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改性水性聚氨酯技术进展

时间: 2011-07-25 04:33 来源: 作者: 点击:
聚氨酯材料具有良好的物理机械性能、优异的耐候性、弹性及软硬度随温度变化不大等优点。在许多领域都得到了广泛的应用。随着环保法律法规的健全和人们环保意识的加强,聚氨酯材料的水性化日益受到重视,水性聚氨酯的研究与开发具有重要的应用价值。为了更好的提高水性聚氨酯的综合性能,扩大应用范围,近年来改性水性聚氨酯研究已成为一大热点,许多研究学者进行了深入的研究,改性方法也日新月异。目前,改性方法大致可分为4种:(1)改进单体和合成工艺;(2)添加助剂;(3)实施交联;(4)优化复合。其中以优化复合最为引人注目。根据改性剂不同,水性聚氨酯乳液的改性主要有:环氧树脂改性、聚硅氧烷改性、丙烯酸改性、材料复合改性等。

1、环氧树脂改性水性聚氨酯

1.1环氧树脂的特点

环氧树脂(EP)具有许多优良的性能,如易固化、机械强度高、粘附力强、成型收缩率低、化学稳定性好、电绝缘性好、成本低,还具备高模量、高强度和热稳定性好等特点,早已成为应用广泛的热固性,在机械、电子、等领域发挥着日益重要的作用。但是,环氧树脂也存在一些突出缺点,如韧性差,抗冲击强度低,固化后质脆,从而限制了其在某些领域内的应用。环氧树脂具有仲羟基和环氧基,可以和异氰酸酯反应。经环氧树脂改性的水性聚氨酯其力学性能、粘接强度、耐水、耐溶剂等性能都会得到提高。

1.2环氧改性水性聚氨酯制备方法

环氧改性水性聚氨酯的制备方式主要有2种:即机械共混法和共聚法。共混法一般是先合成聚氨酯预聚体,再将适量的环氧树脂均匀分散在预聚体中,然后对混有环氧树脂的预聚体进行乳化,最终得到环氧树脂改性的水性聚氨酯乳液。机械共混法制得的环氧树脂改性水性聚氨酯乳液中,环氧树脂与聚氨酯之间没有化学键的结合,环氧树脂不具亲水性,而聚氨酯链中的羧基及聚醚链段对水具有亲和性,当两者在水中乳化时,环氧树脂被包覆在聚氨酯链中,有可能会形成一定的核-壳结构。共聚法主要是利用环氧树脂链两端的环氧基优先与聚氨酯预聚体进行共聚反应,其次是环氧树脂分子上的羟基参与其反应制成预聚体,再乳化于水。另外存在氨基甲酸酯基与环氧基发生开环反应,此方法为交联反应。

环氧树脂的加料工艺方式主要有3种:其一,环氧树脂与聚醚多元醇在反应初期加入到反应器;其二,环氧树脂与小分于扩链剂在反应中期一起加入到反应器;其三,环氧树脂与亲水扩链剂在反应后期一起加入到反应器中。

1.3环氧改性水性聚氨酯的应用及研究进展

环氧改性水性聚氨酯在胶粘剂、涂料上已有应用报道。郭俊杰等合成了用于粘接复合薄膜的环氧树脂改性水性聚氨酯胶粘剂,改性后的胶粘剂对多种复合薄膜都表现出较强的粘接性能,剥离强度进一步提高,外观、贮存稳定性良好,且在固体质量分数下降为30%后仍然具有较强的粘接性能。安徽大学曾通过环氧树脂与聚氨酯的接枝反应,合成了环氧改性聚氨酯乳液,用所得的乳液配制地板清漆气味小,漆膜光泽好,有一定的弹性,1天后实干,使用效果良好。

姜守霞等研究了环氧树脂在水性聚氨酯乳液中含量对性能的影响,研究发现加入环氧树脂后,产品的耐水性有明显的提高,随着环氧树脂含量的增加,硬度也增加,粘度呈上升趋势。

罗建光等发现:共聚法比机械共混法难于得到稳定的乳液。其原因可能是共聚法由于EP在预聚阶段生成了部分支链结构,使预聚体的粘度增大,影响了乳化;另外,共聚法制得的乳液中环氧基团在三乙胺的催化下开环,形成交联物而沉淀。
2、有机硅改性水性聚氨酯

