聚二甲基硅氧烷接枝改性水性聚氨酯的制备及其乳胶膜形貌的探究

摘要

随着各国法律法规的完善和人们环保意识的增强，传统溶剂型聚氨酯逐渐退出市场，取而代之的是一种绿色环保材料——水性聚氨酯。但是水性聚氨酯在合成过程中引入了亲水扩链剂或亲水链段，因而导致其耐水性较差。聚二甲基硅氧烷(PDMS)由于具有低表面能、疏水性好、耐候性好等优点被广泛应用于改性水性聚氨酯，以期赋予水性聚氨酯乳胶膜较好的耐水性、耐候性和爽滑感。这主要是因为低表面能的聚二甲基硅氧烷在水性聚氨酯分散体成膜过程中会自动向乳胶膜表面迁移富集。
　　目前，聚二甲基硅氧烷改性水性聚氨酯主要是通过嵌段改性的方法将端羟基聚二甲基硅氧烷引入到水性聚氨酯主链中，但这会导致聚二甲基硅氧烷分子链两端均与聚氨酯主链连接，极大地限制了其分子活动自由度，导致聚二甲基硅氧烷不能充分地向乳胶膜表面迁移富集，因而达不到满意的改性效果。接枝改性作为一种替代的方法可以很好地解决这个问题，其主要是通过在合成中将单端双羟基聚二甲基硅氧烷作为侧链引入到水性聚氨酯主链上实现的。由于聚二甲基硅氧烷仅有一端连接在聚氨酯链上，则其仍具有较大的分子活动自由度，因而在成膜时可以较为容易地向乳胶膜表面迁移富集，使得改性效果更佳。众所周知，物质的结构决定其性能，而性能又是其结构的反映。目前人们更多关注的是聚二甲基硅氧烷对水性聚氨酯的改性效果，对其乳胶膜的形貌和结构研究却很少。
　　本文采用自制的单端双羟基聚二甲基硅氧烷以接枝改性的方法合成了聚二甲基硅氧烷改性水性聚氨酯分散体，利用傅里叶红外光谱仪、纳米粒度激光粒度仪、电子万能拉伸试验机进行了分析测试表征，并着重对其乳胶膜的形貌和结构进行了探究。主要研究内容有:
　　(1)聚二甲基硅氧烷接枝改性水性聚氨酯分散体的合成与表征
　　以单端双羟基聚二甲基硅氧烷、异佛尔酮二异氰酸酯IPDI、聚四氢呋喃醚二元醇PTMG、二羟甲基丙酸DMPA、一缩二乙二醇DEG、乙二胺EDA为主要原料通过预聚体法合成有机硅接枝改性水性聚氨酯分散体，并采用端羟基聚二甲基硅氧烷合成了有机硅嵌段改性水性聚氨酯分散体，比较了接枝改性和嵌段改性对水性聚氨酯性能的影响。结果表明:聚二甲基硅氧烷接枝改性较嵌段改性对水性聚氨酯的性能提升更明显，其中力学性能和耐水性增幅均较大，且在接枝改性中聚二甲基硅氧烷向乳胶膜表面迁移富集效果更明显。
　　(2)聚二甲基硅氧烷接枝改性水性聚氨酯乳胶膜形貌和结构的探究
　　以甲苯二异氰酸酯TDI和1，4-丁二醇BDO替换IPDI和DEG，合成了有机硅接枝改性水性聚氨酯分散体，将其稀释并自然晾干成膜，制得约40μm厚的乳胶膜，并对其截面部分进行冷冻超薄切片（包含完整的乳胶膜表层、内部和底部），置于透射电镜下观察其形貌和结构。另通过扫描电镜观察乳胶膜表面形貌。结果发现:在乳液成膜中聚二甲基硅氧烷会聚集成微球，对于接枝改性，微球绝大部分分布在胶膜表层区域，在内部和底部分布很少，甚至有少量微球突出胶膜表面，与空气接触。

目录

声明

摘要

第1章 绪论

1．1 水性聚氨酯(WPU)

1．1．1 水性聚氨酯简介

1．1．2 主要原料

1．1．3 基本反应及结构

1．1．4 水性聚氨酯的应用

1．2 聚硅氧烷

1．2．1 聚硅氧烷简介

1．2．2 聚二甲基硅氧烷(PDMS)的应用

1．3 聚二甲基硅氧烷改性水性聚氨酯

1．3．1 改性简介及研究现状

1．3．2 PDMS在水性聚氨酯乳胶膜中分布的研究现状

1．4 研究课题的提出和主要内容

第2章 PDMS接枝改性水性聚氨酯分散体的合成与表征

2．1 前言

2．2 实验部分

2．2．1 实验原料和仪器

2．2．2 水性聚氨酯分散体(WPU)的合成

2．2．3 PDMS改性水性聚氨酯分散体(SiPU)的合成

2．2．4 合成配方

2．2．5 测试与表征

2．3 结果与讨论

2．3．1 红外分析

2．3．2 粒径分析

2．3．3 水接触角分析

2．3．4 力学性能分析

2．3．5 耐水性分析

2．3．6 表面元素组成分析

2．4 本章小结

第3章 PDMS在水性聚氨酯乳胶膜中分布的研究

3．1 前言

3．2 实验部分

3．2．1 实验原料和仪器

3．2．2 水性聚氨酯分散体(WPU)的合成

3．2．3 有机硅改性水性聚氨酯分散体(SiPU)的合成

3．2．4 聚氨酯乳胶膜截面超薄切片的制备

3．2．5 合成配方

3．2．6 测试与表征

3．3 结果与讨论

3．3．1 水接触角分析

3．3．2 PDMS在胶膜中分布的讨论

3．3．3 表面元素组成分析

3．3．4 成膜模型

3．4 本章小结

第4章 PDMS分子量对乳胶膜形貌的影响

4．1 前言

4．2 实验部分

4．2．1 实验原料和仪器

4．2．2 水性聚氨酯分散体(WPU)的合成

4．2．3 有机硅改性水性聚氨酯分散体(SiPU)的合成

4．2．4 干燥聚氨酯乳胶膜的制备

4．2．5 测试与表征

4．3 结果与讨论

4．3．1 水接触角分析

4．4 本章小结

第5章 结论

参考文献

致谢

攻读学位期间发表的学术论文