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    改性水性聚氨酯涂料的研究進展

    2013-08-15 00:47:35焦鋒剛
    商洛學院學報 2013年2期
    關鍵詞:改性

    于 艷,焦鋒剛

    (1.商洛學院 化學與化學工程系,陜西商洛 726000;2.延長石油榆林煤化有限責任公司,陜西榆林 719000)

    聚氨酯(又稱聚氨基甲酸酯)是指分子主鏈結構中含有氨基甲酸酯(-NHCOO-)重復單元的高分子聚合物[1],通常由多異氰酸酯與含活潑氫的聚多元醇反應生成。水性聚氨酯(WPU)是以水代替其他有機溶劑作為分散介質的聚氨酯體系,形成的WPU乳液及其膠膜具有優(yōu)異的機械性能、耐磨性、耐化學品性和耐老化性等特點,可廣泛用于輕化紡織、皮革加工、涂料、建筑和造紙等行業(yè)[2]。

    隨著世界各國對環(huán)境保護的日益重視,越來越多的學者致力于水性聚氨酯涂料的開發(fā),有效限制揮發(fā)性有機溶劑的毒害性。雖然水性聚氨酯具有一些優(yōu)良的性能,但仍有許多不足之處。如硬度低、耐溶劑性差、表面光澤差、涂膜手感不佳等缺點。由于水性聚氨酯在實際應用中存在諸多問題,因此需要對其進行改性[3]。其改性方法主要包括環(huán)氧樹脂改性、丙烯酸酯改性、有機硅改性、納米材料改性、復合改性等。本文綜述了近年來雙組分水性聚氨酯的發(fā)展及改性水性聚氨酯涂料研究的新進展,并對未來研究方向做出展望。

    1 雙組分水性聚氨酯涂料

    雙組分水性聚氨酯涂料是由含有活潑異氰酸根的固化劑和含有可與異氰酸根反應的活潑氫的水性聚氨酯組成。通過分子中兩個或兩個以上羥基之間的加成反應生成氨基甲酸乙酯基團,在反應過程中成膜并形成交聯(lián)結構。雙組分溶劑型聚氨酯涂料和水性聚氨酯涂料結合起來,可以形成一種環(huán)境友好型涂料[4-5]。

    目前,研究較多的是采用分散體多元醇(又稱第二代水性羥基樹脂)制備水性聚氨酯。該多元醇的制備方法是:首先在有機溶劑中合成含有親水離子或非離子鏈段的樹脂,然后將樹脂熔體或溶液分散在水中即得到。采用聚氨酯多元醇分散體制備的雙組分涂料具有良好的綜合性能,涂膜外觀好,具有優(yōu)異的物理機械性、耐化學品性能和耐磨性,并可通過調整氨基甲酸酯鍵的多少來確定涂膜性能。因此,聚氨酯多元醇分散體是理想的雙組分聚氨酯涂料的羥基組分。

    張旭東等[6]以異佛爾酮二異氰酸酯,聚醚二元醇,二羥甲基丙酸(DMPA),三羥甲基丙烷(TMP)為原料制備端-NCO聚氨酯預聚體,再用二乙醇胺(DEA)封端引入羥基,合成雙組分水性聚氨酯的聚氨酯多元醇分散體組分。研究發(fā)現:當DMPA質量分數為6%-6.5%,DEA質量分數為7.61%,TMP質量分數為3%-5%,nNCO:nOH為1.5-1.7時,涂膜的耐溶劑性、耐水性、光澤度、硬度等最佳。吳勝華等[7]研究了雙組分丙烯酸乳膠多元醇和親水改性1,6-己二異氰酸酯(HDI)三聚體混合體系。結果表明:當羥基含量為2.3%,軟硬單體比為1:1,多異氰酸酯固化劑與羥基樹脂的-NCO:-OH為1.2-1.4時,所得的涂膜性能良好。將該涂膜與雙組份溶劑型聚氨酯涂膜進行了性能比較,其綜合性能接近相應的雙組分溶劑型聚氨酯涂膜,且VOC含量大大降低,符合環(huán)保要求。盧翔等[8]以三羥甲基丙烷三丙烯酸酯(TMPTA)為內交聯(lián)單體,采用種子乳液聚合與交聯(lián)單體分段滴加工藝合成羥基聚丙烯酸酯乳液,并制備成水性雙組分聚氨酯涂料。性能測試表明,當TMPTA添加量為單體總質量的2%時,乳液聚合穩(wěn)定性好,凝膠率僅為0.26%;涂膜的硬度、交聯(lián)度和光澤度的綜合性能較好。Zhou Xinhua等[9]采用水溶性丙烯酸樹脂和1,6-己二異氰酸酯(HDI)縮二脲混合后用水稀釋制備了雙組分水性聚氨酯。實驗表明聚合物具有核-殼結構,HDI縮二脲與丙烯酸樹脂12 h可完全反應。考察了丙烯酸樹脂含量對雙組分水性聚氨酯性能的影響,結果表明:丙烯酸樹脂和HDI縮二脲混合后的極性是影響雙組分水性聚氨酯交聯(lián)度的關鍵因素。唐進偉等[10]認為二苯基甲烷二異氰酸酯(MDI)型水性固化劑將開創(chuàng)雙組分水性聚氨酯涂料發(fā)展新局面。MDI固化劑兩個-NCO基團分別與苯環(huán)連接,通過單體選擇、催化加氫、或改變苯環(huán)結構等方法控制其-NCO的活性,甚至能與脂肪族異氰酸根相媲美,可用于聚氨酯水性固化劑中。

