丙烯酸酯改性水性聚氨酯材料结构与性能的研究-高分子化学与物理专业论文.docx

摘要 摘要 I I 摘 要 随着人们环保意识的增强，水性涂料已成为涂料发展的主要方向。其中水性聚氨酯(PU) 乳液和水性聚丙烯酸酯(PA)乳液同其溶剂型产品相比，具有价廉、无毒和不污染环境等优点， 因此在涂料、胶黏剂、皮革、织物涂层等方面得到了广泛的应用。聚丙烯酸酯材料具有机械 强度高、耐老化、耐光不变黄、耐水性好等优点，但也存在着耐有机溶剂性、耐化学品、坚 韧性、耐磨性差，高温发粘、低温发脆等缺点。而聚氨酯材料具有优异的耐寒性、温度适应 性、弹性、耐有机溶剂等，但却在耐水性、保光性、自增稠性等方面具有缺陷。由于 PU 和 PA 在应用性能上具有一定的互补作用,所以将聚氨酯和聚丙烯酸酯二者有机结合起来以制 备新型 PUA 复合乳液已成为国内外的研究热点。 本论文通过平衡溶胀法和嵌段共聚法合成了一系列的 PUA 复合乳液，通过各种测试详 细分析了结构与性能之间的关系，并对其改性机理进行了探讨。论文的主要内容如下： 1.概述了水性聚氨酯近年来的发展和应用情况，对水性聚氨酯的制备方法进行了详细的 介绍。同时介绍了国内外近年来利用丙烯酸酯改性水性聚氨酯方法的研究进展情况，通过对 各种复合方法优缺点的比较分析，确定了本课题的研究意义及研究内容。 2.采用平衡溶胀法合成了系列的具有明显核壳结构的 PUA 复合乳液，考察了核壳之间 的比例、共聚单体中软硬单体的比例对乳液粒径、胶膜硬度、机械强度及吸水率的影响。通 过傅立叶红外光谱（FTIR）、差热分析（DSC）、热重分析（TG）、透射电镜（TEM）、光散 射粒度仪及表面水接触角测定仪等对对改性材料的结构进行了表征并详细分析了材料结构 与性能之间的关系。研究结果表明：采用平衡溶胀法制备出的丙烯酸酯改性水性聚氨酯乳液 具有清晰且稳定的核壳结构。聚丙烯酸酯的引入，可以使聚氨酯材料在耐水性、硬度、耐热 性等方面得以大幅度的提高,而丙烯酸酯单体中软硬单体的比例对材料的综合性能也有着很 大的影响. 3.采用嵌段共聚法制备了丙烯酸酯改性水性聚氨酯(PUA)复合乳液。我们采用巯基乙醇 做链转移剂，将甲基丙烯酸甲酯（MMA）和丙烯酸丁酯（BA）单体通过溶液自由基聚合合 成分子量在 6000 左右、含一个端羟基的聚丙烯酸酯大分子单体。通过傅立叶红外光谱谱图 (FTIR)的分析，能够证实目标端羟基大分子单体的合成并通过大分子单体的端基羟值的测定 计算出了其平均分子量。大分子单体与端异氰酸酯基亲水改性的聚氨酯预聚体反应获得聚丙 烯酸酯－聚氨酯－聚丙烯酸酯 A-B-A 型三嵌段共聚物，将此共聚物分散在水中获得嵌段聚 合物水基分散体。通过对 PUA 产物的核磁氢谱进行分析可知端羟基的聚丙烯酸酯大分子单 体与端异氰酸酯基亲水改性的聚氨酯预聚体的接枝率可以达到 80﹪以上，由此证实了该方 法的可行性。对 PUA 的研究结果则表明： (1)采用嵌段法制备的丙烯酸酯改性水性聚氨酯(PUA)乳液具有很好的稳定性。丙烯酸酯 的引入，可以使聚氨酯材料的接触角和耐水性均得以提高, 但存在峰值。 (2)通过对 PUA 复合材料傅立叶红外光谱谱图(FTIR)的分析，可知产物中既含有聚氨酯 组分, 又含有丙烯酸酯组分, 故改性的 PUA 复合乳液兼备了二者的优点。通过对 PU、PUA 的热失重（TGA）的测试可知，适量聚丙烯酸酯的添加可以有效的提高 PU 膜的分解温度， 改善聚氨酯材料的耐热性能。而 PUA 的 DSC 测试谱图则只显示出一个玻璃化转变温度 （Tg），由此可见，本实验中得到的 PUA 材料中 PU 与 PA 组分相容性良好，可形成均相体 系。 (3)通过对力学性能测试可知，随着聚丙烯酸酯量的增加，聚氨酯材料中硬段之间的作 用力减弱，导致膜的抗张强度和断裂伸长率均下降，硬度增强。而当 PA 量相同时，随着 MMA/BA 比值增加，薄膜的拉伸强度和硬度逐渐增加，断裂伸长率则逐渐降低。 4.经过对系列样的测试比较，我们认为当 PU:PA 为 4:1，PA 中 MMA:BA 为 4:6 时,PUA 复合乳液的综合性能最佳。 关键词：丙烯酸酯，水性聚氨酯，改性，平衡溶胀，嵌段共聚 Ab Abstract III III Abstract With the improvement of environment protection awareness, aqueous coating has been an important trend of coating development. Compared with other solvent products, polyurethane(PU) and polyacrylate with these advantages of low price and no poison, so