本文關(guān)鍵詞：水性聚氨酯—丙烯酸酯復(fù)合乳液的制備及其改性研究，由筆耕文化傳播整理發(fā)布。

【摘要】：水性聚氨酯由于其特殊的結(jié)構(gòu)而具備了獨(dú)特的物理化學(xué)性質(zhì)，如軟硬可調(diào)、耐低溫、耐磨性好、粘附力強(qiáng)等。高性能與低VOC含量兼具的水性聚氨酯涂料得到了科學(xué)界和工業(yè)生產(chǎn)的普遍關(guān)注。傳統(tǒng)方法制備的水性聚氨酯由于其分子結(jié)構(gòu)限制，使其膠膜存在耐熱性、耐水性、耐溶劑性不佳等缺點(diǎn)；而丙烯酸酯在這些方面表現(xiàn)突出。有鑒于此，常通過復(fù)合共聚的方法將兩者性能有機(jī)結(jié)合，充分發(fā)揮二者優(yōu)勢，得到綜合性能優(yōu)異的水性聚氨酯-丙烯酸酯復(fù)合乳液。 本研究采用丙烯酸樹脂對水性聚氨酯進(jìn)行改性，制備聚氨酯-丙烯酸酯（WPUA）復(fù)合乳液，并以此為基礎(chǔ)，分別通過引進(jìn)蓖麻油和環(huán)氧丙烯酸酯合成了改性WPUA乳液，研究了復(fù)合乳液及其膠膜的結(jié)構(gòu)與性能，為聚氨酯-丙烯酸酯復(fù)合乳液及其改性乳液的制備、結(jié)構(gòu)和性能提供理論基礎(chǔ)。 首先以異佛爾酮二異氰酸酯（IPDI）、聚碳酸酯二醇（PCDL）、二羥甲基丙酸（DMPA）等為原料，通過逐步聚合法制備聚氨酯預(yù)聚體，然后以甲基丙烯酸甲酯（MMA）、丙烯酸丁酯（BA）等為降粘劑制備聚氨酯分散液，并以此為種子乳液在引發(fā)劑的作用下引發(fā)自由基聚合，制備水性聚氨酯-丙烯酸酯（WPUA）復(fù)合乳液。傅里葉紅外變換光譜（FT-IR）證明了反應(yīng)按照預(yù)期方向進(jìn)行，得到預(yù)期產(chǎn)物。重點(diǎn)討論了聚氨酯（PU）含量、m（MMA）：m（BA）、初始-NCO與-OH物質(zhì)的量之比等因素對WPUA復(fù)合乳液及其膠膜性能的影響。結(jié)果顯示，當(dāng)w（PU）=80%、初始n（-NCO）㑳n（-OH）=6㑳1、w（DMPA）=5%、m（MMA）㑳m（BA）=4㑳6時，所得WPUA乳液性能穩(wěn)定，其膠膜吸水率降低至9.8%，相比較未改性的聚氨酯膠膜的吸水率24.75%，其吸水率降低了60.4%；改性膠膜的拉伸強(qiáng)度達(dá)到28.9MPa，是未改性聚氨酯膠膜的1.53倍，制備出了性能穩(wěn)定、具有優(yōu)異耐水性和物理機(jī)械性能的WPUA復(fù)合膠膜。 采用掃描電鏡（SEM）、原子力顯微鏡（AFM）、X射線衍射儀（XRD）等儀器研究了WPUA膠膜的微觀特性。結(jié)果表明，聚氨酯材料中存在明顯的微相分離結(jié)構(gòu)，且膠膜截面呈鱗片狀結(jié)構(gòu)。隨著丙烯酸酯的加入，體系中兩相相容性增加而結(jié)晶性降低，膠膜截面呈網(wǎng)狀結(jié)構(gòu)。PU、WPUA的結(jié)晶度均較低，以非晶態(tài)彌散寬峰為主，當(dāng)引入丙烯酸酯后，膠膜結(jié)晶度明顯降低。熱性能分析表明采用丙烯酸酯改性可使聚氨酯材料的熱穩(wěn)定性得以提高。 接著通過分子設(shè)計(jì)方法，引入蓖麻油（C.O）形成半互穿網(wǎng)絡(luò)結(jié)構(gòu)，制備出了以蓖麻油基聚氨酯（CPU）為殼、聚丙烯酸酯為核的無皂核殼蓖麻油基水性聚氨酯-丙烯酸酯（CPUA）復(fù)合乳液。重點(diǎn)研究了蓖麻油對復(fù)合乳液及其膠膜性能的影響，采用透射電鏡（TEM）確認(rèn)了復(fù)合乳液的核殼結(jié)構(gòu)，F(xiàn)T-IR證明反應(yīng)得到了預(yù)期產(chǎn)物。 采用AFM、SEM、XRD研究了膠膜的微觀特性。結(jié)果表明，WPUA及CPUA膠膜均存在明顯的軟區(qū)和硬區(qū)的相分離結(jié)構(gòu)，隨著蓖麻油的添加，兩相相容性增加。WPUA、CPUA膠膜的結(jié)晶度均較低，呈現(xiàn)一個寬的彌散峰。