水性聚氨酯实验方案.doc

水性聚氨酯树脂防水涂料的制备及性能研究实验方案指导老师：苏晓磊组员：李谦，吴钵，赵文杰一、 问题的提出随着社会的发展和科技的进步，目前大部分地方使用的聚氨酯树脂都为溶剂型聚氨酯树脂。这些有机溶剂的使用会造成各种危害，如操作者的健康、环境污染、储存运输等安全隐患。而且溶剂的挥发和回收还会造成资源和能源的浪费，也不符合国家节能减排的产业政策。随着经济的发展和全球一体化环保和能源问题也引起各个国家的重视。因此各个国家开始思考是不是可以发明一种新型的聚氨酯树脂防水材料来代替溶剂型聚氨酯树脂防水材料，因此就有了发展和使用水性聚氨酯树脂替代目前的溶剂型树脂材料的想法产生。 1聚氨酯 ( PU ) 是由含羟基、羧基、氨基等官能团的化合物与含异氰酸酯基化合物反应得到的高分子化合物, 分子主链中除含有许多重复的氨基甲酸酯 键(-NH COO -) 外, 还含有醚键、酯键、脲键、脲基甲酸酯键。聚氨酯被誉为性能最优异的树脂, 以其制得的涂料具有许多优异的性能, 如高硬度、耐磨损、柔韧性好、耐化学品、附着力强、成膜温度低、可在室温固化等。但是, 传统的溶剂型聚氨酯涂料在制备和 施工的过程中都需添加不少有机溶剂, 对人类健康和环境造成危害。此外, 双组分聚氨酯涂料中游离的多异氰酸酯(如 TDI) 对皮肤、眼睛和呼吸道有强烈的刺激作用, 长期接触会引起慢性支气管炎等疾病。目前日本、德国、意大利等发达国家已开始使用水性聚氨酯树脂替代溶剂型聚氨酯树脂采用人工合成。我国由于水性聚氨树脂开发比较迟目前未经改性的水性聚氨酯树脂还不能用于各个行业。目前已有许多改性的水性聚氨酯树脂产品，如专利号CN101348554、CN1884335、CN1854165、CN1772786、CN1611522等等。这些水性聚氨酯树脂尽管使用原料和生产工艺有所不同，但产品只能用于涂料和粘合剂，应用范围还是非常局限的。因此, 随着人们环保意识的加强和各国环保法律法规对挥发性有机化合物 ( VOC ) 排放量的限制, 水性聚氨酯涂料的研究与开发越来越受到重视。水性聚氨酯是以水为分散介质, 聚氨酯树脂溶解或分散于水中而形成的二元胶态体系, 以其制备的水性聚氨酯涂料中不含或含有极少量的有机溶剂。水性聚氨酯涂料,不仅具有无毒无臭味、无污染、不易燃烧、成本低、不易损伤被涂饰表面、施工方便、易于清理等优点, 还具 4 7有溶剂型聚氨酯涂料所固有的高硬度、耐磨损等优异性能,因而在木器涂料、汽车涂料、建筑涂料、塑料涂料、纸张涂层以及织物和皮革涂饰等许多领域得到了广泛的应用。为了满足人们在生产和生活方面对具有新型功能的水性涂料的需求, 近年来, 人们通过对水性聚氨酯改性或添加助剂开发出了许多具有特殊物理和化学性质的水性聚氨酯涂料, 提高了水性聚氨酯涂料的功能性, 扩大了水性聚氨酯涂料的应用范围。二、 实验假设与理论依据1.实验假设聚氨酯树脂应用广泛、性能优异。它作为涂料使用时, 所形成的涂膜机械性能好、耐磨性好、硬度高、耐水、耐化学、耐老化性优异, 属于高性能涂料。它的应用领域极为广阔, 主要包括地面涂料、厨房家具涂料、办公家具涂料, 机械设备涂料。它对各种基材, 如木材、水泥、金属、玻璃基材的表面附着力很强。溶剂型聚氨酯涂料已得到广泛的应用,但随着环境保护的要求日益严格,低 VOC或零VOC以及无 HAPs( hazardous air pollution) 的聚氨酯涂料的研究已得到广泛的关注, 国内外工业界和科研单位已开展了大量的工作, 出现了大量的专利, 并先后投入商业生产, 这其中水性聚氨酯涂料不含或只含极少的有机溶剂, 对环境几乎没有污染, 因而更受人们的青睐。水性聚氨酯即聚氨酯水分散体, 它主要是以水作为溶剂进行施工的。早期的水性聚氨酯存在着许多的缺点, 其一是产品造价高, 制作工艺复杂; 其二是产品性能差, 不如溶剂型产品的性能。但自从 20 世纪 70 年代以来, 水性聚氨酯有了长足的发展。开发出的有些产品的优异性能已达到甚至超过了溶剂型聚氨酯, 表现出极为诱人的发展前景。因此我们可以通过将溶剂型聚氨酯涂料的高性能和水性涂料的低 VOC含量相结合, 其分子结构具有可裁减性, 结合新的合成和交联技术, 使水性聚氨酯涂膜性能达到甚至优于传统的溶剂型聚氨酯树脂涂料, 成为发展最快的涂料品种之一。通过把聚合产物、氨基甲酸酯降温, 在低温条件下加冷水乳化，通过控制有机物和粉体的比例，并且通过测量掺和以后形成的防水性涂料的机械性能、力学性能、挥发性、防水性、抗老化性以及对涂料进行热分析从而得到性能能更加优越的水性聚氨酯树脂防水涂料。