聚酯型水性聚氨酯的合成和性能研究

寧勝堯　張玉紅　何培新

摘要：以甲苯二異氰酸酯（TDI）、聚酯二元醇、二羥甲基丙酸等為主要原料合成了聚酯型水性聚氨酯乳液。研究了三羥甲基丙烷（TMP），二羥甲基丙酸（DMPA），異氰酸酯基與羥基物質(zhì)的量比（nNCO/nOH）等對水性聚氨酯耐水性能、穩(wěn)定性以及力學(xué)性能等的影響。結(jié)果表明，當(dāng)nNCO/nOH為2，DMPA含量為6%，TMP加入量0.6%，水性聚氨酯性能最佳。

關(guān)鍵詞：水性聚氨酯（WPU）；TMP；吸水性；力學(xué)性能

隨著人們環(huán)保意識的提高以及對溶劑型涂料的控制越來越嚴(yán)格，開發(fā)無溶劑無污染的綠色涂料顯得越發(fā)重要[1～4]。聚酯型WPU因低污染、不易燃以及來源方便，在汽車內(nèi)飾、房屋裝修、紡織物整理等方面被廣泛應(yīng)用[5，6]。但由于其耐水性差、力學(xué)性能不能達到要求，使其使用受到限制。本實驗以TMP為交聯(lián)劑制備了聚酯型WPU。探討了NCO/OH物質(zhì)的量比、DMPA用量和TMP用量對WPU吸水性和力學(xué)性能的影響。

1 實驗部分

1.1 主要試劑

聚酯二元醇，工業(yè)級，煙臺萬華聚氨酯股份有限公司；二羥甲基丙酸（DMPA），化學(xué)純，上海國藥集團；三羥甲基丙烷（TMP），分析純，科密歐化學(xué)試劑開發(fā)中心；2，4-甲苯二異氰酸酯（TDI），工業(yè)級，武漢市江北化學(xué)試劑廠；三乙胺（TEA）、1、4-丁二醇（BDO）、二丁基二月桂酸錫，均為分析純，上海國藥集團；丙酮，分析純，湖北奧升新材料科技有限公司。

1.2 WPU的制備

在四口燒瓶內(nèi)加入經(jīng)過真空脫水處理的聚酯二元醇、TDI和適量催化劑，在85 ℃反應(yīng)1.5 h。降溫至75 ℃加入適量丙酮降低黏度，加入一定量的DMPA反應(yīng)2 h，再加入計量好的TMP保溫反應(yīng)2 h，冷卻至30 ℃，用與DMPA等摩爾量的TEA進行中和30 min，在高速攪拌下加入含有一定量BDO的去離子水，反應(yīng)45 min制得WPU乳液。

膠膜的制備：制備好的乳液在四氟乙烯板上流延成膜，在室溫下放置4 h，再放入50 ℃烘箱中干燥20 h取出，備用。

1.3 性能測試

1）吸水性能

準(zhǔn)備質(zhì)量為W0的膠膜放入水中浸泡24 h，取出并擦凈膠膜表面殘留液體，稱其質(zhì)量為W1。吸水性用下式計算：吸水性=（W1-W0）/W0×100%。

2）斷裂伸長率和拉伸強度

使用CMT4104電子拉力試驗機，按照GB 9856.1—1996制得啞鈴狀樣條，按照GB/T 1040—1992測得膠膜的斷裂伸長率和拉伸強度，拉伸速度為200 mm/min。

3）乳液穩(wěn)定性

采用TGL-16C高速離心機，調(diào)節(jié)轉(zhuǎn)速3 000 r/min，離心10 min后，通過沉淀量判斷乳液穩(wěn)定性。

2 結(jié)果與討論

2.1 DMPA含量對吸水性的影響

DMPA含親水基團，其羧基容易和水形成氫鍵，水分子易被親水鏈段吸附使其發(fā)生膨脹。因此DMPA的用量對WPU膠膜吸水性有很大影響。選擇nNCO/nOH值為2，改變DMPA加入量，WPU膠膜的吸水性如圖1所示1。

從圖1可知隨著DMPA含量的增加，膠膜吸水性越來越高，即耐水性越來越差。如果DMPA含量過低會使乳液不穩(wěn)定而且外觀性能差，且黏度增大[6，7]，不易乳化，所以DMPA含量6%較好。

