Abstract: Tw o kind o fw aterborne polyurethane prepo lym ersw ere synthesized,w hich w as phenyl- isocy-anate term inated and a liphatic isocyanate term inated respectively.  The effects of emulsifica tion tem peratureand so lvent on the properties o f their em ulsions and coatings w as discussed.  Since the temperature and sol-vent changed the rheo log ica l behav iors o f the emu lsions during the emu lsification,the properties o f the finalemu lsions w ere changed. The polyurethane prepolym ers, because of the difference of reactiv ities o f term ina-ted isocyanates w ill be emu lsified at d ifferen t tem perature. The optim al em ulsification tem perature and theso lvent am ountw ere optim ized in the experim ents.  And the vo lum e average partic le sizes of the polyurethaneemu lsions w ere below 50 nm,  w hich prov ided good film perform ance.
      K ey W ords: w aterborne po lyurethane; em ulsification tem perature; paper finish ing

      水性聚氨酯涂膜耐磨性好、光澤高、附著力好, 具有優(yōu)良的綜合性能, 可以用于紙張上光、木器、玻璃纖維等的涂裝。異氰酸酯基團(tuán)封端的水性聚氨酯 (W PU )預(yù)聚物的擴(kuò)鏈反應(yīng)可以在水分散體中進(jìn)行, 在得到高相對(duì)分子質(zhì)量的聚氨酯水分散體的同時(shí), 分散黏度不會(huì)大幅度升高。改變聚氨酯的分子鏈結(jié)構(gòu)和微相分離結(jié)構(gòu)將改變最終涂膜性能, 而分散以及分散過(guò)程中的擴(kuò)鏈反應(yīng)都對(duì)聚氨酯的分子鏈結(jié)構(gòu)和乳液性能產(chǎn)生影響, 從而改變了最終涂膜的性能。水性聚氨酯分散過(guò)程中各種工藝條件, 如中和方式、轉(zhuǎn)速、加水速度、擴(kuò)鏈劑的加入方式等都對(duì)分散結(jié)果有一定影響 ,  實(shí)驗(yàn)發(fā)現(xiàn)分散溫度對(duì)活性不同的異氰酸酯封端的聚氨酯預(yù)聚物的影響不同, 除此之外, 溶劑用量對(duì)乳液的分散穩(wěn)定性也有很重要的影響。

1 實(shí)驗(yàn)部分

1.1  陰離子自乳化型 W PU 預(yù)聚物的合成與中和

      整個(gè)反應(yīng)在干燥和通氮?dú)獾娜i瓶中進(jìn)行, 反應(yīng)裝置150度除水, 趁熱搭起裝置, 油浴升到90度, 通氮?dú)?10 m in。第一步投入計(jì)量好的二異氰酸酯單體和 PTMG, 反應(yīng)溫度80度 , 用二正丁胺反滴定法檢測(cè)) NCO的量, 降至預(yù)定的量后降溫至60度, 投入擴(kuò)鏈劑 DMPA 和 BDO 進(jìn)行第二步反應(yīng), 待異氰酸酯的量降至預(yù)期值后停止反應(yīng)。向合成好的聚氨酯預(yù)聚物中加入 TEA 中和 15 min, 中和度 105% , 然后移入塑料杯中準(zhǔn)備分散。

      實(shí)驗(yàn)合成兩種類型的聚氨酯預(yù)聚物: 以苯基異氰酸酯封端的預(yù)聚物 WPUT 和以脂環(huán)族異氰酸酯封端的預(yù)聚物 WPUI, 羧基含量均為0.4 m m ol/g。2種水性聚氨酯預(yù)聚物用到的原料列于表 1中。

1.2  預(yù)聚物的分散過(guò)程與擴(kuò)鏈

      用相反轉(zhuǎn)法將聚合物乳化在水中并擴(kuò)鏈。分散用儀器:

      德國(guó) IKA RW 20DZM. n攪拌機(jī), 攪拌漿型號(hào) R1342。

      搭好分散裝置, 調(diào)好轉(zhuǎn)速; 取合成好的預(yù)聚物 25 g 左右,計(jì)算好注水量和乙二胺的量; 開啟攪拌, 并逐漸增大到一定轉(zhuǎn)速 , 在攪拌下開始向塑料杯內(nèi)注水, 在 5 min內(nèi)滴加去離子水至固含量 33% ; 在注水結(jié)束瞬間, 迅速加入乙二胺擴(kuò)鏈, 繼續(xù)攪拌 10 min; 分散好的乳液放置 24 h熟化。

1.3  乳液與涂膜性能的測(cè)試

      乳液貯存穩(wěn)定性: GB /T 11175)2002。

      乳液粒徑: 光子相關(guān)光譜法 ( PCS), 所用儀器 ( Ze tasizer 3000HSA, 英國(guó) M a lvern 公司 ), 測(cè)試前將乳液用純水稀釋至0.3% 。

      涂膜的制備: 按照《GB / T 1727) 1992漆膜一般制備法》制備涂膜。

      涂膜鉛筆硬度: 按照 GB /T 6739)1996測(cè)定。

      涂膜附著力: 按照 GB 1720)  1979( 1989)測(cè)定。

      涂膜吸水率的測(cè)試: 將乳液傾倒于 3 mm 深的塑料模具中, 80度干燥 2 h, 然后移入真空烘箱中80度真空干燥 2 h。在 25度去離子水中浸泡 24 h, 用濾紙輕輕吸走表面的水, 精確稱量。涂膜吸水率公式如式 ( 1)所示。

