二乙烯基苯改性无胺型水性聚氨酯的制备及性能研究

2019-09-02 08:18赖小娟张引引刘佳慧
石油化工 2019年8期
关键词:胶膜乳液聚氨酯

赖小娟,张引引,谈 泊,刘佳慧,王 磊

(1. 陕西科技大学 陕西省轻化工助剂重点实验室,陕西 西安 710021;2. 陕西农产品加工技术研究院,陕西 西安 710021;3. 中国石油 长庆油田分公司 油气工艺研究院,陕西 西安 710018)

水性聚氨酯(WPU)以水为分散介质,由柔 性软段和刚性硬段交替连接而成的嵌段共聚物[1],具有耐低温、柔韧性好、不污染环境、不燃、成本低等优点[2-3],已广泛应用于水性油墨、涂料、胶黏剂等领域[4-6]。但WPU 材料的耐热性、耐水性和力学性能较差,限制了它的应用范围[7-8]。目前,国内外许多研究者采用有机硅、丙烯酸树脂、环氧树脂及与塑料共混等方法对其进行改性,提高WPU 材料性能,但这些方法存在成本太高或效果不佳的缺点[9-11]。同时,许多WPU 材料在生产或使用时加入了挥发性有机溶剂(VOC)(如异丙醇、乙酸乙酯、丙酮等),对人体健康有巨大影响。因此,零VOC 的环保型WPU 在食品医药包装等行业受到人们重视。二乙烯基苯(DVB)具有两个乙烯基,它在共聚时能生成三维结构的聚合物,使合成树脂具有空间交联结构,可提高聚合物的强度,增强耐热性、耐溶剂性,广泛用于离子交换树脂、聚苯乙烯树脂、不饱和聚酯树脂等[12]。蒋姗等[13]采用丙烯酸甲酯/DVB 接枝交联共聚改性聚丙烯隔膜,使隔膜表面形成交联聚合物网络,提高了隔膜高温下尺寸稳定性及耐热性能。目前,将DVB 用于水性聚氨酯-丙烯酸酯(WPUA)乳液的研究不多。

本工作以异佛尔酮二异氰酸酯(IPDI)、聚己内酯二元醇(PCL)、甲基丙烯酸甲酯(MMA)为原料制备WPUA 预聚体,采用新型交联剂DVB对预聚体进行接枝制得改性的交联改性无胺型水性聚氨酯-聚丙烯酸酯(DWPUA)乳液,它的复合乳液无三乙胺、无VOC 添加。通过对乳液胶膜性能进行研究,以期得到力学性能及耐温性良好的环保型WPU。

1 实验部分

1.1 主要原料

IPDI:工业级,广州市丰久贸易有限公司;DVB:化学纯,淄博奥金化工销售有限公司;PCL:工业级,青岛润仓化工有限公司;MMA:化学纯,上海紫一试剂厂;二月桂酸二丁基锡(DBTDL):化学纯,天津市大茂化学试剂厂;1,4-丁二醇(BDO):化学纯,山东佑晟化工有限公司;二羟甲基丁酸(DMBA):工业级,济南万多鑫化工有限公司;丙烯酸羟乙酯(HEA):化学纯,天津市化学试剂六厂;乙二氨基乙磺酸钠(AAS):工业级,安徽中恩化工有限公司;过硫酸钾(KPS):分析纯,上海埃彼化学试剂有限公司;NaOH:分析纯,天津市恒兴化学试剂制造有限公司。

1.2 DVB 改性DWPUA 复合乳液的制备

在120 ℃下将PCL 真空脱水2 h 干燥备用,在干燥的带有搅拌棒的500 mL 三口烧瓶中加入一 定 量 的IPDI,MMA,PCL,再 滴 入2 ~3 滴DBTDL,升温至75 ℃反应2 h,加入一定量的小分子亲水扩链剂BDO 和羧酸型亲水扩链剂DMBA,进行扩链反应1 h,加入DVB 恒温水浴继续反应1 h,再加入封端剂HEA 反应1 h,降温至40 ℃,进行高速搅拌,在磺酸型扩链剂AAS 和NaOH 的水溶液中进行乳化,最后升温至75 ℃缓慢滴加KPS 水溶液进行引发过程,保温2 ~3 h,降温出料,制得DWPUA 复合乳液。复合乳液中DVB 加入量(w)分别为0,0.1%,0.3%,0.5%,1.0%,记为试样DWPUA-0(或WPUA),DWPUA-0.1,DWPUA-0.3,DWPUA-0.5,DWPUA-1.0, 不 同DWPUA 乳液原料配比见表1。DVB 在KPS 的引发作用下与MMA 发生交联共聚作用。

