環(huán)氧改性水性聚氨酯涂料的合成與性能分析

賈俊 田蕾 郇曉彤 劉曉宇

吉林省石油化工設(shè)計(jì)研究院 長(zhǎng)春 130021

引言

近年來(lái)，在我國(guó)膠黏劑、制革工業(yè)以及涂料工業(yè)方面廣泛應(yīng)用了水性聚氨酯。有研究發(fā)現(xiàn)，能夠使水性聚氨酯涂料的機(jī)械強(qiáng)度和耐水性得到顯著提高的有效途徑是進(jìn)行環(huán)氧改性[1]。環(huán)氧樹(shù)脂具有良好的耐化學(xué)性能，且熱穩(wěn)定性能好，模量和強(qiáng)度都很高，可以直接參與水性聚氨酯涂料的合成，使其拉升強(qiáng)度、耐溶劑性能和耐水性能得到有效提升，因而受到了人們的廣泛關(guān)注。

一、實(shí)驗(yàn)部分

1.主要原料和儀器

本實(shí)驗(yàn)所使用的主要原料包括：乙二胺、丙酮、N-甲基吡咯烷酮和丁二醇、甲苯二異氰酸酯、二羥甲基丙酸、環(huán)氧樹(shù)脂、聚醚二醇（分子量為1000，氫值為115±15 mgKOH·g－1；使用的主要儀器包括傅立葉紅外光譜儀、凝膠滲透色譜儀、Brookfile RVDL-Ⅱ+粘度儀。

2.水性聚氨酯樹(shù)脂的合成

在干燥的氮?dú)獗Ｗo(hù)條件之下，在裝有回流冷凝器、攪拌裝置以及溫度計(jì)的四口燒瓶中加入已經(jīng)經(jīng)過(guò)脫水處理的甲苯二異氰酸酯聚醚二醇，燒瓶容量為1500mL。將溫度保持在80℃左右，反應(yīng)2小時(shí)之后，再將丁二醇加入燒瓶中，保持溫度不變，再次反應(yīng)1小時(shí)之后，采用正丁胺滴定法對(duì)反應(yīng)終點(diǎn)進(jìn)行判斷。到達(dá)反應(yīng)終點(diǎn)之后，依次將環(huán)氧樹(shù)脂和溶有二羥甲基丙酸的N-甲基吡咯烷酮溶液加入燒瓶中，并將溫度設(shè)置為65℃左右，當(dāng)NCO基達(dá)到規(guī)定值時(shí)，將溫度降低到40℃左右，并添加丙酮進(jìn)行稀釋，加入三乙胺進(jìn)行中和，在常溫狀態(tài)下的水中進(jìn)行乳化，并選用乙二胺進(jìn)行擴(kuò)鏈處理，最后通過(guò)真空方式將丙酮脫去，得到水性聚氨酯分散體。在該實(shí)驗(yàn)中，OH基和NCO基的摩爾比為2：1。

二、結(jié)果與討論

1.環(huán)氧樹(shù)脂添加量對(duì)水性聚氨酯涂料的影響

環(huán)氧樹(shù)脂是一種氫基化合物，當(dāng)與聚氨酯發(fā)生反應(yīng)時(shí)，可以將之化點(diǎn)引入聚氨酯主鏈，從而形成網(wǎng)狀結(jié)構(gòu)，使各方面的性能得到顯著提升。環(huán)氧樹(shù)脂添加量對(duì)水性聚氨酯涂料的影響見(jiàn)表1。

從表1我們可以得知，水性聚氨酯涂料的外觀隨著環(huán)氧樹(shù)脂的添加量的增多而逐漸由透明轉(zhuǎn)變成不透明的石灰水狀，并且加入環(huán)氧樹(shù)脂之后，水性聚氨酯涂料的吸水率明顯降低，表明其耐水性有效提升。同時(shí)，隨著環(huán)氧樹(shù)脂添加量的增加，水性聚氨酯涂料粘度和硬度也逐漸呈上升趨勢(shì)。但是，并不說(shuō)明環(huán)氧樹(shù)脂的添加量越多越好，由于其交聯(lián)作用會(huì)大大增加水性聚氨酯粒子的直徑，因此，環(huán)氧樹(shù)脂最適宜的添加量應(yīng)該為5.0%～7.0%[2]。

表1 環(huán)氧樹(shù)脂添加量對(duì)水性聚氨酯涂料的影響

2.紅外光譜分析

通過(guò)采用甲苯二異氰酸酯和聚醚二醇為主要原料，分別加入環(huán)氧樹(shù)脂改性合成了具有較強(qiáng)穩(wěn)定性能的水性聚氨酯涂料，并利用紅外光譜對(duì)產(chǎn)品進(jìn)行了對(duì)比分析，a表示加入環(huán)氧樹(shù)脂的水性聚氨酯，b表示不加入環(huán)氧樹(shù)脂的水性聚氨酯，見(jiàn)圖1。

圖1 水性聚氨酯的紅外光譜對(duì)照?qǐng)D

結(jié)論

以環(huán)氧樹(shù)脂、二羥甲基丙酸、聚醚以及二異氰酸酯為主要原料，通過(guò)實(shí)驗(yàn)合成了性能優(yōu)良的水性聚氨酯分散體，通過(guò)環(huán)氧樹(shù)脂改性而合成的水性聚氨酯涂料，隨著環(huán)氧樹(shù)脂添加量的不斷增加，其外觀逐漸由透明轉(zhuǎn)變成不透明的石灰水狀，耐水性能得到有效提升，粘度和硬度也逐漸呈上升趨勢(shì)[3]。但由于國(guó)過(guò)高的粘度不利于工業(yè)生產(chǎn)，因此，環(huán)氧樹(shù)脂最適宜的添加量應(yīng)該為5.0%～7.0%。

[1]王云玉,許志欽,鄭建國(guó),等.頂空-氣相色譜/質(zhì)譜法同時(shí)測(cè)定涂層中21種有機(jī)溶劑殘留量[J].化學(xué)試劑,2014,07(08):06-08.

[2]吳曉紅,周宇艷,孫明星,等.氣相色譜-三重四極桿串聯(lián)質(zhì)譜法測(cè)定不粘鍋涂層中全氟辛酸[J].理化檢驗(yàn)(化學(xué)分冊(cè)),2014,06(08):03-05.

[3]王學(xué)川,宗奕珊,強(qiáng)濤濤.交聯(lián)型水性聚氨酯G丙烯酸酯復(fù)合乳液的制備及其膠膜性能研究[J].功能材料,2014,09(13):05-06.