有机硅改性水性聚氨酯-聚丙烯酸酯乳液的研究

有机硅改性水性聚氨酯-聚丙烯酸酯乳液的研究

摘要:

以聚酯多元醇、异佛尔酮二异氰酸酯、甲基丙烯酸甲酯等为原料,合成了水性聚氨酯丙烯 酸乳液,加入含侧氨基和不饱和双键的有机硅氧烷进行扩链改性,得到了一系列有机硅改性的聚氨酯丙烯酸乳液。对得到的产物进行了表征,对改性前后的体系涂膜 的性能进行了比较,结果表明,用有机硅改性的聚氨酯丙烯酸乳液形成的涂膜接触角更大、附着力更强、具有更好的耐水性,但硬度稍有下降。



1. 引言

水性聚氨酯(WPU)涂料有良好的物理机械性能和优良的耐寒性。但是单一的PU乳液存在自 增稠差、固含量低、耐水性差、机械强度不如丙烯酸树脂等缺点,且成本较高。而聚丙烯酸酯(PA)乳液在性能上能与聚氨酯乳液形成互补,所以将聚氨酯乳液和 聚丙烯酸乳液复合制备水性聚氨酯-丙烯酸酯(PUA)乳液,兼有聚氨酯和聚丙烯酸酯乳液的优点,有很好的应用前景。有机硅树脂表面能低,耐水性、耐候性以 及透气性优良,已经广泛用于聚氨酯改性,采用合适化学方法用有机硅对水性聚氨酯-聚丙烯酸酯进行改性,可以得到有良好耐水性以及力学性能的涂膜。本文在聚 氨酯链段上引入了几种有机硅氧烷,对得到的产物进行了表征及性能对比,制得了具有优良耐水性及力学性能的聚氨酯-聚丙烯酸酯乳液[1-2]



1实验



1.1原料



异佛尔酮二异氰酸酯(IPDI)、己内酯二元醇(PCL)(Mn=2000):工业品,拜 耳公司;1,4-丁二醇(BDO):化学纯,上海凌峰化学试剂公司;二羟甲基丙酸(DMPA):工业品,进口;三羟甲基丙烷(TMP):试剂级,上海试剂 一厂;N-甲基吡咯烷酮(NMP)、三乙胺(TEA)、乙二胺(EDA)、丙酮:分析纯,湖北大学化工厂;有机硅Z-6011、有机硅Z-6020、有机 硅Z-6032:道康宁公司。



1.2合成工艺



1.2.1PU乳液的合成



将聚酯多元醇进行脱水处理后加入到装有搅拌器、冷凝管、温度计的四口烧瓶中,水浴升温到 75～80℃后,加入IPDI,开动搅拌反应1.5～2h,后加入1,4-丁二醇,80℃反应1～1.5h,然后降温到70℃加入二羟甲基丙酸(溶于 NMP中)和三羟甲基丙烷,反应2～3h,期间注意用丙酮调节黏度,后降温至50℃以下,加入有机硅后再加三乙胺中和15～20min,出料,在高速剪切 下于去离子水中乳化分散,加入乙二胺扩链。减压脱去溶剂,最后得到半透明的带蓝光的PU乳液。



1.2.2PUA乳液的合成



将PU乳液、乳化剂、水混合后置于四口烧瓶中,搅拌加入含有引发剂AIBN的BA溶液,预乳化一段时间于80℃聚合3h,再升温至90℃反应1h,降至室温,出料,得到PUA乳液。



1.3乳液的成膜性能测试



(1)耐水性测试[3]:取适量的乳液涂在聚四氟乙烯板上,室温干燥7d成膜,将膜剪成2cm×2cm的小块,称质量(m0),然后在水中浸泡一定时间,取出后吸干表面上的液体,称质量(m1)。计算膜的吸水率:



吸水率=(m1-m0)/m0×



用上海中晨数字技术设备有限公司JC2000C1型静滴接触角测量仪测量接触角;



(2)硬度测试:根据GB/T1730—1993,使用QYB型漆膜摆杆硬度计测量;



(3)附着力测试:根据GB1720—1979(1989)测量;



(4)柔韧性测试:根据GB/T1731—1993测量;



(5)乳液稳定性测试:将乳液放入90℃烘箱中5h,然后立刻放进0℃冰箱中5h,如此反复10次,观察是否有沉淀产生;



(6)乳液黏度测试:使用Brookfield公司DV-Ⅱ+型旋转黏度计,选择2号转子,转速为80r/min;



(7)红外光谱测试:使用BRUKER公司VECTOR33型傅里叶变换红外光谱仪。



2结果与讨论



2.1产物的红外光谱分析



本实验中使用了Z-6011、Z-6020、Z-60323种有机硅氧烷对聚氨酯-聚丙烯酸酯体系进行改性,这3种硅氧烷的结构如式1。

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