英语原文共 6 页，剩余内容已隐藏，支付完成后下载完整资料

水性聚氨酯丙烯酸酯共聚物的合成与表征

摘要：通过乳液聚合方法合成了聚氨酯丙烯酸酯共聚物。使有机溶剂被环保型水系统所取代，减少环境危害。通过改变聚氨酯的浓度以及丙烯酸酯单体的浓度，研究化学成分对共聚物性能的影响。 FTIR光谱被用作记录化学合成路线的关键工具， 合成的共聚物通过FTIR光谱来评估它们的粒度、粘度、干重含量、化学性质和特性来表征乳液耐水性， 通过热重分析研究热分解， 扫描电子显微镜用于显示共聚物的形态结构。 实验结果表明，聚氨酯丙烯酸酯相容性达到30/70的比例时效果更好。 然而，这些共聚物之间表现出协同效应使涂层显示出的性能需要一定的改进。

关键词：聚氨酯，丙烯酸酯，乳液聚合，共聚物，环保涂料

介绍

水性聚氨酯（PU）涂料作为各种潜在应用的环境友好材料而被广泛引入。这些材料都是无毒和不可燃的^[1]。基于水性，它们是游离的挥发性有机化合物（VOC）或低VOC排放化合物。这些水性PU材料已广泛应用于粘合剂、涂料、

表面处理、造纸和纺织业^[2,3]。水性PU技术现在正在迅速增长，并将成为行业中非常普遍的做法。然而，PU涂层通常更昂贵，并且在一些应用中存在成本限制。为了利用PU成膜性能，与低成本材料的组合现在是涂料市场上常见的常规方法。从而导致新的不同产品。最受欢迎之一的第二个组分是丙烯酸部分。已知丙烯酸聚合物具有优异的耐水性，耐磨性，可调节的机械性能和低成本。预期聚氨酯与丙烯酸的组合对于提高所得材料的性能是有价值的^[5]。丙烯酸聚合物乳液已广泛用于皮革工业，作为涂料，也用作纸张和纺织品表面^[5]。聚氨酯丙烯酸酯通过重新排列丙烯酸结构单元，拥有良好的光学性能、耐水性、耐磨性和耐候性的高耐磨性、韧性、撕裂强度、耐化学性和耐溶剂性以及良好的低温性能的梳状材料。例如，用于皮革工业的防腐保护膜和表面处理材料，用于磁性介质的弯曲物质，用于印刷油墨的安装件，用于光学和碳纤维的涂层，气体和液体分离膜，用于医疗用途的材料和粘合剂等^[6]。在过去的十年中，许多研究人员广泛研究了将丙烯酸成分掺入PU链中^[3,7-17]。不同的研究人员对聚氨酯丙烯酸酯的特性进行了很好的阐述。有一些研究小组处理聚氨酯与丙烯酸分散体的组合，其结合聚氨酯作为丙烯酸乳液的共粘合剂，分散剂^[13]，物理混合物和复合材料^[14]。两种不同聚合物体系的物理混合是将聚合物各自有利的特性结合在一起的公认方法。然而，在许多情况下，由于不同的聚合物作为单独的颗粒存在的两种体系的不相容性，使这些共混物难以呈现出预期的特性甚至损害了优异的性能特性。获得这种平衡的更好的方法是合成聚氨酯丙烯酸酯共聚物^[11]。在聚氨酯丙烯酸酯共聚物系统中，两种组分都存在于单一的聚合物分子中^[15]。根据研究成果，已经建立了氨基甲酸酯和丙烯酸酯组分之间的化学偶联，这些体系被称为聚氨酯丙烯酸酯或丙烯酸 - 聚氨酯杂化物^[16,17]。水作为溶剂，不饱和聚氨酯树脂与丙烯酸单体反应，在特殊的共聚方法中生产无溶剂的聚氨酯丙烯酸酯。考虑到所有这些措施，本研究旨在将不同的聚氨酯与丙烯酸酯共聚。聚氨酯丙烯酸酯共聚物以水为溶剂通过三步合成方法合成。为了建立化学和评估功效范围，将共聚物进行特殊测试，并通过不同的复杂技术进行表征，例如FTIR，DSC和TGA。 该研究是在水性介质中合成了不同系列的聚氨酯丙烯酸酯共聚物与各种单体的项目的一部分。 因此，挥发性有机化合物对环境污染的担忧减少。 聚合物化学世界有许多努力来解决挥发性有机化合物的问题。 此外，研究了纺织品中这些共聚物的性能，并在其他地方讨论了良好的质量结果^[18,19]。 这些成功的应用使得该项目在聚合物工程领域成为宝贵的经验。

