粒料法合成羧酸盐型聚氨酯分散体及性能的研究

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聚氨酯分散体是以水为分散介质的二元胶体体系,因其无毒,不易燃烧,低VOC等优点而备受人们的关注[1]。聚氨酯树脂分子结构是由硬段和软段组成的嵌段式结构,通过改变软、硬段的种类和组成比例可以得到不同性能的聚氨酯材料,使其在胶粘剂、涂料、油墨等行业具有广泛的应用。聚氨酯分散体可采用丙酮法,预聚体法,熔融法和酮亚胺法等方法合成,常用的方法主要是丙酮法和预聚体法。丙酮法合成聚氨酯分散体时需要采用大量溶剂,且纯度要求高(氨酯级)。预聚体法合成聚氨酯分散体时异氰酸酯与水的反应使其重现性不易控制,只适合脂肪族异氰酸酯。本文以不同的多元醇作为软段,异佛尔酮二异氰酸酯(IPDI)和1,4-丁二醇(BDO)作为硬段,二羟甲基丙酸(DMPA)为亲水单体,采用粒料法本体聚合的方法合成了储存稳定的固态聚氨酯离子聚合物,经造粒、丙酮溶解、水分散、脱丙酮得到了固含量为40%的聚氨酯分散体,这种方法称之为粒料法。与丙酮法和预聚体法相比,粒料法采用本体聚合,能耗低;分散时对丙酮纯度要求低,回收丙酮可直接循环使用;芳香族、脂肪族异氰酸酯均可适用;粒料包装、运输成本低,减少了分散体储存周期,增加了分散体稳定性。若采用双螺杆反应挤出的方法制备聚氨酯离聚物粒料将使粒料法形成连续的生产工艺。本文通过动态光散射粒径分布ζ电位测定仪和透射电镜(TEM)等手段研究了不同变量对PUD粘度、平均粒径、粒径分布及粒子微观形态的影响。结果表明,随着聚氨酯离聚物分子量和亲水基团含量的增加,PUD胶粒平均粒径变小,黏度增加,粒径分布变窄;而随着硬段含量增加增加,PUD胶粒平均粒径变大,黏度减小,粒径分布变宽;软段类型对PUD的乳液性能影响较大。TEM显示聚氨酯分散体胶粒呈不规则的球形结构,随着聚氨酯离聚物分子量的增加和亲水基团含量的增加,胶粒的尺寸减小,且形状不规则的胶粒逐渐减少。通过力学性能、动态力学分析(DMA)、热重分析(TG)等测试,对样品胶膜性能进行了表征。力学性能测试表明PUD胶膜的拉伸强度随着硬段含量的增加而增大,断裂伸长率则减小。动态力学分析表征显示,PUD胶膜有硬段和软段两个玻璃化转变温度(Tg),胶膜出现相分离,随着硬段含量增加,软段的玻璃化转变温度降低,硬段的玻璃化转变温度升高,相分离程度增加。热重分析表明PUD胶膜于280℃左右开始分解,于450℃左右分解完全,显示了良好的热稳定性。
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