改性纳米二氧化硅/含氟水性聚氨酯-聚丙烯酸酯分散液的制备及成膜性能研究

摘要

随着安全环保理念的提出，对于涂料和油漆产品的性能要求也越来越高。水性聚氨酯(PU)涂料作为行业发展的新方向，占有举足轻重的位置。目前研究主要解决的是PU疏水性不够，柔韧性差，抗拉强度不足等缺点。
　　本课题首先用硅烷偶联剂γ-（甲基丙烯酰氧）丙基三甲氧基硅烷(KH-570)分子在酸性条件下水解后产生的硅醇与纳米二氧化硅表面的羟基发生聚合反应来实现纳米二氧化硅的改性。后采用原位无皂乳液聚合法，以乙烯基单体代替有机溶剂，异佛尔酮二异氰酸酯(IPDI)及聚己酯(PCL1000)为主要原料，再加入丙烯酸羟乙酯（HEA），形成以双键封端的PU预聚体;在乙烯基单体聚合阶段创新性的引入本身具有碳碳双键的全氟酯(FA)和改性后的纳米二氧化硅，在引发剂K2S2O8(KPS)作用下，引发乙烯基类单体自由基共聚，合成了改性纳米二氧化硅/含氟水性聚氨酯-聚丙烯酸酯(WSFPUA)复合乳液。本文研究了KH-570改性纳米二氧化硅的反应条件机及其性能的影响。最后，研究了丙烯酸羟乙酯(HEA)、全氟酯、纳米二氧化硅含量对WSFPUA复合乳液及乳胶膜的形貌和性能影响。主要内容如下:
　　(1)在纳米二氧化硅的改性实验中，考察了不同pH值、反应温度以及KH-570含量对纳米二氧化硅稳定性、粒径大小等的影响。红外和微观形貌分析结果表明，改性纳米硅溶胶中改性剂KH-570和纳米二氧化硅表面通过化学键合连接在一起。当反应温度为60℃时，改性纳米二氧化硅的稳定性最好，粒径最小达到78nm。
　　(2)在纳米二氧化硅/含氟聚氨酯-聚丙烯酸酯(WSFPUA)复合乳液中，制备了一系列不同R值的WSFPUA复合乳液。当R=1.05时，乳液的外观和机械稳定性达到最佳。同时，红外光谱分析表明，纳米二氧化硅和含氟单体成功引入到聚氨酯-聚丙烯酸酯乳液。分析透射电镜测试结果可知WSFPUA乳液粒子呈圆球形，而且大小比较均一。
　　(3)制备了不同纳米二氧化硅含量的WSFPUA复合乳液。考察纳米二氧化硅含量对WSFPUA复合乳液以及涂膜外观及力性能影响。实验结果表明:控制纳米二氧化硅加入量在0％-5％，随着改性纳米二氧化硅含量的上升，乳液粒径增大，机械稳定性逐渐降低，乳液外观从微蓝半透变为乳白色不透明。WSFPUA复合乳胶膜的拉伸强度增长到43.08MPa，接触角也上升至122.5°，吸水率下降至8.5％。同时，乳胶膜得到的表面光滑度以及耐热性都随纳米二氧化硅含量的增加而出现显著增强。
　　(4)研究了不同丙烯酸羟乙酯(HEA)含量下的WSFPUA复合乳液及乳胶膜的性能。分别讨论了其对乳胶膜表面形貌，热稳定性、耐水性、拉伸性能、透射电镜以及涂层性能的影响。随着HEA含量的增加，乳胶膜变得越来越平整，而且WSFPUA热稳定性、耐水性以及拉伸性能得到明显提高。

目录

摘要

1．绪论

1．1 水性聚氨酯简介

1．2 几类重要的改性聚氨酯乳液

1．3 无机纳米材料改性聚氨酯

1．3．1 无机纳米材料的特性

1．3．2 纳米二氧化硅的表面改性

1．3．3 纳米二氧化硅的主要应用

1．4 研究的目的和意义

2．纳米二氧化硅的表面改性

2．1 引言

2．2 实验部分

2．2．1 仪器

2．2．2 药品

2．2．3 纳米二氧化硅改性原理及方法

2．3 改性纳米二氧化硅性能表征

2．3．1 红外测试

2．3．2 粒径测定

2．3．3 透射电镜测定

2．4 结果讨论

2．4．1 红外光谱分析

2．4．2 硅烷偶联剂用量确定

2．4．3 透射电镜分析

2．4．4 改性pH值的确定

2．4．5 最佳改性温度的确定

2．5 本章小结

3．改性纳米二氧化硅／含氟水性聚氨酯-聚丙烯酸酯分散液的结构设计与性能研究

3．1 前言

3．2 改性纳米二氧化硅／含氟聚氨酯-聚丙烯酸酯复合乳液的制备

3．2．1 仪器

3．2．2 原料

3．2．3 改性纳米二氧化硅／含氟聚氨酯-聚丙烯酸酯乳液的制备

3．2．4 改性纳米二氧化硅／含氟聚氨酯-聚丙烯酸酯涂膜的制备

3．3 结果表征与测试

3．3．1 WSFPUA乳液的性能测试

3．3．2 WSFPUA涂膜的结构表征与性能测试

3．4 结果与讨论

3．4．1 乳胶膜红外光谱分析

3．4．2 WSFPUA乳液的外观及其稳定性分析

3．4．3 WSFPUA复合乳液的粘度及粒径分析

3．4．4 WSFPUA复合乳液微观形貌测定

3．4．5 WSFPUA乳胶膜疏水性能的测定及分析

3．4．6 WSFPUA乳胶膜吸水率的测定及分析

3．4．7 WSFPUA乳胶膜的各项力学性能分析

3．4．8 WSFPUA复合乳胶膜的热稳定性分析

3．4．9 WSFPUA复合乳胶膜的AFM分析

3．4．10 WSFPUA复合乳胶膜扫描电镜分析

3．5 本章小结

4．结论

4．1 主要工作及结论

4．2 创新点

4．3 下步工作

致谢

参考文献

攻读硕士期间发表论文

声明