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交联剂种类对水性聚氨酯性能的影响

交联剂种类对水性聚氨酯性能的影响夏会华,饶舟,卢敏,许戈文 安徽大学化学化工学院,安徽省绿色高分子材料重点实验室,合肥,230039摘要:以异佛尔酮二异氰酸酯(IPDI),聚醚多元醇N210、N220为主要原料,分别采用聚醚三元醇N330,蓖麻油(C.O),三羟甲基丙烷(TMP),季戊四醇(PER)为交联剂,合成了一 系列状态稳定的水性聚氨酯乳液,探讨了不同种类的交联剂对胶膜力学性能、胶膜耐水性以及耐 热性能的影响。实验表明,用TMP交联改性的水性聚氨酯(WPU)胶膜力学性能和耐水性较为 优异,用N330和C.O.交联改性的胶膜手感很好,耐热性能也较好,用PER交联改性的胶膜力学性 能有所提高,但耐水性能和耐热性能较未改性前反而有所降低。关键词:水性聚氨酯,交联,改性前言在高分子的主链上含有重复的氨基甲酸酯键结 构单元(-NHCOO- )的高分子化合物称为聚氨酯(PU),传统的溶剂型聚氨酯需要大量的有机溶剂, 增加了产品的生产成本,也不符合环保要求。人们日 益加强的环保意识和各国环保法规对挥发性有机化合 物(VOC) 排放量的限制,使得水性聚氨酯的研究受到 重视[1]。水性聚氨酯(WPU)以水作为分散介质,具有 低VOC、不易燃、环境友好、成本低等诸多优点[2,3], 同时还保留了传统溶剂型聚氨酯的一些优良性能,如 良好的耐磨性、柔韧性、耐低温性和耐疲劳性等,应 用日益广泛,目前已成为热门的研究课题[4]。但是水 性聚氨酯还存在耐高温性能不好、耐水性差、初粘力 低、干燥时间长和固化速度慢等缺点,大大限制了其 应用范围,因而对水性聚氨酯进行改性,提高水性聚 氨酯的综合性能,扩大其应用范围是水性聚氨酯的重 要发展方向。交联改性是改性水性聚氨酯最直接、最有效、最简 单的方法之一,一方面可以使水性聚氨酯的相对分子质 量增加,另一方面可以提高其物理化学性能 [5] 。交联改 性是指引入可以与聚合物分子链发生交联作用的物质, 将线型的聚氨酯大分子交联成网状结构,以提高聚合物 的耐水性、耐溶剂性及机械力学性能等。根据交联方法 的不同,可以分为内交联法和外交联法[6],内交联改性 水性聚氨酯通过原料的选择,能制得部分支化和交联的 水性聚氨酯[7]。内交联法制备的水性聚氨酯在一定条件 下稳定性较好,属于单组分水性聚氨酯。本文采用内交联法,以N330,C.O.,TMP,PER为交联剂,合成了一系列性能稳定的水性聚氨酯乳液。1.1 实验原料异佛尔酮二异氰酸酯(IPDI ):工业级,德 国Bayer 公司;聚醚多元醇(N210 ,Mn=1000 ): 工业级,上海高桥石化;聚醚多元醇( N220 , Mn=2000):工业级,上海高桥石化;聚醚多元醇(N330,Mn=3000):工业级,山东东大化学品公 司;蓖麻油(C.O.):分析纯,宜兴市展望试剂厂; 三羟甲基丙烷(TMP),工业级,北京林氏精华化 新材料公司;季戊四醇(PER):分析纯,中国上海 化学试剂一厂;二羟甲基丙酸(DMPA):分析纯, 四川成都化学试剂厂;一缩二乙二醇(DEG):分析 纯,天津大港化工三厂;三乙胺(TEA):分析纯, 上海宁新化工试剂厂;二月桂酸二丁基锡(T-12)、 辛酸亚锡(T-9):分析纯,上海试剂一厂;丙酮:分 析纯,上海市国药集团化学试剂有限公司;其中聚醚 多元醇使用前在120℃真空条件下脱水2 h。1.2 水性聚氨酯乳液的合成在装有回流冷凝管、搅拌桨和温度计的250ml三口 烧瓶中,氮气保护条件下,加入计量的IPDI,N210, N220,在红外灯加热下于90℃左右保持反应2h,反 应结束后降温至60℃左右,加入计量好的小分子交联 剂(TMP,PER),DMPA,DEG与少量丙酮,并加 入几滴T-9,T-12,升温,反应过程中根据体系黏度 大小加入适量丙酮,反应一定时间后即可得到水性聚 氨酯的预聚体,降温至40℃以下,将制得预聚体加入 乳化桶中,在高速剪切作用下加入计量好的TEA进行 中和,然后加水乳化,再加入计量好的EDA进行后扩 链,反应一段时间,即可得到水性聚氨酯乳液。大分子交联剂(N330或C.O.)反应活性较低, 在实验第一步就加入,其他反应步骤和上面的方法相 同。通过上述两种方法合成出了一系列不同交联剂改1 、实验部分72 环球聚氨酯网 /PU技术PU Technology性的固含量为30%的水性聚氨酯乳液。 表1 样品编号及乳液状态和稳定性 2 、结果与讨论2.1 红外测试分析交联剂种类样品编号乳液状态乳液稳定性空白透明泛蓝光30d无沉淀PU0半透明泛蓝30d无沉淀TMPPU1半透明泛蓝3months膏化PERPU2半透明泛蓝30d无沉淀C.O.PU3微透明泛蓝30d无沉淀N330PU4注:交联剂中的羟基与大分子多元醇中的羟基摩尔比均为1/3

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