第31卷第4期 商洛学院学报 Vo1.3l No.4 2017年8月 Journal of Shangluo University Aug.2017 doi:10.13440/j.sky.1674—0033.2017.04.010 水性聚氨酯的改性研究 李凯斌,杨智婷 (商洛学院化学工程与现代材料学院/陕西省尾矿资源综合利用重点实验室,陕西商洛726000) 摘要:聚氨酯材料因具有优异的机械性能、耐磨性和耐老化性等特点而应用广泛,但水 性聚氨酯的耐水性、耐溶剂性以及硬度较差,对其改性研究显得十分有必要。从紫外双重固化 改性、复合杂化改性、多官能度及超支化改性、有机硅改性四大体系对改性水性聚氨酯的研究 进展进行论述。并对水性聚氨酯未来的发展进行展望。 关键词:双重固化;超支化;复合杂化;有机硅 中图分类号:TQ323.8 文献标识码:A 文章编号:1674—0033(2017)04—0044—05 Research of Modiifed Waterborne Polyurethane LI Kai-bin,YANG Zhi-ting (College of Chemical Engineering and Modern Materials/Shaanxi Key Laboratory of Tailings Comprehensive Utilization of Resources,Shangluo University,Shangluo 726000,Shaanxi) Abstract:Polyurethane material is widely used due to its excellent mechanical properties,wear resistance and aging resistance characteristics.However,water resistance and solvent resistance of waterborne polyurethane are poor and its hardness is low.So its modification is very necessary.Research progress of modiifed waterborne polyurethane are discussed from the perspective of UV dual curing modiifcation, composite hybridization,functionality and hyperbranched modiifcation and organic silicon modiifcation, respectively.What's more,the future development of waterborne polyurethane is also proposed. Key words:dual curing;hyperbranched;compound hybridization;organic silicon 聚氨酯是聚氨基甲酸酯的简称,通常由一NCO 1水性聚氨酯紫外双重固化改性 与含活泼氢的化学试剂经逐步聚合而制得,因其 紫外光固化过程基本上是链式聚合反应,光 具有良好的物理力学性能,多应用于涂料、胶黏剂 引发剂在光照射下从基态变成激发态,进而分解 等领域【 。随着环保法律法规的健全和人们环保 成自由基。自由基与单体的碳碳双键结合,进行 意识的增强,聚氨酯的水性化日益受到重视。但水 链式增长,体系分子量增加,形成交联网络,进而 性化的聚氨酯(WPU)存在耐水性、耐溶剂性差、 固化成膜 n】。由于光穿过吸光物质时其强度会发 硬度低等许多缺点 。为了更好地提高WPU的 生衰减,常需考虑WPU涂料的深层固化问题,尤 综合性能,扩大应用范围,需对其进行适当的改 其对于厚涂层及有色体系。可采用紫外双重固化 性。本文主要从紫外双重固化改性、复合杂化改 体系:第一步,采用光固化的手段实现快速固化; 性、多官能度及超支化改性、有机硅改性四大改性 第二步,采用热、湿气等固化手段使得固化更完 WPU体系展开论述,指出了当前改性聚氨酯存在 全【 ,实现了三维立体涂装,大大提高了涂膜的 的问题,对其未来的发展趋势进行展望。 各种性能,拓宽了光固化WPU材料的应用领域。 