    2 水性聚氨酯涂料的改性

    2.1 丙烯酸酯改性

    聚丙烯酸酯類材料與聚氨酯材料相比,在耐水、耐溶劑、耐候及保光性等方面表現出很好的性能,而聚氨酯樹脂在強度、彈性及粘接性能等方面性能突出,因此它們的結合有很好的互補作用,通過改性后水性聚氨酯材料兼具兩者之綜合性能[11]。丙烯酸酯類(PA)對水性聚氨酯(PU)的改性方法主要有化學改性和物理改性?;瘜W改性是將PA加入PU乳液中,再經過引發(fā)劑進行自由基聚合而制得的復合乳液(PUA)?;瘜W改性中制備核-殼結構是一種有效的方法,其機理在PU微膠粒外表面具有親水性離子基團,PA微粒具有疏水性基團并呈反方向由外向內溶脹到PU微粒內發(fā)生聚合,形成以PU為殼、PA為核的核-殼結構乳膠粒。物理改性是將PA與PU進行物理共混,提高材料的機械性能。采用物理法改性要求所用的PA乳液的離子穩(wěn)定性好,并且對溶劑有較好的親和性,否則可能會發(fā)生破乳。除此之外,紙杯PUA復合乳液還可以通過交聯(lián)或者互穿網絡(IPN)等方法。交聯(lián)型復合乳液制備工藝復雜,可分為共混法、封端法及接枝法等?;ゴ┚W絡指PA和PU分別以線性和網絡形式存在,不存在分子鏈之間的纏結。

    王海僑等[12]采用種子乳液聚合法,以雙丙酮丙烯酰胺、丙烯酸羥乙酯為功能單體,以己二酸二酰肼和含多異氰酸酯基的聚氨酯為固化劑,制備了酮肼、異氰酸酯基雙重自交聯(lián)型聚氨酯-丙烯酸酯復合乳液。研究發(fā)現,復合乳液成膜后的交聯(lián)度可達90%以上,且硬度、耐水、耐有機溶劑性等顯著提高,具有良好應用性能。Wang Xin等[13]首先在聚氨酯主鏈上引入丙烯酸基,然后用銻摻雜氧化錫(ATO)納米粒子進行超聲分散制備了多功能水性聚氨酯涂料。通過紅外光譜(IR)、透射電子顯微鏡(TEM)和X射線光電子能譜(XPS)和熱重分析(DTG)等對涂料的結構和性能進行分析。實驗表明,WPUA/ATO涂料具有良好的力學性能和熱穩(wěn)定性。WPUA/ATO涂料可以吸收近紅外輻射,這樣它將防止熱傳輸和熱擴散有效。梁飛等[14]采用丙烯酸酯改性制備了具有核-殼結構的水性聚氨酯乳液,并通過IR、TEM、DSC等對乳液的形態(tài)及結構進行表征;研究聚合溫度、丙烯酸酯加入量、引發(fā)劑種類及加入量對乳液和涂膜性能的影響。結果表明,制備的PUA復合乳液產品具有核-殼結構,聚合溫度在70℃-75℃,采用油溶性引發(fā)劑偶氮二異丁腈,用量為2.0%-2.5%時,得到性能較佳的乳液,PUA涂膜耐水性、穩(wěn)定性以及力學性能有明顯改善。Parmar[15]等采用環(huán)氧-丙烯酸酯與PU接枝共聚制備了改性PUA乳液。結果表明,改性后乳液及其膠膜的電化學性能和力學性能明顯提高。傅和青[16]等以三羥甲基丙烷(TMP)為交聯(lián)劑,采用EP改性PU,再加入甲基丙烯酸甲酯(MMA)發(fā)生自由基乳液聚合,聚氨酯環(huán)氧樹脂-丙烯酸酯(WPUEA)雜合分散體。結果表明,采用環(huán)氧樹脂EP和MMA改性WPU,制取的EP/PUA分散體性能優(yōu)異,改性后的WPUEA膠膜具有較好的力學性能和耐溶劑性。