2.1有机硅的特点

有机硅聚合物分子结构中含有元素硅,是属于半有机、半无机结构的高分子化合物,它们兼具有机化合物和无机化合物的特性,具有耐低温、耐气候老化、电绝缘、耐臭氧、憎水、难燃、生理惰性等许多优异性能。有机硅聚合物最显著的特点就是耐氧化性和低表面能,耐氧化性就是耐候性好,而低表面能会产生优良的疏水性。有机硅产品通常是指聚硅氧烷系列,包括非活性聚硅氧烷、活性聚硅氧烷、环氧基、羟基、氨基等改性聚硅氧烷。有机硅改性水性聚氨酯可以弥补水性聚氨酯耐水解性稍差的缺陷,使改性水性聚氨酯表现出良好的憎水性、表面富集性、低温柔顺性和优良的生物相容性。

2.2有机硅改性方法

有机硅改性水性聚氨酯同样是共混改性和共聚改性2种方法。共混可以通过水性聚氨酯乳液和聚硅氧烷乳液物理共混来实现。聚氨酯可以改善聚硅氧烷乳液的耐油性,而聚硅氧烷乳液可以改善水性聚氨酯的耐水和耐溶剂性能,两者共混可获得取长补短的效果。但由于乳化剂的存在,共混改性对最终成膜的性能有负面影响,共混改性仅仅是简单的机械混合,无化学键形成,硅油易于迁移,造成硅感时效短。共聚改性是有机硅改性水性聚氨酯最常用的方法,通过两端带有反应性官能团的聚硅氧烷低聚物(如羟基硅油、氨基硅油、氨基或烷氧基封端的硅烷偶联剂等)与多异氰酸酯经逐步加成、聚合而制得嵌段共聚物。

有机硅共聚改性水性聚氨酯制备方法主要有合成与扩链2种不同的方法。合成法是在合成预聚体过程中将羟基硅油或氨基硅油引入聚氨酯链段中。羟基硅油的反应活性适中,合成过程反应平稳,比氨基硅油好控制。扩链法是指在预聚体乳化的过程中引入氨基硅油扩链。

2.3有机硅改性水性聚氨酯的应用研究进展

有机硅改性水性聚氨酯可广泛应用于涂料工业、皮革工业、印刷工业、纺织工业等领域。

吴明元等用氨丙基聚硅氧烷与聚氨酯预聚体反应生成含硅氧烷的聚氨酯预聚体,通过NaH-SO3封闭NCO基并在水中分散,制得有机硅改性热反应型水性聚氨酯乳液。侯孟华等在无溶剂的条件下,采用扩链的方式制得氨基硅烷偶联剂改性的水性聚氨酯乳液,以此硅烷偶联剂改性的水性聚氨酯乳液制得的木器涂料,具有优良的耐水性、附着力和力学性能。刘鸿志等将TDI加到聚醚二元醇和端羟基有机硅单体的混合物中进行反应,生成的预聚体用1,4-丁二醇进行扩链反应,再经DMPA亲水扩链、中和、乳化,合成了有机硅改性聚氨酯乳液,研究表明,有机硅改性的水性聚氨酯材料其耐水性、耐热性和耐低温性有所提高。

3、丙烯酸酯改性水性聚氨酯

3.1丙烯酸酯化合物的特点

丙烯酸酯(PA)具有优异的耐光性、户外曝晒耐久性,即耐紫外光照射不易分解变黄,能持久保持原有的色泽和光泽,有较好的耐酸碱盐腐蚀,极好的柔韧性和最低的颜料反应性。

丙烯酸酯改性水性聚氨酯(PUA)可以将聚氨酯较高的拉伸强度和抗冲强度、优异的耐磨性与丙烯酸酯树脂良好的附着力、耐候性有机结合,可制备高固含量、低成本以及达到使用要求的水性树脂。
3.2丙烯酸酯改性水性聚氨酯的方法