收稿日期:2017—03—29 项目基金:商洛学院科研基金项目(15SKY003);陕西省大学生创新创业训练计划项目(201711396019) 作者简介:李凯斌,男,陕西三原人,硕士,助教 第4期 李凯斌,杨智婷:水性聚氨酯的改性研究 45 梁红波等嗍合成了紫外光/潮气双重固化 WPU树脂,涂层经30 s光固化和100 h潮气固化 后,其硬度、附着力等性能均有所提高。该课题组 还以TDI和二乙醇胺为原料一步法合成了超支 化聚氨酯【 q,对其改性制备了光固化超支化Pu和 系列双重固化(Uv/潮气)超支化PU,不仅能够 快速实现光固化,提高涂层的物理性能和热稳定 一响。结果表明,引入VHBP后,WPU涂层硬度提高 较为明显,其综合性能优于WPU/ ̄氧丙烯酸酯复 合材料。XU G等嘴超支化聚氨酯制备过程分为 三个主要步骤:1)采用琥珀酸酐或者邻苯二甲酸酐 修饰HBPE—OH;在上述制备的中间体中加入环氧 丙烷反应;再将其与TDI-HEA反应,如图2中a所 示。同课题组还报道了用HBPE-COOH制备超支 性,同时还可发生明显的潮气固化,释放双键固化 收缩所产生的内应力,提升涂层性能。刘红波等[-71 合成了一系列同时具有光固化基团(g2键)和热固 化基团(环氧)的WPU。用红外表征了固化过程特 征吸收峰的变化,测试了柔性链段对WPU光一热 混杂固化膜的凝胶率、吸水率、力学性能、体积收 缩率和热性能的影响。结果表明,WPU光一热固化 化D--1-OH ̄,如图2中b所示。 膜的凝胶率可达97%,断裂强度有所下降,但断 裂伸长率由4.6%提高到19.5%,体积收缩率由 6.o7%下降到4.22%,光一热固化膜的热分解温度 超过了240℃。李武成等Ⅱ司发现热与光不同的固 化次序对环氧基和双键的转化率均有影响,进而 影响产品性能。CHANG W等嗍以修饰后的亚麻 油改性制备紫外/氧气双重固化水性聚氨酯,结果 表明紫外/氧气双重固化效果优于紫外光固化或 氧气固化单一固化体系,特别是漆膜的附着力得 以改善。 图1典型的超支化聚酯分子结构 3水性聚氨酯杂化复合改性 将无机纳米粒子与WPU复合,可提高WPU 涂层的综合性能并赋予其新功能。添3n-.-氧化 2水性聚氨酯多官能度及超支化改性 现有的WPU涂料树脂—般为线形结构,官能度 较小,因而其耐磨性—般。多官能度WPU树脂经交 联后形成网状立体结构,具有力学强度高、硬度高、韧 性好、耐磨性强等优点,可作为耐磨WPU涂料的交 硅、三氧化铁等无机纳米粒子可提高WPU涂层 的抗紫外线和耐老化性;纳米三氧化二铝、二氧 化硅等加入WPU涂料后涂层的耐磨性明显提 高;纳米碳酸钙、二氧化硅对WPU涂层有明显的 联剂和主体树脂田。王家林等P嗵浏1.两种工艺合成多 官能度聚氨酯预聚物,结果显示,采用预封端工艺制 得的六官能度WPU分子鸯较小目.分子量分布较窄, 且具有低粘度、高硬度等特性。 采用超支化改性WPU涂料也是一种常用的多 官能度改性方法。由于所制备的超支化高分子具有 球状或树枝状结构,合成出的产物粘度小、熔点低、 易溶解于有机溶剂中,且支链上含有较多的官能 团,可对其进行化学修饰固,进而生成一系列的衍生 增强作用,可提高硬度。 刘石军等闭通过正硅酸乙酯(TEOS)和硅烷 偶联剂在WPU中进行溶胶一凝胶反应得到杂化 改性WPU材料。红外表明,杂化涂层由于无机相 的加入,形成了Si—O—Si网络结构。热重表明,改 性后的涂层耐热性能提高了5℃,且随着二氧化 硅含量增加,耐热性能有所提高。张胜文等[27- ̄在 WPU乳液合成中原位引入纳米二氧化硅水溶胶 制备复合乳液及复合膜,研究了二氧化硅粒径、 物产品,进而改善水性聚氨酯的漆膜性能,拓宽其 应用。超支化聚酯作为常用的超支化改性聚氨酯的 起始原料,其结构如图1所示。 王兴元等瞄利用红外光谱法研究了端丙烯酸 酯基超支化聚酯(VHBP)/聚氨酯俩烯酸酯体系,并 研究了不同代数及含量VHBP对涂层性能的影 表面化学特性对复合膜微观结构和性能的影响。 发现不同粒径以及不同表面化学特性的二氧化 硅会对纳米WPU复合涂层表面形貌及软硬段相 分离产生较大影响,可不同程度提高聚氨酯膜的 储能模量。刘杰等[291通过凝胶时间和DSC法研究 了不同偶联剂处理的二氧化钛对WPU体系固化 商洛学院学报 2017年8月 行为的影响,并且计算了反应活化能。结果表明, 面的化学性质对WPU树脂的凝胶时间有非常明 二氧化钛的加入增加了体系的反应活化能,其表 显的影响。 