实验

1化学试剂

聚己内酯多元醇CAPA2100（分子量1000）购自Perstorp UK Limited，4,4#39;-二异氰酸根合二环己基甲烷（H12MDI，90％异构体混合物），聚乙烯醇（PVA，87-89％，分子量13000-23000水解）购自Sigma-Aldrich Chemical Co，USA。从Fluka Chemika收到了拜耳材料科学的甲苯二异氰酸酯（TDI），甲基丙烯酸2-羟基乙酯（HEMA，95％，130.15）和丙烯酸丁酯（BA，99％，128.17）。过硫酸铵（APS），硫代硫酸钠（Na2S2O3·5H2O）和烷基芳基聚乙二醇醚硫酸钠的钠盐。所用水均为去离子水。制备PUA共聚物的基本配方分别列于表2中。

表1. PUA共聚物乳液的基本成分

表2. PUA共聚物乳液的配方

2聚氨酯丙烯酸酯（PUA）共聚物的合成

聚氨酯丙烯酸酯共聚物通过后续的三步合成方法合成。根据推荐的程序合成PU预聚物^[20]。首先，将装有量的CAPA（2摩尔）和异氰酸酯（H12MDI）（3摩尔）加入装有机械搅拌器，温度计，回流冷凝器，加热油浴和氮气的500mL四颈圆底玻璃反应器入口系统。油浴的温度升高到60℃。将多元醇和异氰酸酯的混合物在氮气保护下连续搅拌，温度从80-90℃稳定增加。大概需要 2.0小时以获得NCO封端的聚氨酯（PU）预聚物（图1）。 之后，将反应容器的温度降至60℃，向反应混合物中加入（2moles）丙烯酸2-羟基乙酯（2-HEMA）。 耗时约 1.0小时，在反应烧瓶中形成厚而粘稠且透明的树脂材料[21]，这表明乙烯基封端的PU树脂的形成。 在每个步骤中使用傅立叶变换红外（FTIR）光谱来监测合成过程（图2）。

3 PU树脂与丙烯酸丁酯共聚合（BA）

PU树脂与丙烯酸丁酯（BA）的共聚合通过乳液聚合法进行，聚乙烯醇（PVA）和烷基芳基聚乙二醇醚硫酸钠用作乳化剂，而过硫酸铵（APS）以硫代硫酸钠（Na2S2O3）为引发剂。 在共聚物合成的所有步骤中使用去离子水。 分别制备PVA 3％（w / v）和乳化剂12％（v / v）的水溶液，并用0.2％（w / v）引发剂溶液缓慢加入到反应烧瓶中。 反应在约 在55℃连续搅拌3.5小时。 20％的乳液是BA和乙烯基封端的PU预聚物，两种单体的比例逐渐变化。 在工艺结束时获得了白色乳状乳液，为了继续表征目的而得到了保护。 PU丙烯酸酯共聚物合成的化学途径的示意图如图1所示。

图1 制备PUA共聚物的反应方案

4.共聚物的表征

共聚物用不同的技术表征。 对于化学表征，Bruker Equinox 55（德国）仪器在合成过程的每个阶段收集FTIR光谱; 扫描区域为4000cm -1至500cm -1。 通过应用KBr或NaCl光盘分析样品。 颗粒大小是决定工业中共聚物乳液最终用途的重要参数。 使用SEMATech实验室，SEM 633光散射装置（法国）测量粒度和多分散指数（PDI）。 在Brookfield DV-II Pro粘度计使用UL适配器主轴的帮助下测量PUA乳液的粘度。 通过在50℃的烘箱中将称重量的乳液放置在铝杯中24小时来测定PUA乳液的干重量。 之后，再次称量样品，根据下式计算干重量：

干重= Wb / Wa * 100％

其中W_a是干燥前样品的重量，W_b是干燥后的重量。

耐化学性根据ASTM D1647-89评估。 将PUA乳液流到玻璃面板上。 将涂覆的板在室温下连续干燥三天（72小时）。 用蜡覆盖板的周边，以便限制来自开口端的膜下的化学溶液的迁移。 使用3％（w / w）的H2SO4和NaOH溶液用于肉眼观察三天后膜的外观变化。耐水性根据ASTM D 1647-89评估。 铝板用PUA乳液涂覆。 流动乳液并允许其在几乎垂直的位置上排到面板上。 将这些涂覆的面板干燥48小时。 将干燥的涂层板在室温下放入含有去离子水的烧杯中，浸入干燥期间最上层的端部。 18小时后，将水从水中取出，仔细擦拭，并在室温下干燥以监测任何变化。

