防水涂料用水性聚氨酯复合材料制备及性能研究
随着人们对美好生活需求的不断增长以及相关环保标准的不断提高，传统溶剂型聚氨酯（S-PU）涂料的发展受限，而以水为分散介质的水性聚氨酯（WPU）以其绿色环保的特性逐渐成为行业的研究热点。WPU具有的高耐磨性、高柔韧性和优异的力学性能，使得其在涂料、胶粘剂、医药、纺织等各种领域脱颖而出。尽管反应过程中亲水基团的引入使得WPU具备自乳化性能，由于整个制备过程中未用到有机溶剂，所以线型结构的WPU较传统S-PU交联度低，各方面性能均有所下降，因此对WPU进行合适的化学改性很有必要。 丙烯酸树脂（PA）是应用广泛的聚合物材料之一，具有出色的硬度、光稳定性、耐水、耐老化性，且成本较低。将PA与WPU复合制备得到的水性聚氨酯丙烯酸（WPUA）复合材料在保持PA优点的同时又具备WPU优异的柔韧性和强附着力。 有机无机纳米复合是制备高性能，多功能材料的一条有效途径。纳米氧化锆（ZrO2NPs）具有折射率高、硬度大、热导率低的优点，将其与聚合物复合可以有效提升材料的力学性能和热稳定性。 本文采用预聚体-丙酮联合法制备PU预聚体，利用超重力强化传质技术对WPU进行乳化，探究出一条性能较优WPU乳液的合成工艺，并以此工艺进行PA、ZrO2NPs改性WPU复合乳液的制备。 本文工作具体如下： （1）采用超重力乳化法制备WPU乳液，对WPU原料配方进行探索，主要考察R（-NCO/-OH）值、DMPA含量和硬段比例对WPU机械性能和耐水性的影响。结果显示，R=1.7，DMPA=4wt%，硬段比例为40%时，乳液综合性能最优。 （2）对超重力乳化工艺进行优化，探究乳化温度、乳化时间和水相进料速度对WPU乳液性能影响，结果表明，乳化转速为2000rpm，乳化时间为10min，水相进料速度为160mL/min时，乳液性能最优，拉伸强度达12.08MPa，断裂伸长率达580.12%，吸水率仅7.1%。 （3）在WPU预聚过程中加入HEMA封端剂引入不饱和双键，采用乳液共聚法制备WPUA复合乳液，探究封端剂含量、PA用量、单体比例对复合材料性能影响。结果表明，当封端剂含量为30%，PA用量50%，硬软单体比例为70:30时WPUA胶膜吸水率降低至标准5%以下。 （4）利用水热法合成ZrO2NPs，并进行醋酸（AA）、甲基丙烯酸（MA）和柠檬酸（CA）改性得到三种ZrO2稳定水相分散体。将分散体与WPU物理混合后发现，AA和MA改性分散体很快使WPU破乳结胶，只有CA改性后ZrO2NPs和WPU具有良好的混溶性，分析探究出PU乳滴外侧-COO-电荷层是乳液稳定的根本原因。 （5）利用第一章探索得到的WPU制备工艺，用CA改性的ZrO2NPs分散体代替去离子水进行WPU乳化操作，采用乳化混合法制备不同ZrO2NPs掺杂量的WPU复合乳液。表征结果显示，ZrO2NPs的加入提高了WPU的热稳定性和机械性能，增强了复合材料的防水性能，拓宽了WPU在光学领域的应用。实验结果证实了超重力乳化技术的可行性，也为NPs改性WPU复合乳液的制备提供了新的研究思路。
水性聚氨酯;超重力乳化法;丙烯酸树脂;纳米氧化锆;复合乳液
北京化工大学
硕士
化学工程与技术
蒲源
2022
中文
TQ316.334;TQ325.7
2022-11-02（万方平台首次上网日期，不代表论文的发表时间）