关于丙烯酸酯改性水性聚氨酯的合成方法有很多介绍,这里仅简述共聚乳液的制备方法。

共聚乳液的制备方法主要有以下几种:(1)PU乳液和PA乳液共混,外加交联剂,形成聚氨酯-丙烯酸酯共混复合乳液;(2)先合成PU聚合物乳液,以此为种子乳液再进行丙烯酸酯乳液聚合,形成具有核-壳结构的PUA复合乳液;(3)2种乳液以分子线度互相渗透,然后进行反应,形成高分子互穿网络的PUA复合乳液。这些方法巧妙地提高了PU和PA的相容性。(4)合成带C=C双键的不饱和氨基甲酸酯单体,然后将该大单体和其它丙烯酸酯单体进行乳液共聚,得到PUA共聚乳液。

制备PU分散体和PA乳液的化学原理不同,前者是加成聚合,后者是自由基聚合,因此制备PUA分散体的关键是采用适宜的工艺过程将这两种不同的化学原理结合起来,使其形成具有核-壳复相结构的乳胶粒子。研究表明,为了制备核壳复相结构的高性能PUA分散体,既要采用独特的工艺,能使上述2种聚合机理有机结合起来,又要采用一些特殊的物料。近10多年来,研究者不断开发出适合于制备PUA分散体的新原料、新工艺。

3.3丙烯酸酯改性水性聚氨酯的研究进展

丙烯酸改性水性聚氨酯广泛用于皮革涂饰、涂料、粘合剂、织物涂层、印染等工业领域。谢维斌合成了一种丙烯酸改性水性聚氨酯并用于棉织物涂层,测试涂层棉织物表明,引入丙烯酸甲酯可提高涂层膜抗水性、增加涂层膜拉伸强度、引入丙烯酸羟乙酯有利涂层膜透气性,提高涂层膜伸长率。艾照全等研制一种聚氨酯改性丙烯酸酯为主体的含有多种功能基的水基型系列装潢装饰胶粘剂,可用作高频胶、热合胶和冷粘胶。陈文等合成了水性环氧丙烯酸酯树脂和水性聚氨酯丙烯酸酯,然后配制成具有优秀性能的水性UV固化木地板涂料,该水性UV固化材料具有无毒性、无污染、无刺激和生产安全等优点,在木地板涂料领域有广阔的应用前景。周建军等成功地制备了自交联PUA复合乳液,得到了无疑胶的核-壳结构(PA为核,PU为壳)胶乳,乳液稳定性较好,其做胶使用测试表明,粘接力、耐水性都较好。唐薰等合成了UV固化的水性阴离子型聚氨酯丙烯酸酯。合成的水性固化膜具有良好的附着力、高硬度(>6H)、高光泽度(>90%)、较高的拉伸强度(>29MPa),同时涂膜具有优良的耐水性、耐酸碱性和耐溶剂性,可以取代溶剂型的木地板光固化涂料。

4、有机硅丙烯酸酯双改性水性聚氨酯

将聚氨酯,丙烯酸酯,有机硅氧烷三元结合起来,制备水性材料,它综合了丙烯酸酯、聚氨酯、有机硅3种树脂材料的优点,而且以水作分散介质符合环保的要求。将3种有机地结合在一起,根据不同用途的要求、发挥其协同作用的优势,可以做成有皂或无皂乳液,用作纺织品的涂层剂和皮革涂饰剂。

有机硅丙烯酸酯双改性水性聚氨酯合成方法主要有两种,一种是先合成适量丙烯酸羟乙酯或丙烯酸羟丙酯封端的聚氨酯预聚体,再在乳化后的水性PU中加入引发剂、丙烯酸酯类单体、硅氧烷偶联剂的混合物,即制得有机硅丙烯酸酯双改性的水性聚氨酯。

