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丙烯酸酯改性水性聚氨酯乳液性能的研究发现

发布日间:10-15  

    用乳液聚合的方法制备出丙烯酸酯改性的水性聚氨酯共聚乳液(PUA乳液),并对PUA乳液的耐溶剂性、热性能和机械性能进行了初步的研究。结果表明,具有核壳结构的PUA乳液耐溶剂性、热稳定性和机械性能比水性PU有明显的提高。 关键词:水性聚氨酯;共聚;核壳结构

1.前言 水性聚氨酯乳液(水性PU)具有耐低温、柔韧性好等优点,但也有耐高温性能不佳、耐水性差等缺点。丙烯酸酯乳液(PA)具有较好的耐水性、耐侯性,但存在硬度大、不耐溶剂等缺点。用丙烯酸酯对水性聚氨酯改性,可把二者的优点结合起来,克服各自的缺点。我们采用在水性聚氨酯乳液中滴加丙烯酸酯,进行乳液聚合的方法,制备出了性能优异、具有核壳结构的水性聚氨酯与硬地丙烯酸酯共聚乳液(PUA)<1,2>,并对乳液及胶膜的热性能和机械性能进行初步的探讨。

2.实验部分 2.1.主要原料 水性聚氨酯乳液,自制;甲基丙烯酸甲酯、丙烯酸丁酯、丙烯酸,工业品,北京东方化工厂;丙烯酰胺,化学纯,进口分装;OP—10;十二烷基硫酸钠;K2S2O8等。 2.2.实验过程 在四口烧瓶中加入水性聚氨酯和乳化剂,快速搅拌乳化0.5 h。在80℃下滴加丙烯酸酯混合单体及丙烯酰胺,并滴加K2S2O8,3 h内滴加完毕。在80℃下保温反应2 h后,冷却出料。 2.3.性能测试 胶膜的制备 将乳液在聚四氟乙烯板上流延成膜,然后放入烘箱中,在80℃下烘2~3 h,制备出厚度约为1 mm的膜。 吸水性的测定 称取质量为W1的乳胶膜,浸入去离子水中,24 h后取出用滤纸揩去表面水,称质量W2,吸水性可按下式计算: 吸水性/% = <(W2-W1)/ W1>×100 膜的机械性能的测定 用INSTRON4302型拉力机测拉伸强度和断裂伸长率。拉伸速度为5 mm·min-1。 膜的热性能分析 用PERKIN ELMER热失重分析仪(TGA)对膜进行热分析。升温速度为20℃·min-1,气氛为氮气。 玻璃化温度的测定 用PERDIN ELMER DSC热分析仪测玻璃化温度。

3.结果与讨论 3.1.丙烯酸酯改性对水性聚氨酯玻璃化温度的影响 从(升温速度20℃·min-1)(升温速度10℃·min-1)可以看出,PU有2个玻璃化温度,低温是软段的玻璃化温度Tg1,高温是硬段的玻璃化温度Tg2;PUA有1个玻璃化温度Tg。当升温速度为10℃·min-1时,在PUA的大台阶中还存在1个小台阶,这表明在PUA中聚氨酯(PU)和聚丙烯酸酯(PA)并不完全相容,还有一定的相分离,只是二者比较接近,表现为1个玻璃化温度。当升温速度为20℃·min-1时,这个小台阶将消失。这种相分离呈现出核壳型复合乳液类似的热行为特征<3>,小台阶越大,说明相分离程度越大。 3.2.丙烯酸酯改性对水性聚氨酯胶膜热稳定性的影响 改性后的水性PUA的初始分解温度比水性PU升高约150℃,耐热性能大为提高。这可能是因为以PU为核、丙烯酸酯为壳,以及通过接枝形成的核壳结构,增强了各基团的热稳定性,使分解变得较为困难。 3.3.丙烯酸酯改性对水性聚氨酯胶膜机械性能的影响 由表1可以看出,经过改性后,PUA的拉伸强度比PU要大,而断裂伸长率降低,胶膜变硬。其原因可能是PUA中存在着PA与PU的相分离,使胶膜的机械强度变大<4>。 表1 PU和PUA的机械性能 样品类型 拉伸强度/MPa 断裂伸长率/% 模量/MPa 水性PU 2.29 919.3 72.8 水性PUA 8.58 89.5 289.5 3.4.丙烯酸酯改性对水性聚氨酯胶膜耐溶剂性的影响 表2是水性PU和PUA的耐溶剂实验结果。从表中可以看出,PUA胶膜的耐溶剂性明显优于PU,改性效果显著,这说明由于形成了核壳结构,发挥了协同、优势互补的作用<5>。 表2 PU和PUA的耐溶剂性能(室温,24 h) 样品类型 水 无水乙醇 丙酮 二甲酰胺 四氢呋喃 甲苯 水性PU 严重溶胀 溶解 溶解 溶解 溶解 溶解 水性PUA 吸水性 16.44% 溶胀 溶胀 部分溶解 溶胀 溶胀

4.结论 用丙烯酸酯对水性PU进行共聚改性,可得到具有核壳结构的水性PUA乳液。该乳液具有良好的耐溶剂性、热稳定性和机械性能。

 
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