gly ̄idyl methaerylate OH H。 H+ OH pentaer ̄ritol TDI c aL-DBTDL j PUacrylate Photoinitiator UVlogjt crosslinked network H0 HBPE—OH a 图2超支化聚氨酯的合成 4水性聚氨酯有机硅改性 材料的力学性能、附着力等均得到了提高。孙家 有机硅高分子是以重复单元Si—O键为主 干[321等合成了有机硅改性MDI型WPU乳液,研 链,有机基团直接与Si原子相连的聚合物,将其 究表明,当有机硅含量为2%时,乳液稳定性好,胶 用于水性聚氨酯的改性中,可使得产品具有优异 膜接触角高达94。,吸水率降至5.8%,断裂伸长 的耐低温、耐候性及疏水性。 率达980%,而且拉伸强度有所增强,具有较好的 冯林林等 以TDI、二端羟丁基聚二甲基硅 力学性能、表面性能和耐水性。氨基硅氧烷也是 氧烷(DHPDMS)、聚四氢呋喃醚二醇、1,4一丁二 一种较为常用的改性WPU的有机硅。江琳等[331 醇为主要原料合成了系列有机硅改性聚氨酯 由聚酯二元醇、IPDI和DMPA合成PU预聚体, (Si—Pu),并研究了DHPDMS含量对材料性能的 以氨乙基氨丙基聚二甲基硅氧烷(AEAPS)为扩 影响。结果发现,随DHPDMS含量升高,Si—PU 链剂,制备了AEAPS改性WPU分散液。与改性 接触角增大,表面张力减小,DHPDMS含量为 前相比,AEAPs改性后的WPU分散液粒径增 5%时,Si—PU具有较好的表面与力学性能。夏秉 大,但粒径分布和表面张力基本不变,吸水率明 乾等p 利用合成的有机硅纳米溶胶改性WPU材 显下降,水在膜表面的接触角增加,400 oC时热 料,当有机硅纳米溶胶质量分数达到20%时,涂 失重下降,具有良好的疏水性和耐热性。 膜硬度可增至3 H,有机硅纳米溶胶质量分数为 5水性聚氨酯的其它改性方法 10%时,涂膜的附着力可达到0级,制备的WPU 文献报道,对水性聚氨酯的改性试剂还包括 第4期 李凯斌,杨智婷:水性聚氨酯的改性研究 47 环氧树脂 、石墨烯∞、植物油∞、三聚氰胺[371、植 passive air samplers:Temperature dependence of 物油p叼、高岭土 等,这些改性方法多为利用分子 polyurethane foam-Air partitioning of PAHs and their 当中特有的某些官能团对聚氨酯分子链段进行 O一,N一,and S--derivatives computed by COSMO-RS[J]. 化学修饰,从而提高水性聚氨酯的综合性能,并 Atmospheric Pollution Research,2016,7(1):155—161. 赋予其新的功能。 [3】李凯斌,刘彦峰,任有良,等.Mo尾矿表面处理时间对水 6结语 性聚氨酯性能的影响【J].合成材料老化与应用,2017 (2):36--40. 国内外关于水性聚氨酯的改性主要有紫外 [4】HUANG J,SUN J,ZHANG R,et a1.Improvement of 双重固化改性、多官能度及超支化改性、复合杂 biodegradability of UV-curable adhesives modiifed by 化改性、有机硅改性四大改性体系,各改性体系 a novel polyurethane acrylate[J].Progress in Organic 均有各自的优缺点:紫外双重固化聚氨酯成膜速 Coatings,2016,95:20-25. 度快、在较短时间内便可实现分子的聚合,但残 [5】强涛涛,唐华,任龙芳.含氟水性聚氨酯的制备及性能 留的光引发剂易加快聚氨酯材料的老化;多官能 研究[J】.功能材料,2016,47(9):9128—9131. 度及超支化改性聚氨酯,合成出的产物粘度小、熔 [6]ZHANG Y,SHAO L,DONG D,ct a1.Enhancement of 点低,且支链上含有较多的官能团,但反应过程 water and organic solvent resistances of a wate ̄ome 不易控制;复合杂化改性会使得合成的产品兼具 oplyurethane iflm by incorporating liquid polysulfide[J1. RSC Advances,2016,6(21):17163-17171. 