熱性能、耐水性及機(jī)械性能分析表明，蓖麻油的引入顯著提高了聚合物膠膜的熱穩(wěn)定性，，當(dāng)C.O與PCDL中-OH物質(zhì)的量之比為1㑳3時，膠膜具有良好的耐水性、力學(xué)性能及耐熱性能。 此外，在丙烯酸酯改性聚氨酯的基礎(chǔ)上，以環(huán)氧丙烯酸酯-甲基丙烯酸縮水甘油酯（GMA）為交聯(lián)劑，合成了貯存穩(wěn)定的交聯(lián)型水性聚氨酯-丙烯酸酯復(fù)合乳液，其膠膜具有優(yōu)異耐水性和力學(xué)性能。重點(diǎn)探討了交聯(lián)劑用量對復(fù)合乳液及其膠膜性能的影響。采用AFM、SEM、XRD研究了交聯(lián)型WPUA膠膜的微觀特性。結(jié)果表明，未交聯(lián)WPUA膠膜截面呈鱗片狀，存在一定程度的微相分離，而交聯(lián)膠膜呈致密而粗糙的網(wǎng)狀結(jié)構(gòu)，兩相相容性逐漸增加。XRD檢測表明不同交聯(lián)劑添加量的WPUA膠膜結(jié)晶度均較低，隨著交聯(lián)劑的引入，聚合物的結(jié)晶能力受到影響。 熱性能、耐水性及機(jī)械性能分析表明，交聯(lián)改性后，WPUA膠膜的耐熱性得到明顯改善，聚合物中軟硬相分離不太明顯，熱分解過程變得復(fù)雜。當(dāng)n（GMA）㑳n（DMPA）"f0.3時，聚合物具有良好的熱穩(wěn)定性、耐水性及力學(xué)性能，吸水率低至5.4%，拉伸強(qiáng)度達(dá)到28.9MPa，較未交聯(lián)膠膜的拉伸強(qiáng)度提高了173%。 本文結(jié)合現(xiàn)代儀器分析過程，深入探討了丙烯酸酯改性水性聚氨酯及其改性乳液的結(jié)構(gòu)-性能之間的相互作用關(guān)系。結(jié)果表明丙烯酸酯的引入，改善了聚合物的微相分離，同時經(jīng)過改性的水性聚氨酯-丙烯酸酯復(fù)合乳膠膜的微相分離進(jìn)一步得到改善。由于微相結(jié)構(gòu)的改變，聚氨酯材料的性能也得到相應(yīng)改變，聚合物膠膜耐水性、機(jī)械性能及耐熱性相比較未改性前明顯提高。
【關(guān)鍵詞】：水性聚氨酯 丙烯酸酯 復(fù)合乳液 交聯(lián)改性 微觀結(jié)構(gòu)
【學(xué)位授予單位】：陜西科技大學(xué)
【學(xué)位級別】：碩士
【學(xué)位授予年份】：2014
【分類號】：TQ316.33
【目錄】：

• 摘要5-8
• ABSTRACT8-12
• 符號說明12-17
• 1 文獻(xiàn)綜述17-33
• 1.1 聚氨酯與水性聚氨酯17-22
• 1.1.1 聚氨酯17
• 1.1.2 水性聚氨酯的結(jié)構(gòu)與性能17-19
• 1.1.3 水性聚氨酯的制備方法19-20
• 1.1.4 水性聚氨酯的應(yīng)用20-22
• 1.2 水性聚氨酯的改性22-26
• 1.2.1 交聯(lián)改性23-24
• 1.2.2 優(yōu)化復(fù)合改性24-25
• 1.2.3 生物質(zhì)改性25-26
• 1.3 WPUA 復(fù)合乳液26-30
• 1.3.1 物理共混改性26
• 1.3.2 復(fù)合乳液共聚26-29
• 1.3.3 互穿網(wǎng)絡(luò)（IPN）聚合法29-30
• 1.4 水性聚氨酯-丙烯酸酯的發(fā)展30
• 1.4.1 存在問題及需改進(jìn)方面30
• 1.4.2 發(fā)展方向30
• 1.5 本課題的研究意義及研究內(nèi)容30-33
• 1.5.1 研究意義30-31
• 1.5.2 研究內(nèi)容31-33
• 2 基于 IPDI 的核殼結(jié)構(gòu) WPUA 復(fù)合乳液的合成33-53
• 2.1 引言33
• 2.2 實(shí)驗(yàn)部分33-40
• 2.2.1 實(shí)驗(yàn)原料及儀器33-34
• 2.2.2 WPUA 復(fù)合乳液的制備34-36
• 2.2.3 乳膠膜的制備36
• 2.2.4 分析與測試36-40
