基于丙烯酸酯/无机硅的交联改性水性聚氨酯的合成及性能研究

摘要

水性聚氨酯(WPU)以其良好的性能以及绿色环保的特点，在涂料、胶黏剂、纺织等多个领域开始受到人们的重视，但由于它是以水为溶剂且分子链中含有亲水性基团，因此它的一些性能还达不到人们要求。针对水性聚氨酯(WPU)的缺陷和不足之处，科研者研究各种新方法对其进行性能的改进。采用其他有机材料和交联方式对其改性是常用的改性手段。本文分别采用有机的丙烯酸酯来交联改性和无机的硅来交联改性水性聚氨酯。常规的丙烯酸酯交联改性WPU是通过甲基丙烯酸羟乙酯(HEMA)封端聚氨酯分子链，之后加入引发剂引发核中的丙烯酸酯类单体与壳中聚氨酯共聚，形成丙烯酸酯．聚氨酯复合乳液(PUA)，乳液成膜后生成交联结构，但此方法由于作为交联点的双键只能通过封端PU来引入，因此最终交联程度很低，致使涂膜性能的提升不显著。本文用侧链含不饱和双键的三羟甲基丙烷单烯丙基醚(TMPME)二元醇对WPU进行扩链，之后与丙烯酸酯类单体共聚，通过这种方式引入大量的双键提升涂膜的交联度从而提升涂膜的性能。而在无机硅交联改性WPU方面，本文使用WPU分子作为乳液聚合的大分子乳化剂，进行甲基丙烯酰氧丙基三甲氧基硅烷(MPS)的乳液聚合，合成出了核壳型的PMPS/PU复合乳液。相比于传统的方式即用3-氨丙基三乙氧基硅烷(APTES)对WPU进行封端，本文由于WPU胶粒双电层排斥和位阻保护效应，具有核壳结构的PMPS/PU复合乳液能稳定长久贮存，且成膜时MPS能够生成大量的Si-O-Si无机交联结构，对涂膜的耐磨性、耐溶剂性、耐水性、力学强度等有显著提升。
　　 1．通过采用侧链含双键的TMPME代替1,4-丁二醇(BDO)作为扩链剂合成出水性聚氨酯乳液，而后用60Co射线引发丙烯酸酯类单体使其聚合于聚氨酯侧链上。调节TMPME/BDO的比例制备了不同TMPME含量的核壳型PUA，研究了不同交联度对聚氨酯材料耐溶剂、耐水、耐热性等耐候性的影响。
　　 2．使用水性聚氨酯作为大分子乳化剂和位阻稳定剂，对MPS进行乳液聚合。考察了进料工艺、反应温度、PH等因素对含MPS聚氨酯乳液稳定性的影响，从而制备出高含量MPS的以PMPS为核聚氨酯为壳的复合乳液。对复合粒子形态、乳液粒径的大小和分布还有乳液Zeta电势进行了测试和表征。
　　 3．对PMPS/PU复合乳液成膜后的Si-O-Si无机交联结构进行了固体硅核磁的表征。制备出了一系列无机交联含量不同的聚氨酯涂膜，研究了不同交联度对聚氨酯涂膜耐磨、耐溶剂、耐热性和聚氨酯结晶度的影响。同时揭示了聚氨酯软段的含量对含有Si-O-Si无机交联结构的聚氨酯材料成膜性的影响。

目录

声明

摘要

第一章 绪论

1.1 水性聚氨酯概述

1.11 水性聚氨酯简介

1.12 水性聚氨酯的制备

1.2 复合改性水性聚氨酯

1.21 丙烯酸酯改性水性聚氨酯

1.22 硅改性水性聚氨酯

1.3 交联改性水性聚氨酯

1.31 丙烯酸酯交联改性水性聚氨酯

1.32 溶胶凝胶法制备交联的有机无机材料

1.4 本文研究的背景、主要内容及目标

1.4.1 研究背景

1.4.2 研究内容与研究目标

参考文献

第二章 无机硅交联改性水性聚氨酯

2.1 引言

2.2 实验部分

2.2.1 主要原料

2.2.2 溶胶凝胶反应

2.2.3 PMPS/WPU复合乳液的涂膜的制备

2.2.4 测试仪器及方法

2.3 结果和讨论

2.3.1 乳液的稳定机理

2.3.2 无机交联结构的固体核磁分析

2.3.3 热稳定性(TGA)

2.3.4 X射线衍射分析(XRD)

2.3.5 紫外透射光谱

2.3.6 软段含量(Soft Segment Content，SSC)对成膜性的影响

2.3.7 涂膜吸水率

2.3.8 涂膜耐磨性测试

2.3.9 耐溶剂性和硬度

2.4.0 力学性能测试

2.4.1 其他性能分析

2.4.2 本章小结

参考文献

第三章 丙烯酸酯交联改性水性聚氨酯

3.1 引言

3.2 实验部分

3.2.1 实验原料

3.2.2 核壳交联型丙烯酸酯／聚氨酯复合乳液的制备

3.2.3 聚氨酯官能团测试分析方法

3.2.4 测试仪器及方法

3.3 结果与讨论

3.3.1 PUA红外谱图分析

3.3.2 交联度测试

3.3.3 力学性能测试

3.3.4 耐水性测试

3.3.5 摆杆硬度和耐溶剂性测试

3.3.6 涂膜耐热性(TGA)

3.3.7 耐磨性

3.4 本章小结

参考文献

结论

致谢

攻读硕士期间发表的文章与取得的研究成果