1.3 涂膜的制备

将DWPUA 乳液均匀倒在聚四氟乙烯板上,流延成膜,室温晾干48 h 后,60 ℃下烘干12 h,待冷却后,即可得到DWPUA 薄膜。

表1 不同DWPUA 乳液原料配比Table 1 Different raw materials ratio of DWPUA emulsions

1.4 表征与性能测试

采用德国Bruker 公司VECTOR-22 型傅里叶红外光谱仪对试样进行FTIR 表征,将乳液制成薄膜进行干燥,测试的光谱范围为4 000 ~500 cm–1;采 用AXTG16G 型 离 心 机 对DWPUA 乳 液稳定性进行测试,转速1 000 r/min,离心30 min,密封在室温下静置30 d,观察是否有沉淀;采用承德金建公司XWW-20BW 型万能试验机对聚氨酯涂膜进行力学性能测试,DWPUA 胶膜制成45 mm×30 mm 的哑铃状,测试速率50.000 mm/min;采用Bruker 公司D/Max 型全自动X 射线衍射仪对试样进行XRD 表征,将干燥后的薄膜切成小片,管电压40 kV,管电流20 mA;采用日本日立公司HITACHI 7700 型透射电子显微镜对试样进行TEM 表征,将DWPUA 乳液稀释为千分之一,经磷钨酸染色,滴于200 目的铜网上晾干进行测试;采用英国Malvern 公司Zetasizer Nano-ZS 型激光粒度分析仪,在25 ℃下测试乳液粒径及其分布;采用德国KRUSS 公司DSA25 型光学接触角测量仪,25 ℃下悬滴法测定了膜表面水接触角;采用美国TA 公司TGA Q500 型热重分析仪对WPU 和DWPUA 膜进行TG 表征,N2保护,以10.0 ℃/min 的速率由20 ℃升至600 ℃。

2 结果与讨论

2.1 试样的乳液稳定性及胶膜状态

表2 为不同DVB 含量的DWPUA 乳液稳定性。由表2 可知,随着交联剂DVB 含量的增加,DWPUA乳液由半透明蓝光变至白色乳液,乳液稳定性有所降低,表明乳液粒径大致呈现增加趋势。当DVB含量为1.0%(w)时,乳液成乳白色,产生少量沉淀物,这是因为DVB 含量增加,聚合物相对分子质量增加,分散性减弱,使乳液贮存稳定性变差。

2.2 乳液粒径和形貌分析

图1 为不同DVB 含量的DWPUA 乳液粒径分布曲线。

表2 不同DVB 含量的DWPUA 乳液稳定性Table 2 DWPUA emulsion stability with different DVB content

图1 不同DVB 含量的DWPUA 乳液粒径分布曲线Fig.1 Particle size distribution curves of DWPUA emulsion with different DVB contents.

由图1 可知,改性前后乳液粒径分布较均匀,且均呈现正态分布趋势。随着DVB 含量的增加,DWPUA 乳液平均粒径逐渐增大,分布宽度也呈增加趋势。当DVB 含量为1.0%(w)时,DWPUA 乳液平均粒径为78.61 nm,分布较宽(PDI=0.471)。这是因为随着DVB 的增加,分子链产生交联作用,WPU 粒子之间也产生了交联作用,交联程度越大,分子间的相互作用增大,乳液粒子则处于不稳定状态,引起粒径增大。因此,DVB 的加入并没有破坏WPUA 乳液原有的稳定性。

图2 为乳液的TEM 照片。由图2 可知,图中较亮部分为核层聚丙烯酸酯,较暗部分为壳层聚氨酯,未改性的聚氨酯乳胶粒比较分散,呈现核壳结构,而改性后的乳胶粒呈规整的核壳结构,排列紧密,这是因为分子链内部发生了交联,分子间也发生交联作用。

图2 乳液的TEM 照片Fig.2 TEM images of emulsion.WPUA:aqueous polyurethane-acrylate emulsion.

2.3 FTIR 表征结果

图3 为不同DVB 含量DWPUA 试样的FTIR谱图。

图3 不同DVB 含量DWPUA 试样的FTIR 谱图Fig.3 FTIR spectra of DWPUA samples with different DVB contents.

由图3 可知,波数2 943,2 852 cm-1处的吸收峰归属于—CH3和—CH2基团的伸缩振动;3 482 cm-1处的吸收峰归属于—NH—吸收峰,1 721 cm-1处的吸收峰归属于C=O 键的伸缩振动,说明聚合物—NHCONH—基团的存在。1 235 cm-1处的吸收峰归属于脂肪族C—N 键的伸缩振动;1 153,1 042 cm-1处的吸收峰归属于C—O—C 键伸缩振动吸收峰。以上这些特征吸收峰显示了WPU 的典型结构[14]。1 650 ~1 450 cm-1处的吸收峰归属于苯环伸缩振动吸收峰,随着DVB 含量增加,苯环吸收峰的强度有所增加。当DVB 含量为1.0%(w)时,苯环的吸收峰强度增加,吸收峰变尖;746 cm-1处的吸收峰归属于苯环弯曲振动吸收峰;在1 620 ~1 680 cm-1处没有明显归属于C=C 键的吸收峰,说明乙烯基单体完全聚合。

2.4 胶膜的XRD 表征结果

图4 为不同DVB 含量胶膜的XRD 谱图。

图4 不同DVB 含量胶膜的XRD 谱图Fig.4 XRD pattern of films with different DVB contents.