      吸水率=M2 - M1/M1×100% 式 ( 1)

      M1: 干膜的質(zhì)量, g;

      M2: 浸泡后膜的質(zhì)量, g。

2 結(jié)果與討論

2.1  分散溫度

      對(duì)比不同分散溫度下 WPUT 和 WPUI 的分散實(shí)驗(yàn)結(jié)果(如表 2所示 ), 分散速度先為 1200 m in / ,r 后為 100 min / r, 丙酮含量為 20% 。

      從表 2發(fā)現(xiàn)苯基異氰酸酯在0度下分散所得乳液更加穩(wěn)定 , 掛膠和起泡情況少, 乳液外觀半透明泛藍(lán)光, 可能是苯基異氰酸酯基團(tuán)在低溫下活性降低, 與水的反應(yīng)減緩, 從而使得分散過(guò)程較為平穩(wěn)地進(jìn)行。而脂環(huán)族異氰酸酯封端的預(yù)聚物 WPU I與水的反應(yīng)活性較低, 適當(dāng)提高分散溫度可以降低預(yù)聚物溶液的黏度, 有利于得到更加均勻的乳液, 同時(shí)也可以不破壞分散過(guò)程的穩(wěn)定性, 并且較高的溫度還可以使分散之后的乙二胺擴(kuò)鏈反應(yīng)較快進(jìn)行, 實(shí)驗(yàn)發(fā)現(xiàn)40度分散得到的 WPUI 乳液基本無(wú)凝膠和掛膠, 乳液半透明泛藍(lán)光, 穩(wěn)定性最好。

      從表 2可知, WPUT 的涂膜硬度在0度和20度時(shí)為 5 H, WPUI均為 2 H, 附著力都在 1~ 2級(jí), 涂膜的性能隨分散溫度的變化改變不大, 吸水率隨分散溫度的提高有輕微上升。

      WPUT 和 WPUI在其最佳分散溫度下得到的乳膠的粒徑分布如圖 1所示。

      WPUI的體均粒徑為 4316 nm, 粒徑分布指數(shù) ( 體均粒徑與數(shù)均粒徑之比 )為 1124; WPUT 的體均粒徑為 3914 nm, 粒徑分布指數(shù)為 1134。WPUI和 WPUT 兩種水性聚氨酯乳液的體均粒徑都在 50 nm 以下, 分布較窄, 100 nm 以上的乳膠粒子分別占 0.4% 和 1.2% 。

2.2  溶劑的影響

      由于水性聚氨酯預(yù)聚物的相對(duì)分子質(zhì)量較小, 合成過(guò)程中不需要使用丙酮降低黏度, 盡管如此, 實(shí)驗(yàn)發(fā)現(xiàn)分散過(guò)程中完全不使用丙酮, 仍然無(wú)法得到穩(wěn)定的乳液, WPUT 和 WPUI都需要一定量的丙酮才能分散成穩(wěn)定乳液。丙酮含量對(duì)乳液性能的影響如表 3 所示, 分散速度先為 1200  r/m in, 后為100 r /m in, 溫度20度。

      從表 3可知, 丙酮含量提高到 20% 得到的乳液半透明, 泛藍(lán)光, 穩(wěn)定性好。原因可能是丙酮在分散過(guò)程中除了降低黏度, 還起到幫助分子鏈伸展的作用, 從而使親水基團(tuán)更充分地與水相接觸, 同時(shí)丙酮的加入也減緩異氰酸酯基團(tuán)與水的反應(yīng)速率, 使得分散過(guò)程更加平穩(wěn)地進(jìn)行。

      丙酮用量過(guò)高會(huì)提高乳液的 VOC, 因此應(yīng)盡量選擇低的丙酮用量。實(shí)驗(yàn)發(fā)現(xiàn) 20% 的丙酮用量是一個(gè)可以得到穩(wěn)定乳液的較低含量。

3  結(jié) 語(yǔ)

      降低分散溫度可以使異氰酸酯與水的副反應(yīng)速度變慢, 但是由此引起的黏度上升會(huì)造成分散不均勻, 提高分散溫度可以減少凝膠量, 但是副反應(yīng)會(huì)導(dǎo)致分散不穩(wěn)定。不同異氰酸酯封端的聚氨酯預(yù)聚物的最佳分散溫度不同, 苯基異氰酸酯封端的水性聚氨酯預(yù)聚物活性較高, 在0度分散有利于得到穩(wěn)定的乳液, 而脂環(huán)族異氰酸酯封端的水性聚氨酯預(yù)聚物在40度分散可以得到凝膠量最少的穩(wěn)定乳液。使用一定量的丙酮溶劑可以幫助得到穩(wěn)定的乳液, 但是丙酮溶劑的使用會(huì)增加涂料的VOC, 應(yīng)選擇較低的用量。實(shí)驗(yàn)所得的水性聚氨酯乳液粒徑均在 50 nm 以下, 穩(wěn)定性好, 涂膜綜合性能優(yōu)良。

聯(lián)系我們

合肥恒天新材料科技有限公司

手機(jī)：138-0569-8771（何經(jīng)理）

電話：86-0551-68103252

傳真：86-0551-68103253

郵箱：[email protected]

地址：安徽省合肥市經(jīng)濟(jì)技術(shù)開發(fā)區(qū)蓬萊路與湯口路交口意大利工業(yè)園鑫云泰B座