环氧改性水性聚氨酯研究

2022-09-10

前言

随着人们生活水平的提高, 环保意识也逐渐得到增强, 保护地球环境舆论压力与日俱增, 传统的含VOC材料有被淘汰的趋势, 高性能无污染的绿色材料产品日益受到消费者的青睐。水性聚氨酯 (WPU) 是用水作分散介质的一种新型聚氨酯体系, 并且在涂料工业、制革工业、胶粘剂等领域有着广泛的应用。近些年, 水性聚氨酯改性已经成为学者们关注的焦点, 最常见的就是环氧改性水性聚氨酯的研究。

一、水性聚氨酯

传统的聚氨酯大部分都是溶剂型的, 存在大量的有机溶剂, 易挥发且易燃易爆, 对环境和人体健康造成了严重的损害。随着低碳环保成为当今世界发展的主流, 水性聚氨酯应运而生。与传统的溶剂型聚氨酯不同, 水性聚氨酯是一种用水作为分散剂的聚氨酯类材料, 是一种环境友好型的绿色材料。目前水性聚氨酯的分类方法有很多。根据其亲水性能的差别, 可以将水性聚氨酯划分成阴离子型、阳离子型、非离子型和两性离子型。根据外观, 可以将水性聚氨酯分为乳液、分散液、水溶液三种。水性聚氨酯的合成方法主要有外乳化法和自乳化法两大类。其中外乳化法是最早的水性聚氨酯的合成方法, 但是该方法存在许多的弊端, 首先由于需要添加乳化剂进行合成, 增加了合成成本, 其次水性聚氨酯分散体残留的小分子亲水乳化剂会影响固化后聚氨酯胶膜的机械性能。再次, 利用外乳化法合成得到的水性聚氨酯分散体颗粒相对较大, 因此在贮存过程中不稳定。因此外乳化法仅在材料的表面处理上使用。自乳化发与外乳化法相比合成成本较低, 并且产品分散体颗粒小, 贮存稳定, 并且固化后形成的涂膜的耐水性和机械性能都很好, 因此是目前最常使用的合成方法。具体还可以将自乳化法分为丙酮法、预聚体法、熔融分散法、酮亚胺.酮连氮法。

二、环氧改性水性聚氨酯的意义及常见的改性方法

因为环氧树脂具性能优异, 如粘接能力、高强度、高模量、吸附力强、收缩率低、绝缘性好等, 因此在涂料、粘结剂、木材加工等领域有着非常广泛的应用。环氧树脂中的-OH能够与聚氨酯上的-NCO基团反应, 从而将环氧结构引入到聚氨酯的主链当中, 从而能够达到改性聚氨酯的目的。实验表明, 将环氧树脂引入到聚氨酯中能够进一步提高水性聚氨酯材料的性能, 如涂膜力学性能、耐化学品性、耐水性、耐温性等, 从而进一步扩大其使用范围。目前常用的环氧改性水性聚氨酯方法有机械共混法和化学共聚法两种。

因为环氧改性水性聚氨酯具有良好的性能, 因此成为许多学者研究的热点, 并取得了一定的成果。E44环氧树脂结构中具有许多羟基, 是一类多羟基化合物, 能够与水性聚氨酯直接发生合成反应, 在聚氨酯的主链当中引入支化点, 形成具有独特性能的聚氨酯网状结构, 从而提高水性聚氨酯涂料的机械性能, 同时还能够提高水性聚氨酯涂膜的耐水性、耐热性和耐溶剂性等性能。谢伟等人利用E-51环氧树脂与内交联剂三羟甲基丙烷对水性聚氨酯胶粘剂进行了改性, 实验结果表明, 添加适量环氧树脂改性后的水性聚氨酯材料具有更好的力学性能和奶水性能, 并且可以稳定贮存。华东理工大学朱黎澜等人利用甲苯二异氰酸酯、聚醚二元醇、1, 4-丁二醇、二羟甲基丙酸、环氧树脂和丙烯酸羟丙酯为主要原料制备了环氧改性水性聚氨酯乳液, 并对产品的粒径、粘度、贮存稳定性、样品模的耐水性等进行了表征。实验结果表明, 以环氧树脂E-128对聚氨酯进行改性时, 随着环氧树脂的增加, 乳液的稳定性降低, 粘度和涂膜耐水性在6%和7%添加量时最好。邓朝霞、叶代勇等人通过利用甲苯二异氰酸酯、聚醚二醇、二羟甲基丙酸、环氧树脂和丙烯酸丙酯为原料合成了环氧改性水性聚氨酯乳液, 并对反应温度、乳化分散速度、中和度和环氧树脂用量对乳液及涂膜性能的影响进行了详细研究。实验结果显示, 利用环氧树脂作为大分子扩链剂, 令环氧树脂的环氧基和羟基充分反应, 形成多重交联后所得到的环氧改性水性聚氨酯涂膜具有硬度更高, 力学性能和耐水性能更强。随着中和度的增加, 乳液的稳定性能、拉伸强度以及粘度都会提高, 粒径和耐水性则会降低。环氧树脂用量过度, 还会使乳液的外观和稳定性变差, 拉伸强度和硬度也同时变大。另外, 加入丙烯酸羟丙酯单体引入了双键, 得到的环氧改性水性聚氨酯乳液能够作为配置紫外光固化涂料或者胶粘剂的预聚物。安徽大学刘浏、戴震等人利用异佛尔酮二异氰酸酯、聚醚二醇、二羟甲基丙酸、一缩二乙二醇、三羟甲基丙烷和环氧树脂E-51制备得到了环氧改性水性聚氨酯乳液, 并通过红外光谱、粒径分析仪、热质分析仪和差示扫描量热法对乳液进行了表征, 实验表明, 该法制备得到的聚合乳液中尽量保留环氧基不开环, 后加固化剂使之开环产生交联作用能够提高材料的硬度、耐溶剂、耐水性等性能, 并且有较好的贮存稳定性, 能够用于水性木器涂料。

结束语

随着人们对生活环境要求的提高, 低碳环保型的环氧改性水性聚氨酯材料将会有十分广泛的应用前景, 为胶粘剂、涂料等行业提供更多的参考。

摘要：水性聚氨酯 (WPU) 与传统溶剂型聚氨酯不同, 是用水作分散介质的一类新型聚氨酯体系, 结合了溶剂型聚氨酷的高性能和水性乳液的低VOC含量, 是优异的环境友好型材料。近些年, 水性聚氨酯的改性引起许多学者的关注, 成为热门研究课题。环氧树脂常被用于改性水性聚氨酯, 本文就环氧改性水性聚氨酯进行了研究。

关键词：环氧树脂,改性,水性聚氨酯