    2.2 環(huán)氧樹脂改性

    環(huán)氧樹脂(EP)材料具有力學性能高、粘結力強、穩(wěn)定性好及加工性能優(yōu)良等優(yōu)點,且含有活潑的環(huán)氧基,能直接參與PU的反應[17]。常見環(huán)氧改性是環(huán)氧樹脂的羥基與異氰酸酯基反應,使PU和EP之間的網絡間產生一定的化學鏈接,形成互穿網絡結構,以提高PU涂膜的機械性能、耐溶劑性、耐水性和耐熱性等。EP改性常采用的方法有機械共混法和共聚法。EP和PU的機械共混無化學鍵的結合,利用EP的疏水性作用和PU的羧基以及聚醚鏈段的親水性作用,使PU包覆EP以達到改性的目的。而共聚法是將EP接枝反應到PU鏈上??傊?,共混法形成的乳液比共聚法具有更好的穩(wěn)定性。

    Qu Jinqing[18]以EP、聚醚、甲苯二異氰酸酯(TDI)和二羥甲基丙酸(DMPA)為主要原料制備了水性聚氨酯涂料。研究表明水性聚氨酯涂膜的硬度和抗拉強度隨環(huán)氧值樹脂的環(huán)氧值的降低而增加,而斷裂伸長率隨著降低。實驗中采用后添加樹脂的方式,提高了水性聚氨酯乳液的穩(wěn)定性。性能測試表明,經過環(huán)氧樹脂改性后的水性聚氨酯具有涂抹硬度高,耐溶劑性好等優(yōu)點。黃先威等[19]研究了改性劑EP用量、加入方式、反應溫度等因素對乳液穩(wěn)定性的影響,分析了影響涂膜性能的因素,實驗結果表明當EP的質量分數超過7%時,預聚體粘度過大,且乳液穩(wěn)定性變差??赡芤驗殡SEP量增加,乳膠粒之間形成的交聯(lián)物增多而沉淀。王煥等[20]選用環(huán)氧樹脂E-44為改性劑,以異佛爾酮二異氰酸酯(IPDI)、二羥甲基丙酸(DMPA)、聚酯多元醇(POL-220)、聚醚多元醇(PPG-220)等為實驗原料合成了一系列環(huán)氧樹脂改性水性聚氨酯乳液。研究了環(huán)氧樹脂、DMPA和聚酯多元醇加入量對乳液和膜性能的影響。實驗結果表明:改性后樹脂力學性能、聚合物膜的熱性能和耐水性均有提高。當W(聚酯)=20.0%,W(DMPA)=3.9%,W(E-44)=8%時,改性水性聚氨酯綜合性能最佳。李偉等[21]以異氟爾酮二異氰酸酯(IPDI)、聚己二酸-1,4-丁二醇酯(PBA)、六亞甲基二異氰酸酯(HDI)為主要實驗原料,以1,4-丁二醇為小分子擴鏈劑,以乙二胺基乙磺酸鈉為親水性擴鏈劑,采用環(huán)氧樹脂E-51作為改性劑,制備了固含量為50%的環(huán)氧樹脂改性磺酸鹽型水性聚氨酯乳液(SWPU)。實驗討論了環(huán)氧用量對乳液的粒徑及其分布和對膠膜力學性能的影響;采用DTG、IR、NMR等檢測手段對膠膜的結構和熱穩(wěn)定性等進行分析。結果表明:環(huán)氧樹脂的羥基和環(huán)氧基團參與了反應,并生成了水性聚氨酯新結構;隨著環(huán)氧用量的增加,乳液的粒徑分布變寬;當環(huán)氧用量低于4%時,拉伸強度明顯增加;膠膜的熱穩(wěn)定性隨環(huán)氧用量的增加而增加。

