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有机硅改性水性聚氨酯的合成及性能研究

作　者: 朱礼梁
导　师: 于俊荣
学　校: 东华大学
专　业: 物质智能系统工程
关键词: 水性聚氨酯硅烷偶联剂聚醚聚酯改性超高分子量聚乙烯纤维
分类号: TQ323.8
类　型: 硕士论文
年　份: 2012年
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内容摘要

水性聚氨酯(WPU)是以水为分散介质,聚氨酯(PU)粒子分散其中形成的透明或不透明的液体。它不仅保留了溶剂型聚氨酯的耐磨性、柔韧性好、耐低温、耐疲劳的优良性能,而且具有无毒、不易燃、不污染环境、易改性等优点,倍受国内外研究人员的重视,从而在织物、皮革涂饰、胶粘剂以及纤维增强复合材料上有着广泛的应用；尤其可作为热塑性树脂基体与超高分子量聚乙烯(UHMWPE)纤维复合,制备PU-UHMWPE纤维复合材料,可用在防弹材料、防割手套、高强绳索等领域。本文主要工作及取得的研究成果主要分为以下三个方面：(1)以甲苯异氰酸酯和聚丙二醇为主要原料,1,4-丁二醇、二羟甲基丙酸(DMPA)为扩链剂,三乙胺作为中和剂,采用丙酮法制备固含量为30%的聚醚型WPU。研究了DMPA用量以及NCO/OH摩尔比(R值)对WPU的乳液外观、稳定性、粒径、粘度、胶膜吸水率的影响和预聚体分散方式对WPU稳定性的影响。结果表明,随着DMPA用量的增加,WPU的乳液外观和稳定性提高,粒径变小,粘度和胶膜吸水率增加,最佳的DMPA加入量为5～6%；随着R值的增大,WPU的乳液外观和稳定性降低,粘度变小,粒径及胶膜吸水率呈先降低后增加的变化趋势,最佳R值应控制在1.1～1.2；采用将预聚体加入到去离子水中的乳化方式可有效预防乳化时凝胶的产生,制备出的WPU乳液外观较好,储存稳定性较长。(2)采用甲苯异氰酸酯和聚己二酸一缩二乙二醇酯为主要原料,硅烷偶联剂KH550为改性剂,制备硅烷改性聚酯型WPU。将硅烷引入到WPU大分子链中,分散到水中时,硅烷发生水解缩合,在聚氨酯大分子链端形成部分交联网状结构。研究了硅烷加入量对WPU性能的影响。结果表明,随着KH550用量的增加,WPU的乳液稳定性和外观变化不大,但当KH550用量超过5%时乳液稳定性及外观变差；随KH550用量的增加,WPU乳液粒径、粘度及WPU胶膜吸水率均而呈现先减小后增大的趋势,软段玻璃化转变温度以及胶膜初始分解温度升高,胶膜拉伸强度增大,断裂伸长降低；胶膜与水接触角增大,表面张力下降,与UHMWPE纤维的浸润性增强,界面粘接性能提高。综合考虑,最佳的KH550用量控制在2～4%较为合适。采用预聚阶段加入硅烷偶联剂较分散过程加入硅烷偶联剂,制备的WPU外观及稳定性较好。(3)采用甲苯异氰酸酯和聚丙二醇为主要原料,硅烷偶联剂KH550为改性剂,制备硅烷改性聚醚型WPU。对乳液稳定性和外观、粒径及粘度,胶膜玻璃化转变温度、耐热性能、吸水率、水接触角以及胶膜力学性能,与UHMWPE纤维的浸润性和粘接强度进行了研究。结果表明,随着KH550用量的增加,硅烷改性聚醚型WPU性能变化趋势类似于硅烷改性聚酯型WPU,改性后聚醚型WPU的综合性能要优于聚酯型WPU,具有更好的耐寒性、更高的力学性能及对UHMWPE纤维的浸润和粘结性能,更适合于UHMWPE纤维的复合应用。