2.2 DMPA對膠膜拉伸強度的影響

同樣選擇nNCO/nOH為2，改變DMPA含量，膠膜拉伸強度如圖2所示。

在WPU鏈段結(jié)構(gòu)中，聚酯二元醇構(gòu)成軟段，TDI構(gòu)成硬段[6]。隨著親水?dāng)U鏈劑的加入，WPU鏈段結(jié)構(gòu)中硬段含量增高，分子間作用力增大，導(dǎo)致拉伸強度增加。但是隨著DMPA增大到一定程度，由于硬段含量太高導(dǎo)致分子鏈運動困難，使其拉伸強度又有所下降。

2.3 nNCO/nOH對膠膜吸水性的影響

DMPA含量為6%，nNCO/nOH值對膠膜吸水性的影響見圖3。

由圖3可知，隨著nNCO/nOH值的增大，聚氨酯膠膜的吸水性也隨之增大，同時使得聚氨酯鏈段中硬段含量比例增大，聚氨酯鏈段中的氨基甲酸酯的極性增大[7]，使得膠膜吸水性增加。

2.4 nNCO/nOH對膠膜力學(xué)性能的影響

DMPA含量為6%，改變nNCO/nOH值，對WPU力學(xué)性能的影響見圖4。

由圖4可知，隨著nNCO/nOH的增大，膠膜的拉伸強度越來越大，斷裂伸長率越來越小。膠膜的強度是由分子鏈段中的硬段決定的，柔韌性則是由分子鏈段中的軟段決定[1，8]。當(dāng)nNCO/nOH增大時，分子鏈段中硬鏈段比例增大，拉伸強度增大。當(dāng)體系中nNCO/nOH過大時，多余的NCO容易在乳化時和水反應(yīng)生成取代脲，容易發(fā)生交聯(lián)，這也可以增大膠膜的拉伸強度。

2.5 nNCO/nOH對乳液外觀和穩(wěn)定性的影響

DMPA含量為6%，改變nNCO/nOH對乳液性能和穩(wěn)定性的影響見表1。

WPU乳液顏色外觀的變化是由粒徑的大小引起的，粒徑的大小還影響乳液的穩(wěn)定性。由表1可以看出，隨著nNCO/nOH增大，乳液粒徑隨之增大。但當(dāng)nNCO/nOH>5時，乳液穩(wěn)定性變的很差，這是由于nNCO/nOH增大到一定值，多余的NCO與水反應(yīng)生成取代脲基團，并發(fā)生交聯(lián)，產(chǎn)生沉淀[7，8，9]。

2.6 TMP加入量對乳液外觀和穩(wěn)定性的影響

選擇nNCO/nOH為2，DMPA含量為6%，加入交聯(lián)劑TMP對WPU進行改性。TMP的加入量對乳液外觀和穩(wěn)定性的影響見表2。

由表2可以看出，隨著TMP加入量的增大，乳液的穩(wěn)定性變差。TMP是含有3個-OH的多元醇，-OH與-NCO 可以形成交聯(lián)結(jié)構(gòu)[4，10]，隨著TMP加入量的增大，體系的網(wǎng)狀結(jié)構(gòu)增加，乳液分散能力減弱，形成沉淀。TMP過量時還容易發(fā)生爬桿現(xiàn)象。

2.7 TMP加入量對膠膜吸水性的影響

保持體系內(nèi)nNCO/nOH為2，DMPA含量為6%。TMP含量對WPU膠膜吸水性的影響如圖5所示。

由圖5可知，當(dāng)體系中加入交聯(lián)劑TMP時，膠膜的吸水性降低。這是由于TMP的加入，使體系交聯(lián)程度增加[9，10]，分子結(jié)構(gòu)從線性變成網(wǎng)狀結(jié)構(gòu)[9]，使得水分難以進入TMP改性的聚氨酯膠膜中。

2.8 TMP加入對膠膜力學(xué)性能的影響

保持體系內(nèi)nNCO/nOH為2，DMPA含量為6%。TMP的含量對WPU膠膜拉伸強度的影響如圖6所示。

由圖6可知，隨TMP加入量增加，膠膜拉伸強度增大。聚氨酯分子為線性結(jié)構(gòu)，隨著TMP加入量增大，分子鏈段交聯(lián)程度提高，故拉伸強度增強[1，10，11]。

3 結(jié)論

通過改變體系的nNCO/nOH值、DMPA及TMP含量，對所制備的聚酯型WPU進行吸水性、力學(xué)性能等測試。測試結(jié)果表明：合適的DMPA含量為6%，nNCO/nOH值為2。通過添加交聯(lián)劑TMP，使聚氨酯膠膜的拉伸強度提高，吸水性降低。TMP合適的加入量為0.6%。

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