    2.3 有機硅改性

    聚硅氧烷是以重復的硅氧鍵為主鏈,硅原子上連接有機基團的聚合物。通常將硅烷單體及聚硅氧烷統(tǒng)稱為有機硅。有機硅具有耐燃、耐候、耐水、穩(wěn)定性好等優(yōu)點。研究學者把聚氨酯和聚硅氧烷的優(yōu)點結合起來得到了性能優(yōu)異的材料。

    殷錦捷等[22]采用有機硅和環(huán)氧樹脂復合改性聚氨酯涂料,探討了聚氨酯預聚體的單體甲苯二異氰酸酯(TDI)和聚醚二元醇(DL2000)的合適配比,改性劑的加入量,及反應時間、反應溫度等因素對改性結果的影響。并對復合改性涂膜進行表征。結果表明,改性后產品涂膜力學強度、附著力、吸水率、熱穩(wěn)定性和耐酸堿性等指標均有很好的改善。高明志等[23]采用乳液聚合方法制備了具有核-殼結構的有機硅改性水性聚氨酯-丙烯酸酯復合乳液。全反射紅外光譜及表面光電子能譜分析表明聚氨酯-丙烯酸酯分子鏈中已經化學鍵入有機硅鏈段,并且硅氧烷鏈段有表面富集的趨勢。另外,隨著有機硅含量的增加膠膜的水接觸角增大,耐水性提高??祱A等[24]采用丙酮法合成了有機硅改性WPU(水性聚氨酯)乳液。結果表明:硅烷偶聯(lián)劑 (KH-550)和二羥甲基丙酸(DMPA)的加料方式對水性聚氨酯乳液穩(wěn)定性影響較大;當W(DMPA)=3%-5%時,水性聚氨酯乳液的穩(wěn)定性及其膠膜的耐水性較好。吳曉波等[25]制備了改性水性聚氨酯(PUDS)乳液及其涂膜。實驗結果表明,有機硅能接入到水性分子鏈上,乳液的穩(wěn)定性和耐熱性良好。在一定范圍內提高氨基硅油含量,產物的硬度和熱分解溫度增加,吸水率降低。在氨基硅油含量為6%-9%時,改性產物具有最佳的綜合性能。宋建華等[26]采用二步法合成了環(huán)氧基四配位硅(ETCS)改性水性聚氨酯。結果表明,制備的乳液呈藍光半透明,粒子半徑小,穩(wěn)定性好;涂膜具有耐熱性高、吸水率低的特點。采用ETCS作為擴鏈劑合成的水性聚氨酯各方面性能均有提高。