全文目录

摘要  5-7
ABSTRACT  7-12
第一章概述  12-24
  1.1 水性聚氨酯发展概况  12-14
  1.2 WPU的制备方法  14-15
  1.3 WPU的制备原料  15-17
    1.3.1 低聚物多元醇  15-16
    1.3.2 二异氰酸酯  16
    1.3.3 扩链剂  16
    1.3.4 溶剂  16
    1.3.5 成盐剂  16-17
  1.4 WPU的性能特点及应用  17-18
  1.5 WPU改性的研究进展  18-19
    1.5.1 有机硅改性  18
    1.5.2 环氧改性  18-19
    1.5.3 丙烯酸改性  19
    1.5.4 内交联改性  19
  1.6 WPU在UHMWPE纤维复合材料上的研究  19-22
  1.7 本文的研究背景和研究内容  22-24
    1.7.1 研究背景  22
    1.7.2 研究内容  22-24
第二章水性聚氨酯的合成及性能研究  24-38
  2.1 引言  24
  2.2 实验原料及仪器  24-26
    2.2.1 实验原料  24-25
    2.2.2 实验仪器  25-26
  2.3 实验原理  26-27
  2.4 合成工艺  27-29
    2.4.1 原料处理  27
    2.4.2 指示剂准备  27-28
    2.4.3 WPU乳液的制备过程  28
    2.4.4 实验装置  28-29
  2.5 性能测试  29-30
    2.5.1 二正丁胺法测试异氰酸基团的含量  29
    2.5.2 WPU乳液性能测试  29-30
    2.5.3 WPU胶膜测试  30
  2.6 结果与讨论  30-36
    2.6.1 红外光谱分析  30-31
    2.6.2 DMPA用量对乳液性能的影响  31-33
    2.6.3 R值对WPU性能的影响  33-36
  2.7 预聚体分散方式对WPU稳定性的影响  36
  2.8 本章小结  36-38
第三章有机硅改性聚酯型水性聚氨酯的性能研究  38-54
  3.1 引言  38-39
  3.2 实验原料及仪器  39-40
    3.2.1 实验原料  39
    3.2.2 实验仪器  39-40
  3.3 实验原理  40
  3.4 合成工艺  40-41
    3.4.1 原料处理  40
    3.4.2 指示剂  40
    3.4.3 聚酯型WPU乳液的合成  40-41
    3.4.4 硅烷改性聚酯型WPU的合成  41
    3.4.5 实验装置  41
  3.5 性能测试  41-43
    3.5.1 二正丁胺法测试异氰酸基团的含量  41
    3.5.2 WPU乳液性能测试  41
    3.5.3 WPU胶膜性能测试  41-43
  3.6 结果与讨论  43-53
    3.6.1 红外光谱分析  43-44
    3.6.2 硅烷偶联剂改性方式对聚酯型WPU稳定性的影响  44
    3.6.3 硅烷偶联剂对聚酯型WPU乳液性能的影响  44-46
    3.6.4 硅烷偶联剂对聚酯型WPU胶膜吸水率的影响  46-47
    3.6.5 硅烷偶联剂对聚酯型WPU胶膜热性能的影响  47-48
    3.6.6 硅烷偶联剂对聚酯型WPU玻璃化温度的影响  48-50
    3.6.7 硅烷偶联剂对聚酯型WPU胶膜力学性能的影响  50
    3.6.8 硅烷偶联剂对聚酯型WPU胶膜表面水接触角的影响  50-52
    3.6.9 硅烷偶联剂对PU-UHMWPE纤维界面粘结性能的影响  52-53
  3.7 本章小结  53-54
第四章有机硅改性聚醚型水性聚氨酯的性能研究  54-69
  4.1 引言  54
  4.2 实验原料及仪器  54-55
    4.2.1 实验原料  54-55
    4.2.2 实验仪器  55
  4.3 实验原理  55-56
  4.4 合成工艺  56-57
    4.4.1 原料处理  56
    4.4.2 指示剂  56
    4.4.3 聚醚型WPU乳液的合成  56
    4.4.4 硅烷改性聚醚型WPU的合成  56-57
    4.4.5 实验装置  57
  4.5 性能测试  57
    4.5.1 二正丁胺法测试异氰酸基团的含量  57
    4.5.2 WPU乳液性能测试  57
    4.5.3 WPU胶膜性能测试  57
  4.6 结果与讨论  57-68
    4.6.1 红外光谱分析  57-58
    4.6.2 硅烷偶联剂对聚醚型WPU乳液性能的影响  58-60
    4.6.3 硅烷偶联剂对聚醚型WPU胶膜吸水率的影响  60
    4.6.4 硅烷偶联剂对聚醚型WPU胶膜热性能的影响  60-61
    4.6.5 硅烷偶联剂对聚醚型WPU玻璃化温度的影响  61-63
    4.6.6 硅烷偶联剂对聚醚型WPU胶膜力学性能的影响  63-64
    4.6.7 硅烷偶联剂对聚醚型WPU胶膜接触角的影响  64-65
    4.6.8 硅烷偶联剂对PU-UHMWPE纤维界面粘接性的影响  65-68
  4.7 本章小结  68-69
第五章结论  69-70
参考文献  70-74
攻读学位期间发表的论文  74-75
致谢  75

有机硅改性水性聚氨酯的合成及性能研究

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