的水性硝化纤维(WNC)引起了本领域科研工作者的特别关注与研究热情，它是一种拥有环保性质的硝基涂料。
　　本文通过对分子结构进行设计调整，找到合适的反应条件，让丙烯酸与丙烯酸羟乙酯进行共聚反应，再通过异佛尔酮二异氰酸酯(IPDI)，将共聚产物引入到硝化纤维分子上，由此将亲水性官能团引入硝化纤维(NC)分子中，使硝化纤维乳液具有自行乳化的功能，均匀分散在水中，形成粒径小且均匀的乳液，制备出一种稳定且性能良好的新型水性硝化纤维乳液，克服以往WNC乳液存在的一系列如不稳定或者性能不好的缺点。为了进一步提升所制备的水性硝化纤维乳液综合性能，我们采用硅氧烷偶联剂KH560对丙烯酸接枝共聚所得的水性硝化纤维进行改性。同时，我们还将丙烯酸树脂接枝共聚改性水性硝化纤维与丙烯酸树脂共混改性水性硝化纤维进行了对比分析。具体工作主要分为如下三方面:
　　(1)丙烯酸接枝共聚型水性硝化纤维乳液的合成
　　以丙烯酸为亲水试剂，选取合适的反应条件，让丙烯酸（AA）和丙烯酸羟乙酯(HEMA)发生共聚反应，制到含亲水基的预聚体，通过异佛尔酮二异氰酸酯(IPDI)与预聚体上的羟基和硝化纤维分子中羟基的反应将亲水预聚体接到硝化纤维分子上，再加三乙胺中和成盐，然后加水乳化，采用自乳化的方法，成功合成了新型水性硝化纤维乳液。讨论了各物质投料量对乳液和涂膜的性能的影响，得出较优的投料比。并对较优条件下合成的产物进行了表征。结果表明，当HEMA的投料量为反应物总量的12％，n(IPDI)∶n(NC)=0.41∶1，AIBN的用量为共聚单体总质量的0.6％～0.8％时，乳液显淡黄色，粒径62.2nm，稳定存在，测出所得涂膜的吸水率为10.8％，接触角为95.26°，拉伸强度为10.8MPa，并且具有较好的热稳定性。
　　(2)硅氧烷偶联剂KH560对丙烯酸接枝共聚型水性硝化纤维乳液的改性研究
　　用硅氧烷偶联剂KH560对所得丙烯酸接枝共聚型水性硝化纤维乳液进行改性，成功合成了KH560改性WNC。探究了KH560的用量对乳液粒径，稳定性，以及对涂膜耐水性及力学性能的影响，结果表明:当KH560的含量为反应物总量的1.2％时，所得的WNC乳液及所成涂膜的性能最佳，此时的WNC乳液呈现淡黄色而且微微带有蓝光可以稳定存在，平均粒径为75.73nm，涂膜吸水率为4.5％，拉伸强度为13.2Mpa，断裂伸长率308.2％。对最佳投料量下合成的乳液及涂膜性能进行了表征，红外检测结果表明KH560成功开环导入到硝化纤维分子上;TEM图可以明显看出，胶粒出现交联聚集现象，水性硝化纤维体系的交联度得到提升;吸水率的测定结果显示，加入KH560后所成涂膜的耐水性增加了;热重检测结果能够明显得到，KH560的加入同时也大大提升了涂层的热稳定性。
　　(3)丙烯酸接枝共聚和物理共混两种改性方法所得水性硝化纤维乳液性能比较
　　以二羟甲基丙酸为亲水试剂，异佛尔酮二异氰酸酯为亲水扩链剂，进行预聚，得到异氰酸酯封端含有亲水基团的预聚体，再利用亲水预聚体端基上的异氰酸酯基与硝化纤维分子上羟基的反应将亲水基引入硝化纤维分子上，用三乙胺中和成盐，加水乳化后与丙烯酸树脂物理共混，得到丙烯酸树脂共混改性的水性硝化纤维乳液，测定其乳液及涂膜性能，并与丙烯酸接枝共聚改性的水性硝化纤维乳液进行比较。结果表明:丙烯酸接枝共聚改性所得水性硝化纤维乳液的综合性能更好。

目录

摘要

1 前言

1．1 水性涂料的发展

1．2 丙烯酸树脂

1．2．1 丙烯酸树脂的分类与应用

1．2．2 丙烯酸树脂的合成

1．3 水性丙烯酸树脂涂料

1．4 水性丙烯酸树脂的交联改性

1．4．1 羟基型丙烯酸树脂交联

1．4．2 羧基型丙烯酸树脂的交联

1．5 水性硝化纤维涂料

1．5．1 水性硝化纤维乳液的合成方法

1．5．2 提高水性硝化纤维涂膜性能的改性方法

1．6 本课题研究目的与意义

1．7 本课题研究主要内容

1．8 创新点

2 丙烯酸接枝共聚型水性硝化纤维乳液的合成及性能研究

2．1 实验部分

2．1．1 实验试剂

2．1．2 仪器设备

2．1．3 丙烯酸接枝共聚水性硝化纤维乳液的制备

2．2 测试与表征

2．2．1 乳液贮存稳定性

2．2．2 表面水接触角的测定

2．2．3 粒径及其分布测试

2．2．4 吸水率测试

2．2．5 力学性能测试

2．2．6 水分散性测试

2．2．7 红外光谱分析

2．2．8 热重分析

2．3 结果与讨论

2．3．1 丙烯酸羟乙醮用量对乳液和涂膜性能的影响

2．3．2 异氟尔酮二异氰酸酯单体(IPDI)用量对乳液涂膜性能的影响

2．3．3 引发剂用量对乳液和涂膜性能的影响

2．3．4 接枝硝化纤维前后的FT-IR分析

2．3．5 乳液粒径及粒径分布

2．3．6 耐水性分析

2．3．7 热稳定性分析

2．4 小结

3 KH560改性水性硝化纤维研究

3．1 引言

3．2 实验部分

3．2．1 实验试剂

3．2．2 仪器设备

3．2．3 KWNC的制各

3．3 测试与表征

3．3．1 乳液贮存稳定性

3．3．2 粒径及其分布测试

3．3．3 吸水率测试

3．3．4 力学性能测试

3．3．5 热重分析

3．3．6 红外光谱分析

3．3．7 微观结构分析

3．4 结果与讨论

3．4．1 KH560用量对水性硝化纤维乳液性能的影响

3．4．2 KH560用量对水性硝化纤维乳液涂膜耐水性的影响

3．4．3 KH560含量对水性硝化纤维涂膜的力学性能的影响

3．4．4 热重分析

3．4．5 FT-IR分析

3．4．6 TEM分析

3．5 小结

4 丙烯酸树脂共混改性水性硝化纤维乳液的制备及性能研究

4．1 引言

4．2 实验部分

4．2．1 实验试剂

4．2．2 实验仪器设备

4．2．3 共混改性水性硝化纤维乳液

4．2．4 接枝共聚改性水性硝化纤维乳液

4．2．5 涂膜

4．3 测试与表征

4．3．1 红外光谱分析

4．3．2 粒径及其分布测试

4．3．3 表面水接触角的测定

4．3．4 热重分析

4．3．5 力学性能测试

4．3．6 微观结构分析

4．4 结果与讨论

4．4．1 红外光谱分析

4．4．2 粒径及其分布测试

4．4．3 热稳定性研究

4．4．4 耐水性研究

4．4．5 引发剂用量对涂膜力学性能的影响

4．4．6 乳液形貌研究

4．5 小结

5 结论

致谢

参考文献

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