热分解（热重分析）研究由TGA-PL England在铂锅中以50mL / min的氮气流速进行。 温度扫描从环境温度（25℃）至600℃进行，斜坡为10℃。 样品重量损失百分比（％）记录与温度变化（℃）。

通过扫描电子显微镜（SEM），VEGA 3 SBH \ TESCAN，捷克Brno研究了PUA乳液干燥样品的形态特征。 在SEM样品中以20kV加速电压成像。 没有任何稀释的样品涂有薄金层，以减少断裂面上的电荷积聚。

结果与讨论

图 2.用于合成PUA共聚物的FTIR光谱，（a）H12MDI，（b）PCL，（c）具有游离NCO基团的PU预聚物，（d）2-HEMA，（e）乙烯基封端的PU预聚物，（f）BA， （g）PUA共聚物

图2表示出了在PUA共聚物制备过程中所有单体和产物物质的逐步IR光谱。红外光谱分析主要用于评估和证实PUA共聚反应在2,260 cm-1附近异氰酸酯的NCO带消失，N-H带的出现在3000-3,400cm-1 ^[15]。在该图中，H12MDI和多元醇Capa的光谱分别显示NCO在2259cm -1和OH在3,439cm -1处的特征拉伸振动带。在PU预聚物光谱中，多孔的OH宽带被3,373cm -1的相对较窄的N-H带取代。然而，NCO带仍然可见，在2263厘米处的强度相对较小。 2-HEMA的下一个谱图显示了在3,438cm -1处的典型的宽带OH，在1635cm -1处具有C = C的伸缩振动峰.1在1714cm处具有强羰基峰。在乙烯基封端的PUA树脂的光谱中，OH的宽带被3,374cm -1的相对窄的NH取代，PU预聚物的NCO带完全消失，这证实了2-HEMA的OH基与NCO基团的PU预聚物。 BA的光谱分别显示了在1726cm -1和1,636cm -1处的C = O和C = C的特征峰，其中C-O在1,191cm处具有强峰。在共聚步骤中，BA与PU树脂反应并产生PUA共聚物，其在烘箱中在50℃下干燥24小时后通过IR分析。 PUA共聚物的光谱不含有C = C的任何峰，1500-1,700cm的IR区域。完全清晰，在841cm -1处具有CH的弯曲振动峰值，这是PU完全共聚的强有力证据与丙烯酸酯。但N-H的拉伸带为3,349厘米，宽，这可能是由于膜中的一些剩余的水分。具有乙烯基末端的PU分子链经历乙烯基加成与BA的不饱和位点。 得到的共聚物是粒径在nm范围内的交联聚合物。 一览表3和图3。图 3显示随着PU / BA比从47.1nm增加到30/70至198.4nm，粒径增加，但此后再次降低至50/50至40.2nm。 这些粒度类似于Chai等报道的大小[5]，甚至比乳液AL1.3的大小更好。 当PU浓度从BA的10-30％增加时，颗粒的熔化导致了大的颗粒以及丙烯酸酯的膨胀趋势。 但此后，单体溶胀颗粒膨胀时BA浓度较低，PU浓度进一步增加。 此外，与前三个相比，观察到最后两个浓度的乳液的稳定性降低。

表3. PUA共聚物的粒度，粘度和干重含量

lt;

全文共8381字，剩余内容已隐藏，支付完成后下载完整资料

资料编号：[144210]，资料为PDF文档或Word文档，PDF文档可免费转换为Word

您可能感兴趣的文章

• 三唑嘧啶类磺酰胺的构效关系外文翻译资料
• 智能门控多尺度孔/通道基膜外文翻译资料
• 导电碳质膜:最新的进展和未来的机会外文翻译资料
• 用于捕获CO2的智能光响应吸附剂的研制外文翻译资料
• 基于微流控技术制备中空硅球外文翻译资料
• 基于纳米颗粒析出钙钛矿阳极材料在直接氨固体氧化物燃料电池应用外文翻译资料
• 前端聚合法制备三重非共价相互作用的超强自愈合水凝胶外文翻译资料
• 木质素-糠醛碳低温凝胶催化剂乙酰丙酸酯化反应动力学和热力学分析外文翻译资料
• 磁性超交联聚苯乙烯及其简易合成 磁固相萃取法在磺胺类药物中的应用 从水和牛奶样品中提取外文翻译资料
• 从废物中产生的潜在用途和增值产品 聚苯乙烯在发展中国家:综述外文翻译资料