高分子材料和无机物的优异性能,但稳定性同时 [7]李凯斌,刘彦峰,李倩.钼尾矿改性聚氨酯的性能研究【J]. 也会降低;有机硅改性聚氨酯的力学性能和表面 商洛学院学报,2016,30(6):34—38. 性能得到改善,存在一定的相分离,但过量的有 【8]林强,石阳阳,张良良,等.原位聚合法制备水性聚氨酯做 机硅使得相分离程度加剧,使得材料的力学性能 性高岭土复合材料【J].中国皮革,2016(4):28—32. 大大下降。 [9]李凯斌,沈一丁,费贵强,等.聚乙烯醇共混改性紫外光 为了进一步改善水性聚氨酯的综合性能,针 固化水性聚氨酯[J].功能材料,2014,45(16):16085— 对上述四个主要改性体系所存在的缺陷,笔者认 16089. 为以下几方面将成为水性聚氨酯未来发展的趋 [10】KE X,HANG H,XIONG L,et a1.Synthesis,curing process and thermal reversible mechanism of UV 势:合成高效的光引发剂,降低残留的光引发剂 对聚氨酯材料的老化速度;优化多官能度及超支 curable poluyrethane based on Diels-Alder structure[J】. Progress in Organic Coatings,2016,100:63-69. 化改性水性聚氨酯的制备工艺,简化操作过程, [11】LI K,SHEN Y,FEI G,et a1.The effect of PETA/ 使反应更易可控;采用原位聚合法和插层聚合的 PETFA composite system on the performance of UV 手段提高复合杂化改性水性聚氨酯的稳定性;采 curbale wme ̄ome polyurethane acrylate[J].Journal of 用新型增溶剂等方法或互穿网络聚合的方法提 Applied Polymer Science,2015,132(2):41262--41270. 高共聚物的相容性,降低相分离的程度;可将上 [12】BI Y,U Z,WANG N,et a1.Preparation and 述两者及两者以上的改性方法适当组合,协同进 characterization of U fmermal dual -curable 行,优势互补,可取得较好的效果。相信随着研究 polyurethane acrylate adhesive for inertila confinement 手段的不断提高,水性涂料产品综合性能的不断 fusion experiment[J】.International Journal fo Adhesion nad Adhesives,2016,66:9—14. 完善,将有更多的环保型水性聚氨酯新产品面世, 【13】齐宇颂,曾兆华,杨建文,等.有机硅改性聚氨酯丙烯酸 更广泛地应用在木材、塑料、纸张、金属等传统行业 酯光一潮气双固化体系叨.应用化学,2004,21(9):918- 及一些新兴行业中,具有十分广阔的开发前景。 919. 【14】LI K,SHEN Y,FEI G,et 1a.Preparation and properties 参考文献: of castor oil/pentaerythritol tiracrylate-based UV curable [1 AKBULUT ]G,KARAG ̄ZEL KAYAO( ̄LU B,EREN M'et wa ̄orne polyurethane acrylate【J】.Progress in Organic aL The effect of di rent radiation sources for the UV Coatings,2015,78:146—154. curing of a screen-printed,Water-based polyurethane [15】梁红波,郝名扬,管静.紫外光,潮气双重固化聚氨酯杂 acrylate binder[J].Coloration Technology,2016,132(4):269- 化树脂的制备及其性能研究【J】.涂料工业,2008,38(1): 279. 1-4. 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