磷酸盐聚酯型水性聚氨酯及其复合材料的合成与性能研究

摘要

水性聚氨酯最早由德国的Schlack在1943年合成，而那时的水性聚氨酯聚氨酯材料主要是靠强烈的机械搅拌以及大量的乳化剂强制性的将聚氨酯分散在水中，这种方法合成的水性聚氨酯分散不够完全，粒径较大，稳定性较差，导致其性能在应用时上不能满足生产的需求。此后通过人们的研究开发，将亲水基团引入聚氨酯，合成了可以自分散于水中的水性聚氨酯。水性聚氨酯作为一种新型的材料与传统的溶剂型聚氨酯相比，气味更小，更加的环保，容易操作，而性能方面与传统的溶剂型聚氨酯相当，并且由于水性聚氨酯的化学结构中通常含有羟基、羧基，可以与多种树脂复合来改变其性能，以满足更高的生产需求。本实验将含有磷酸基团的多元酸与多元醇反应，自制的含有磷酸亲水基团的聚酯多元醇，再将其与异佛尔酮二异氰酸酯、1，4-丁二醇反应合成含有磷酸基团的阴离子型水性聚氨酯，并以硅烷偶联剂进行封端，加入纳米二氧化硅，最终合成纳米二氧化硅改性的磷酸型水性聚氨酯。该纳米改性的水性聚氨酯软硬段同时含有阻燃元素，可发挥协同阻燃的效果，增强其阻燃性能，并且由于二氧化硅的引入可提高聚氨酯膜的力学性能。具体研究内容及结果如下:
　　本文第一部分简单介绍了近十几年来国内外阴离子型水性聚氨酯的制备，以及对其性能的研究。主要的阴离子型水性聚氨酯包括羧酸、磺酸、磷酸亲水基团。其中由于磷元素具有很好的阻燃性能，拥有更好的应用前景。经过纳米材料改性后，水性聚氨酯的力学性能得到提高，并且可进一步通过协调阻燃提高材料的阻燃性能。
　　本文第二部分2-磷酸基-1，2，4-三羧酸丁烷、新戊二醇、1，4-丁二醇、异佛尔酮二异氰酸酯为原料制备出含有磷酸盐亲水基团的阴离子型水性聚氨酯乳液。本实验研究了不同磷酸素含量对聚氨酯力学性能、阻燃性能的影响。研究结果表明该磷酸型水性聚氨酯具有良好的热稳定性，并且随着磷元素含量的增加，其残炭量逐渐增加，可抑制燃烧的继续反应，说明该水性聚氨酯具有良好的阻燃性能。通过对其力学性能的测试发现，其拉伸强度和吸水率随着磷元素含量的增加而增加，断裂伸长率随磷元素含量增加而降低。当磷元素的含量为1.5％时，该水性聚氨酯的综合性能最佳。
　　本文第三部分以2-磷酸基-1，2，4-三羧酸丁烷、新戊二醇、异佛尔酮二异氰酸酯、纳米二氧化硅、有机硅烷偶联剂为主要原料，通过溶胶-凝胶方法制备出磷酸盐聚酯型水性聚氨酯/纳米SiO2复合材料。研究表明经过纳米SiO2改性的复合材料，由于两种阻燃成分的协同阻燃作用，使其具有更好的阻燃性能。通过对不同纳米二氧化硅含量对复合材料的影响研究表明，改性后复合材料的力学性能和耐水性在一定范围内随着SiO2含量的增加而提升，当SiO2的质量分数2％时，薄膜的综合性能最佳。
　　本文第四部分以磷酸盐聚酯多元醇、异佛尔酮二异氰酸酯、1，4丁二醇为原料合成的水性聚氨酯预聚体，用甲基丙烯酸羟乙酯进行封端，使用γ-甲基丙烯酰氧基丙基三甲氧基硅烷对预聚体进行改性，合成有机硅改性的水性聚氨酯乳液，并以其为种子乳液，向其中加入丙烯酸树脂，通过种子乳液聚合的方法制备出水性聚氨酯/丙烯酸树脂复合材料。研究表明通过加入有机硅及丙烯酸树脂，使得制备出的复合材料在热稳定性、力学性能等方面均有明显提高，具有很好的应用前景。

目录

声明

摘要

第一章 文献综述

1．1 羧酸型水性聚氨酯

1．2 磺酸型水性聚氨酯

1．2．1 小分子引入磺酸型亲水基团

1．2．2 软段引入磺酸型亲水基团

1．3 磷酸型水性聚氨酯

1．4 聚氨酯／纳米复合材料的制备方法

1．4．1 共混法

1．4．2 原位聚合法

1．4．3 插层聚合法

1．4．4 溶胶-凝胶法

1．5 有机硅／丙烯酸树脂改性聚氨酯复合材料的制备方法

1．6 展望

1．5 本文的研究内容和创新之处

1．5．1 本文研究内容

1．5．2 本文创新之处

参考文献

第二章 磷酸盐聚酯型水性聚氨酯的制备

2．1 前言

2．2 实验部分

2．2．1 实验原料

2．2．2 实验合成工艺

2．2．3 测试与表征

2．3 结果与分析

2．3．1 Polyol和PWPU的FT-IR谱图解析

2．3．2 PWPU的粒径分析

2．3．3 PWPU的热重及残碳量分析

2．3．4 PWPU薄膜的力学性能分析

2．4 本章小结

参考文献

第三章 纳米SiO2改性磷酸盐聚酯型水性聚氨酯的制备与性能

3．1 前言

3．2 实验部分

3．2．1 实验原料

3．2．2 实验合成工艺

3．2．3 测试与表征

3．3 结果与讨论

3．3．1 磷酸盐聚酯型水性聚氨酯／纳米SiO2的合成路线

3．3．2 PWPU／SiO2的红外分析

3．3．3 PWPU／SiO2的热重分析

3．3．4 PWPU／SiO2的残碳量分析

3．3．5 PWPU／SiO2的极限氧指数分析

3．3．6 PWPU／SiO2的TEM

3．3．7 SiO2含量对PWPU／SiO2吸水率及粒径的影响

3．3．8 PWPU／SiO2的力学性能分析

3．4 本章小结

参考文献

第四章 有机硅／丙烯酸脂改性磷酸盐聚酯型水性聚氨酯的制备与性能

4．1 前言

4．2 实验部分

4．2．1 实验原料

4．2．2 实验合成工艺

4．2．3 测试与表征

4．3 结果与讨论

4．3．1 SAPU的红外分析

4．3．2 SAPU的热重分析

4．3．3 SAPU的TEM分析

4．3．4 SAPU薄膜的力学性能分析

4．4 本章小结

参考文献

第五章 全文结论

致谢

攻读硕士期间已发表论文