    2.4 多元改性的方法

    方振華等[27-28]以異佛爾酮二乙氰酸酯(IPDI)、聚乙二醇(PEG)、二羥甲基丙酸(DMPA)和丙烯酸羥乙酯(HEA)為主要原料,使用三聚氰胺作為改性劑,制備了新型聚氨酯紫外光固化涂料(UVWPU)。采用差示掃描量熱法(DSC)和熱重分析 (TGA)和機械測試等對涂料的性能進行測試。結果表明,改性UV-WPU涂膜具有良好的耐高溫,耐水性和力學性能。三聚氰胺的最佳用量為4.7%,改性后涂膜玻璃化轉變溫度(Tg)的增加了20.4℃和失重溫度增加了105℃。另外,此研究團隊還采用雙酚A對UV固化水性聚氨酯涂料改性,實驗研究了雙酚A改性對乳液及涂膜性能的影響。結果表明,DMPA用量增加乳液貯存穩(wěn)定性增加,平均粒徑隨DMPA含量的增大而變小;雙酚A改性后的UVWPU固化膜各方面性能均有提高。Zhang Sigang等[29]采用微晶纖維素對水性聚氨酯進行改性,實驗中以電動電勢和大小的數量分析親水性基團,發(fā)現分子鏈親水越強,導致分散粒子的更容易,提高了乳液的穩(wěn)定性。于義田等[30]以蓖麻油,聚醚二醇(PPG220),甲苯二異氰酸酯(TDI),二月桂酸二丁基錫(DBTDL),二羥甲基丙酸(DMPA)、環(huán)氧樹脂(E-44),丙烯酸羥乙酯 (HEA),三羥甲基丙烷(TMP),環(huán)氧改性丙烯酸,甲基丙烯酸甲酯(MMA),丙烯酸丁酯(BA),三乙醇胺(TEA),乙二胺(EDA)。進行了環(huán)氧改性水性丙烯酸聚氨酯涂料的研究。利用環(huán)氧樹脂具有高模量、高強度和耐化學性好等優(yōu)點,可直接參與水性聚氨酯的合成反應,另外在丙烯酸酯乳液聚合部分也接入了環(huán)氧樹脂,使之部分形成網狀結構,最后合成的環(huán)氧改性水性PUA樹脂的耐水性、耐磨性、耐醇性等得到明顯改變。從制得的水性木器涂料性能檢測結果可以看出,硬度達到H,耐磨性優(yōu)良,突破了單組分水性聚氨酯木器涂料涂膜軟、耐水性、耐醇性差的缺點,可廣泛應用于高性能的水性木器家具涂料中。

    趙靜等[31]研究了酮肼交聯(lián)及硅烷偶聯(lián)雙重改性水性聚氨酯。用二乙醇胺(DEA)和雙丙酮丙烯酰胺(DAAM)發(fā)生邁克爾加成反應合成新型聚氨酯擴鏈劑DDP(N-[(1,1-二甲基-2-乙酰基)乙基]-β-二羥乙氨基丙酰胺)。以三羥甲基丙烷(TMP)、聚四氫呋喃二醇(PTMG1000)、異佛爾酮二異氰酸酯(IPDI)、二羥甲基丙酸(DMPA)等為主要原料,在采用γ-氨基丙基三乙氧基硅烷(KH550)封端改性聚氨酯的基礎上,以含酮羰基二元醇N-[(1,1-二甲基-2-乙?;?乙基]-β-二羥乙氨基丙酰胺(DDP)以及1,4-丁二醇(BDO)為擴鏈劑,制備側鏈含酮羰基的聚氨酯乳液。通過加入己二酸二酰肼(ADH),室溫條件下制得自交聯(lián)酮肼交聯(lián)及硅烷偶聯(lián)雙重改性水性聚氨酯乳液。結果表明,乳液不但表現出很好的穩(wěn)定性和耐水性,而且酮肼交聯(lián)結構的引入提高了涂膜的熱穩(wěn)定性。Han Yafang等[32]采用亞麻籽油對水性聚氨酯涂料進行改性,研究亞麻籽油氨解作用中反應時間和反應溫度等因素對水性聚氨酯涂料結構和性能的影響。實驗對反應溫度在102℃-118℃之間,反應時間80 min條件下形成的水性聚氨酯涂料結構進行了紅外光譜分析。結果表明,改性后的涂料接觸干燥時間明顯縮短,并且在室溫條件下穩(wěn)定期可達到3個月。

    3 展望

    隨著對水性聚氨酯合成的進一步研究,雙組分多元醇分散體合成水性聚氨酯涂料將會變得易于施工,能滿足一些特殊用途。對水性聚氨酯涂料的研究可進一步發(fā)展高性能、無缺陷水性聚氨酯涂料體系。依靠聚氨酯分子的可裁剪特性引入特殊功能的分子結構更加豐富了聚氨酯涂膜多功能性,不斷開拓了水性聚氨酯涂料的應用領域。

    環(huán)保型水性聚氨酯涂料已經成為涂料工業(yè)發(fā)展的主流之一,但與溶劑型聚氨酯涂料相比,水性聚氨酯涂料還存在耐水性和耐溶劑性差硬度低以及干燥速度慢等缺點。要運用各種新型改性方法,開發(fā)特殊性能兼顧完善水性聚氨酯涂料性能的創(chuàng)新設計研究思路,將新型該型手段與常規(guī)改性手段合理結合,提升聚氨酯性能。同時,接枝、填充和多元互穿網絡在提高聚氨酯涂料性能方面也是一個很好的研究方向。

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