2.理论依据在溶剂型聚氨酯涂料中, 人们总是千方百计地除去水分, 因为水会与异氰酸酯反应, 生成胺和二氧化碳, 胺继续与异氰酸酯反应, 使异氰酸酯大量消耗, 同时二氧化碳逸出, 在漆膜表面形成气泡, 导致漆膜性能很差。而水性双组分聚氨酯涂料的成膜过程不同于溶剂型体系, 成膜初期为物理干燥过程, 随着水分的蒸发, 分散体或乳液粒子凝聚, 聚合物链相互扩散和反应。在其成膜过程中有: 1) 可挥发物( 溶剂、水) 的挥发; 2) 多元醇和多异氰酸酯粒子的共凝结; 3)多异氰酸酯和水的反应; 4) 多元醇和多异氰酸酯的反应。这个过程本身比较复杂, 当两组分接触时, 两者不在一相内, 搅拌后, 多元醇作为乳化剂将多异氰酸酯分散在水中才能成为一相, 从而进行反应; 同时还有水和羟基与异氰酸酯的竞争反应发生。从聚合物的物理性能来看, 玻璃化温度较高、分子量较大的聚合物乳液具有较高的剪切模量和较差的凝聚性, 其物理成膜性能差; 小粒径乳液有利于凝聚, 但乳液具有低固含量和高粘度, 粒子达到凝聚状况必须蒸发较多的水分, 影响物理成膜过程。化学干燥过程比较复+杂, 涉及到固化剂的 NCO 基与多元醇的羟基、水和稳定聚合物粒子的羧基等基团间的反应, 反应速率取决于施工环境的温度、湿度、反应体系中催化剂含量和基团的反应活性等, 具体反应如下:O-NCO + -OH NH-C-O-NCO + -H2ONH2+ CO2O-NH2+ -NCONH-C-NH-( 快)O-COOH+ -NCO-C-NH-+ CO 2( 慢)施工以后, 可挥发物开始挥发, 使粒子更紧密接触。粒子的凝结, 使异氰酸酯与羟基的反应大大增强。涂层在室温下水分的蒸发相对较快, 30 min 内在涂膜中的水含量下降到2 % 3 %,最终的平衡水含量为 1% 左右。涂膜中的- NCO浓度降低速率较慢, 只有 6 % 的- NCO 基参与了反应, 24 h 后参与反应的 NCO基增大到 90 % , 完全反应需要几天。环境湿度和温度对干燥过程有重要作用, 室温固化过程约有 60% 的-NCO基与水反应形成脲, 而130e 干燥 30 min 与水反应的- NCO 基含量降低到10% 。随着固化温度升高, 生成氨基甲酸酯的含量越多, 同时高温下 NCO 基与羧基反应形成的酰胺, 有利于改善涂膜性能。因此, 应根据应用领域和涂膜性能要求选择固化条件。三、实验目标通过做这个实验，可以了解现代科技与技术的发展前景，了解材料方面的一些新型材料，为以后能够生产出机械性能好、耐磨性好、硬度高、耐水、耐化学、耐老化性优异的高性能涂料，使之在木器涂料、汽车涂料、建筑涂料、塑料涂料、纸张涂层以及织物和皮革涂饰等许多领域得到了广泛的应用。为后续在材料方面的发展和探索做好准备。同时，通过自己动手做实验，而学习一些基本实验的操作，熟悉本专业部分仪器设备的使用方法，巩固专业知识以及在工艺方面的专业知识，为以后的学习打下一定的基础。也为即将面临的工作奠定一定的实践以及理论基础。三、 实验对象、方法及手段1.实验对象主要原材料：甲苯二异氰酸酯( T D I) 工业级聚酯多元醇 工业级聚醚多元醇 工业级亲水基化合物 工业级中和剂 工业级扩链剂 工业优级品丙酮 工业优级品无离子水 自制2.实验方法1）氨基甲酸酯的合成预聚反应: 甲苯二异氰酸 酯( T D I) 与聚酯多元醇、聚醚多元醇 在 6080条件下进行聚加成反应, 制成含异氰酸基-N CO ) 的预聚体。扩链反应: 在 6080条件下含异氰酸基-NCO) 预聚体与扩链剂、亲水基化合物反应生成氨基甲酸酯。2） 乳化把聚合产物、氨基甲酸酯降温, 在低温条件下加冷水乳化。通过对实验中加的有机物的不同比例，观察并通过一定的测量参数，以及通过观察他们的官能团粉体物理性质，有机物结构，通过测量他们的机械性能，力学性能，化学性能，光学性能，以及防水性，耐水性，防腐性的各种性能，和原来试样进行对比，并总结。3.检测手段（数据统计）应用金相显微镜，观察有机物的结构以及粉体物质的内部组织，同时使用能谱仪，对微区成分热分析，了解混合形成的防水性涂料的各种性能。数据统计记录：五、实验原则实验过程坚持求真务实、实事求是的原则，坚决杜绝实验作假，编造实验数据。并且保证一定要亲自动手做实验，了解一般做实验过程中所需要注意的一些事项。六、实验步骤1.准备阶段