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水性聚氨酯的改性研究現狀及趨勢
作者:admin   日期:2015-4-17

  水性聚氨酯(WPU)或稱聚氨酯乳液,通常是離子型聚氨酯在水中的分散液,所以它和離子型聚氨酯的關系非常密切。為了改善樹脂本身性能上的一些不足、提高樹脂的綜合性能,以擴大其使用范圍,通常需要對水性聚氨酯進行改性。水性聚氨酯改性的方法有很多,包括共混改性、聚丙烯酸酯改性、環氧樹脂改性、有機硅改性、納米改性等。

 一、改性研究

1.共混改性

水性聚氨酯可以與離子性和酸堿性相似的乳液共混,方便的獲得改性效果。研究表明,水性聚氨酯可以與聚乙烯醇、聚乙酸乙烯、環氧樹脂、聚硅氧烷等樹脂的乳液共混來獲得功能化產品。

2.共聚改性

聚氨酯化學性質較為活潑,在催化劑作用下氨基甲酸酯中-NH-基團可與丙烯酸酯類單體共聚,形成聚氨酯。水性聚氨酯還可以與環氧樹脂、乙烯基酯樹脂(VER)、聚硅氧烷等樹脂實現共聚改性。環氧樹脂具有優異的強度、模量和粘接性能,其對聚氨酯體系改性可獲得良好的強韌性。國外已有VER改性聚氨酯彈性體用于高抗沖材料的報道。

3.聚丙烯酸酯改性

聚丙烯酸酯(PA)樹脂具有優異的耐光性、耐候性,受紫外光照射不易發生黃變,耐酸、堿、鹽腐蝕,柔韌性高且價格低廉。采用聚丙烯酸酯改性水性聚氨酯,可將水性聚氨酯的優異性能與聚丙烯酸酯良好的附著力、耐候性有機結合,從而制備出高固含、低成本的水性樹脂,這種方法提高了水性聚氨酯樹脂的綜合性能又降低了產品的成本,具有廣闊的應用前景。

陳金蓮等采用平衡溶脹法制備了丙烯酸改性水性聚氨酯乳液,結果發現可以大大提高甲基丙烯酸甲酯(MMA)的含量,明顯提高改性水性聚氨酯乳液及涂膜性能。吳冬梅等采用丙烯酸丁酯(BA)和MMA與水性聚氨酯乳液共聚制備水性聚氨酯/聚丙烯酸酯復合乳液,結果表明所制備的復合乳液具有良好的室溫貯存穩定性及成膜性能。與水性聚氨酯乳液相比,該復合乳液粒徑有所增大,對基材潤濕性更好,膠膜耐水性明顯提高。王志強等合成了MMA改性的水性聚氨酯乳液,掃描電鏡圖顯示,改性后的水性聚氨酯膜表面相對平整,這是因為聚氨酯與丙烯酸酯的微相分離程度小,相容性好,當m(PU):m(PA)=8:2時得到的丙烯酸酯水性聚氨酯的綜合性能較佳。

4.環氧樹脂改性

環氧樹脂的結構具有羥基醚鍵和環氧端基,極性強又不易水解,用環氧樹脂對聚氨酯進行改性可大大提高涂膜對基材的黏合力,提高涂層的耐水性、耐熱性、耐溶劑性和耐化學品性。

5.有機硅改性

有機硅化合物表面能低,具有耐低溫、耐老化、憎水、耐有機溶劑、耐輻射及透氣性好等許多優異性能,還能賦予涂層的柔韌性和爽滑絲綢手感。因此,可利用有機硅改善水性聚氨酯的耐熱性能和耐濕擦性能。通常采用化學合成方法將聚氨酯-有機硅烷結合起來,發揮聚氨酯和有機硅兩者的優點。

曾有研究人員以異佛爾酮二異氰酸酯、聚四氫呋喃二醇、二羥甲基丙酸和三羥甲基丙烷等為原料合成了水性聚氨酯預聚體,用3-氨基丙基三乙氧基硅烷(KH550)進行封端改性,乳化后進一步水解縮合交聯,得到高交聯度的水性聚氨酯。FTIR表征結果顯示,KH550上的-NH2與聚氨酯的端-NCO發生重鍵加成反應。經KH550改性后膠膜的力學性能、耐熱性、耐水性、和耐溶劑性得到顯著提高;隨著KH550含量增加,膠膜的結晶度見小。

6.納米改性

納米粒子具有特殊的表面效應、體積效應、量子尺寸效應及宏觀量子隧道效應,與高分子之間可產生強烈的物理和化學作用,在高分子材料強韌化改性方面應用很廣,用于聚氨酯改性方面也有很多報道。

曾有專家以H12MDI、聚乙二醇、蓖麻油、1,4-丁二醇和具有生物活性的納米羥基磷灰石(n-HA)為原料,采用預聚法制備了納米HA/PU復合材料,并對其力學性能和熱性能進行研究。研究發現,隨著n-HA含量增加,膠膜的拉伸強度和斷裂伸長率增大,儲能模量得到明顯提升,熱穩定性也得到了改善,當其用量為30%時,復合材料的綜合力學性能達到最佳。

對水性聚氨酯進行納米改性,可提高機械強度、熱穩定性、耐腐蝕性和耐老化性等。經納米改性后的水性聚氨酯復合材料可廣泛用于紡織、建筑、汽車、航空等領域。

 二、應用領域

水性聚氨酯的應用主要是涂料和黏合劑兩大領域,如木器漆及木地板漆、紙張涂層、建筑涂料、皮革涂飾劑,其中用量最多的是建筑涂料。目前,水性聚氨酯膠黏劑已在制鞋業、復合軟包裝業、織物層壓制品、玻璃集束、油墨膠黏劑、汽車內飾等行業得到應用。水性聚氨酯也廣泛用于石油破乳劑,造價低、破乳效果好、速度快、無毒、使用方便。此外,在聚氨酯主鏈上接枝多氟烷基,即可制作優良的防水、防油、防污劑;在其主鏈上接枝鹵素、磷等元素,也可制成優良的阻燃整理劑。

目前水性聚氨酯在紡織和印染助劑方面的應用越來越廣泛,如用作染色助劑、涂料印花粘結劑、柔軟與防皺整理劑、抗靜電和親水整理劑等,可提高其染色深度、牢度以及紡織物的其他性能。

 三、發展趨勢

據初步統計,國內水性聚氨酯的科研和生產單位已有上百家,生產廠家主要分布在浙江和廣東等區域,比較大的有北京林氏、溫州寰宇、淄博奧德美以及黃山美邦膠業、合肥安大科招精細化工廠等。目前國內水性聚氨酯的年生產能力在3萬噸以上,產量超過1萬噸。產品質量穩步提高。

多年來國內外對水性聚氨酯進行了深入和廣泛的研究,目前發展方向主要包括以下幾個方面:采用最新電子顯微技術,研究水性聚氨酯中分散粒子的結構和粒子的尺寸;開發性能優良、固含量高的水性聚氨酯新品種,以滿足涂料和膠黏劑方面的應用要求;開發能滿足不同應用要求的配膠助劑。

水性聚氨酯是相對于溶劑型聚氨酯而言的。因為聚氨酯的特殊性能,能溶解聚氨酯的溶劑品種是非常有限的。從環境保護的觀點出發,水性聚合物涂料是21世紀最有發展前途的聚合物應用形式,在工業和日常生活等方面必將得到更加廣泛的應用。

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