另一种是先合成含硅聚氨酯预聚体,再加入丙烯酸酯类单体共混后在水中乳化,得到含溶胀丙烯酸酯单体的硅改性聚氨酯水分散体,然后向上述含溶胀丙烯酸酯单体的硅改性聚氨酯水分散体中,滴加引发剂进行乳液聚合,得有机硅改性丙烯酸聚氨酯乳液。
张晓镭等合成的有机硅丙烯酯水性聚氨酯聚合物综合了丙烯酸酯-聚氨酯-有机硅3种高分子化合物的优点,用在皮革涂饰剂中,克服了热粘冷脆的问题,有效解决了水性聚氨酯不耐湿擦的缺点。王海虹等采用乳液聚合的方法,制备了具有核-壳型结构的有机硅改性丙烯酸聚氨酯乳液,结果表明,经有机硅改性的丙烯酸聚氨酯乳液,在附着力、稳定性、硬度、光泽等方面有显著上升。王军兰等先合成水性聚氨酯乳液作为种子乳液,进而与丙烯酸酯及有机硅反应,得到无皂共聚乳液,将其用于织物上做涂层,应用试验表明各项性能较优;将其用作皮革涂饰剂,手感软,光泽亮,并有一定的防水效果。胡剑青等采用侧链含活性双键的自乳化水性聚氨酯作为乳化剂和反应物,利用分子复合技术,合成了聚氨酯-丙烯酸酯和有机硅互穿网络的杂合水分散体。获得的杂合水分散体兼具3种聚合物的性能优势。

5、纳米材料改性水性聚氨酯

纳米材料具有表面效应、小尺寸效应、光学效应、量子尺寸效应、宏观量子尺寸效应等特殊性质,可以使材料获得新的功能。目前对水性聚氨酯纳米改性的方法主要是用纳米材料机械共混。

HsuCK等合成了一种纳米碳管/水性聚氨酯(CNT/WPU)纳米,通过对纳米碳管进行修饰,在纳米碳管上引入NH2基,再与聚氨酯预聚体上的NCO基反应形成共价键,或是中和时,NH2基与聚氨酯预聚体上的COOH基结合形成共价键,从而得到了稳定的纳米碳管改性水性聚氨酯乳液。研究发现,这种水性聚氨酯乳液贮存稳定,胶膜的热稳定性提高了26℃,拉伸强度提高了370%,拉伸模量提高了170.6%。胡津昕等以水性聚氨酯为基体聚合物材料,利用高分子纳米微胶囊化技术实现对无机TiO2等微粒进行有效的原位包封,涂膜机械强度、韧性和抗老化性提高,加工性能改善。罗振扬等分别将纳米氧化铝(Al2O3)和纳米氧化铟锡(ITO)加入到水性聚氨酯树脂中,改善了水性聚氨酯涂膜的耐磨性能和隔热性能。冯利邦等成功合成了一种含有纳米硅氧化物的水性聚氨酯涂料,研究结果表明,纳米硅氧化物的引入,可以显著改善聚氨酯漆膜表面硬度、热稳定性、耐候性及耐水和耐有机溶剂性。赵石林等通过共混法制备了纳米SiO2改性水性聚氨酯UV屏蔽透明涂料。施永建等利用丙烯酸改性水性聚氨酯合成了综合性能优异的水性PUA,以此为成膜物,以纳米Al2O3为填料,采用共混法制得了耐磨性能优异的纳米Al2O3复合涂料;改用纳米ITO为填料则制得了具有良好隔热性能的纳米复合涂料。

6、展望

随着水性聚氨酯更广泛、更深入的应用,对其性能的要求也进一步提高,今后的水性聚氨酯将朝着高科技含量、高性能、多功能性方向发展。实践证明,环氧树脂、有机硅、丙烯酸酯以及纳米材料复合改性都可以很好的提高水性聚氨酯的综合性能。今后应进一步加强复合改性技术的理论研究,深入研究各种因素对复合改性性能的影响,以便把产品做的更好。还要充分利用聚氨酯分子的可设计性,探索新的合成方法和工艺,在聚氨酯链上引入特殊功能的分子结构,以获得具有更多功能的聚氨酯复合乳液。同时应重视应用技术的研究,加速复合改性水性聚氨酯的生产和推广,这将具有重要的实践意义。随着经济的发展和水性聚氨酯消费需求的增大,以及科研人员的努力,高性能的复合改性水性聚氨酯必将取得长足的发展。(end)

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