• 2.3 結(jié)果與討論40-51
• 2.3.1 WPUA 膠膜的紅外表征40
• 2.3.2 乳液外觀及膠膜吸水率40-43
• 2.3.3 乳液粒徑及ζ電位43-44
• 2.3.4 乳膠粒形態(tài)表征44
• 2.3.5 膠膜的力學(xué)性能44-47
• 2.3.6 X 射線衍射分析47-48
• 2.3.7 膠膜斷面 SEM 觀察48-49
• 2.3.8 乳膠膜的熱穩(wěn)定性49-51
• 2.4 本章小結(jié)51-53
• 3 無皂蓖麻油基聚氨酯-聚丙烯酸酯復(fù)合乳液的研究53-68
• 3.1 前言53
• 3.2 實(shí)驗(yàn)部分53-57
• 3.2.1 實(shí)驗(yàn)原料及儀器53
• 3.2.2 CPUA 復(fù)合乳液的制備53-57
• 3.3 CPUA 的表征與測試57-58
• 3.3.1 -NCO 含量測定57
• 3.3.2 復(fù)合乳液粒徑測定57
• 3.3.3 力學(xué)性能測試57
• 3.3.4 吸水率測試57
• 3.3.5 乳液穩(wěn)定性測定57
• 3.3.6 紅外光譜表征57
• 3.3.7 乳膠粒形態(tài)表征57-58
• 3.3.8 X 射線衍射分析58
• 3.3.9 原子力顯微鏡分析58
• 3.3.10 掃描電鏡分析58
• 3.3.11 熱失重分析58
• 3.4 結(jié)果與討論58-66
• 3.4.1 FT-IR 分析58-59
• 3.4.2 CPUA 復(fù)合乳液外觀及粒徑59-60
• 3.4.3 乳膠粒形態(tài)表征60
• 3.4.4 CPUA 膠膜耐水性60-61
• 3.4.5 膠膜的力學(xué)性能61-62
• 3.4.6 膠膜 X-射線衍射分析62-63
• 3.4.7 乳膠膜截面形貌 SEM 觀察63
• 3.4.8 CPUA 膠膜的原子力顯微鏡（AFM）分析63-65
• 3.4.9 膠膜的熱性能分析65-66
• 3.5 本章小結(jié)66-68
• 4 化學(xué)交聯(lián)制備聚氨酯-丙烯酸酯復(fù)合乳液的研究68-82
• 4.1 前言68
• 4.2 實(shí)驗(yàn)部分68-70
• 4.2.1 實(shí)驗(yàn)原料及儀器68
• 4.2.2 實(shí)驗(yàn)方法及步驟68-70
• 4.2.3 乳液膠膜的制備70
• 4.2.4 -NCO 含量測定70
• 4.3 WPUA 的表征與測試70-71
• 4.3.1 紅外光譜表征70-71
• 4.3.2 復(fù)合乳液粒徑測定71
• 4.3.3 力學(xué)性能測試71
• 4.3.4 吸水率測試71
• 4.3.5 熱失重分析71
• 4.3.6 乳膠粒形態(tài)分析71
• 4.3.7 X 射線衍射分析71
• 4.3.8 掃描電鏡分析71
• 4.3.9 原子力顯微鏡分析71
• 4.4 結(jié)果與討論71-80
• 4.4.1 聚合物紅外光譜分析71-72
• 4.4.2 交聯(lián)型 WPUA 復(fù)合乳液粒徑72-73
• 4.4.3 乳膠粒形貌表征73-74
• 4.4.4 乳膠膜耐水性74
• 4.4.5 膠膜的力學(xué)性能74-75
• 4.4.6 膠膜 X 射線衍射分析75-76
• 4.4.7 膠膜的微觀形貌分析76-77
• 4.4.8 膠膜的原子力顯微鏡（AFM）分析77-79
• 4.4.9 WPUA 膠膜耐熱性79-80
• 4.5 本章小結(jié)80-82
• 5 結(jié)論及創(chuàng)新點(diǎn)82-84
• 5.1 主要結(jié)論82-83
• 5.2 創(chuàng)新點(diǎn)83-84
• 致謝84-85
• 參考文獻(xiàn)85-92
• 攻讀學(xué)位期間發(fā)表論文92
• 攻讀碩士期間參與的項(xiàng)目92-93

【參考文獻(xiàn)】

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本文編號：284618