由图4 可知,DWPUA 乳液制成胶膜后,硬段和软段的一部分可形成结晶态,WPUA 和DWPUA峰型相似,衍射峰均在2θ=20°处呈现明显较宽的结晶弥散衍射峰,改性后的DWPUA 的峰强度比未改性的WPUA 峰强度低,说明复合胶膜的结晶性下降,DVB 含量为0.5%(w)时,峰强度下降明显。这主要是因为体系中加入DVB 改性时,聚合物的分子链堆砌发生改变,分子链间交联程度增大,形成了空间网状结构,链段运动受限,链的对称规整性被破坏,使复合胶膜结晶性下降[15]。

2.5 胶膜的力学性能

图5 为不同DVB 含量DWPUA 胶膜的力学性能。随着DVB 含量的增加,胶膜的拉伸强度先增大后减小,断裂伸长率则不断减小。当DVB 含量为0.3%(w)时,胶膜的拉伸强度由16 MPa 提高到45 MPa(最大值)。因为DVB 具有两个乙基烯,通过交联作用,使链与链间的相互作用增强,聚氨酯之间形成交联接点,交联度增大,所以复合乳液胶膜拉伸强度得到提高,断裂伸长率下降。当DVB 达到一定量时,拉伸强度逐渐下降,因为DVB 发生部分自聚反应,使胶膜致密性下降,拉伸强度也会下降。DVB 含量增加时,断裂伸长率下降明显,表现出良好的力学性能。当DVB 含量为0.3%(w)时,断裂伸长率为345%,比未添加DVB 时(389%)下降了44 百分点。

图5 不同DVB 含量DWPUA 胶膜的力学性能Fig.5 DWPUA film mechanical properties of different DVB contents.

2.6 胶膜的TG 表征结果

WPU 膜降解初始阶段的热失重主要由硬段的降解所引起,软段长度增加且初始分解温度升高,交联剂不同也会导致膜初始分解温度的不同[16]。图6 为不同DVB 含量胶膜的TG 曲线。由图6 可知,WPUA膜和DWPUA膜均出现两次台阶式失重,第一阶段在220 ~290 ℃之间,此时发生硬段的氨基甲酸酯基中N—C 键的断裂,放出小分子的有机物;第二阶段在400 ~490 ℃之间,此时为软段中—COO—键和C=C 键断裂。DWPUA 膜在第一阶段的TG 曲线相较于WPUA 膜曲线出现了一定的延迟,且随着DVB 含量的增加,曲线迟缓明显。这说明DVB 的加入,使DWPUA 膜初始分解温度升高,提高了薄膜的耐热性能。DVB 的加入引入了苯环结构,硬段含量增多使分子链的刚性较强,同时与分子链段形成交联致密的网状结构,从而提高胶膜的热稳定性。当DVB 含量为0.5%(w)时,分解温度为360 ℃。当温度达到450 ℃时,WPUA膜基本分解完全,而DWPUA 膜在470 ℃(最大)时,分解完全。

图6 不同DVB 含量胶膜的TG 曲线Fig.6 TG curves of films with different DVB contents.

2.7 接触角测试结果

图7 为不同DVB 含量胶膜的接触角。

由图7 可知,加入DVB 后,DWPUA 膜与水的接触角有明显增大的趋势。加入少量DVB,就能使复合材料的亲水性明显降低,表明DVB 可提高复合胶膜耐水性能。随着DVB 含量的增大,体系中生成交联结构,使分子链具有一定的交联密度,交联点增多,交联点之间分子链大小减小,水接触角增大。因此,交联结构的引入有利于耐水性的提高。

3 结论

1)合成的DWPUA 复合乳液,呈规整的核壳结构,改性后胶膜具有良好的耐热性和拉伸强度。

2)随着DVB 含量的增加,DWPUA 胶膜的拉伸强度呈先增大后减小趋势,断裂伸长率则不断减小。当DVB 含量为0.3%(w)时,胶膜的拉伸强度由16 MPa 提高到45 MPa(最大值)。

3)改性后的DWPUA 胶膜较纯的WPUA 胶膜相比,热分解温度有所提高。

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