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丙烯酸酯改性水性聚氨酯的方法

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第5期 张炎等・丙烯酸酯改性水性聚氨酯的方法 -9・ 丙烯酸酯改性水性聚氨酯的方法 张炎齐正旺陈炜陈蕾黄毅萍 (安徽大学化学化工学院摘合肥230039) 要:综述了国内外近年来丙烯酸酯改性水性聚氨酯的方法,重点介绍了共混改性法、复合乳液 改性法以及嵌段改性法,对各种方法的优缺点进行了比较分析,并展望了今后的发展方向。 关键词:丙烯酸酯;水性聚氨酯;改性方法 中图分类号:TQ 316.33 文献标识码:A 文章编号:1005—1902(2008)05—0009一O3 水性聚氨酯(PU)乳液和聚丙烯酸酯(PA)乳液 目前被广泛用作涂料、油墨和胶粘剂的基料。单一 的PU乳液具有高耐磨性和良好的机械性能,但固 的影响以及交联反应对涂膜性能的影响,发现当酰 胺基化合物与肼基化合物保持相同交联基团摩尔比 时,性价比比较好。但由于丙烯酸酯和聚氨酯在交 联前已形成热力学稳定的大分子,因此两者的相区 含量低、自增稠性差,其乳胶膜的耐水性、光泽性较 差;而纯PA膜韧性、耐水耐候性强,但耐磨性较差。 因此,用丙烯酸树脂改.j生水性聚氨酯,可以使聚氨酯 的高耐磨性和良好的机械性能与丙烯酸酯良好的耐 仍会存在明显差别,乳液的相容性较差,稳定性也不 理想;涂膜的物理机械性能较差。 2复合乳液共聚法 候性和耐水性有机地结合起来,从而使使用性能得 到明显地提高。国外学者已对聚氨酯.丙烯酸酯 (PUA)复合乳液进行了较多的研究开发,乳液及其 胶膜的性能都得到了明显改善¨,2』。国内近年也有 研究者对PUA复合乳液进行了探索性研究 j。作 者对国内外近年来丙烯酸酯改性水性聚氨酯的各种 改性方法及其优缺点进行了比较和分析。 1 PU乳液和PA乳液共混改性法 较之PU乳液和PA乳液的物理共混改性,复合 乳液共聚则有利于乳液胶粒形成复相结构。在复相 结构中,分子链在分子水平上紧密缠结,两者间的 “协同效应”使其涂膜具有比物理共混物涂膜更加 优异的性能 J。复合乳液聚合改性包括种子乳液 聚合法、原位乳液聚合法和溶液聚合转向法3种 2.1种子乳液聚合法 种子乳液聚合法通常是以PU乳液为种子,加 将稳定的PU和PA乳液混合均匀,即得共混型 入丙烯酸酯单体,通过自由基乳液聚合得到核壳结 构的PUA复合乳液。在单体的滴加过程中,PU乳 PUA复合乳液。这种方法简单经济,具有一定的改 性效果,涂膜的硬度、光泽度和耐水性都有一定改 善。但这只是两种乳液的简单共混,PU和PA的相 容性不够理想。为进一步改善相容性,崔月芝等 液胶粒可视为高分子表面活性剂,因而可以减少表 面活性剂的用量。研究表明,PU和PA相不是完全 分离的,在核壳之间有一个过渡层 J。其产品的耐 热耐寒性优于PA乳液,粘附力比PU乳液略有提高 且主要性能与Pu乳液相同 J。进一步研究发现, 将由双丙酮丙烯酰胺参与共聚的丙烯酸酯乳液与含 肼基的聚氨酯水分散体混合后,利用酮羰基和肼基 间的脱水缩合反应,得到了交联型PUA复合乳液。 这种方法提高了两种聚合物的相容性和乳胶膜的耐 PU乳液对丙烯酸酯自由基聚合有一定的缓聚作用, 随着Pu量的增加,反应诱导期变长,开始反应的速 度越来越慢,且残余固体的量也在增加_9]。Sebenik u等¨ 发现低聚多元醇相对分子质量的增加可增 水耐溶剂性、拉伸强度和断裂伸长率。王金平等[5] 进一步探讨了肼基、酰胺基的含量对两种乳液性能 通讯联系人 ・1O・ 聚氨酯工业 第23卷 强PU种子乳胶粒吸收丙烯酸酯的能力,从而溶胀 更多的丙烯酸酯单体到其中进行聚合。 为进一步提高两者相容性,研究者将带羟基的 丙烯酸酯单体引入PU预聚物合成过程中,制得含 双键的PU预聚体,即所谓的u一大单体,引发该大单 体与其它丙烯酸酯单体的聚合,从而制得含桥联的 核壳交联型乳液;或者同时在PU和丙烯酸酯上引 液。该工艺可将丙烯酸酯单体与PU预聚体充分混 合,使聚氨酯和丙烯酸分子链在每个胶粒中均匀分 布Ll 。有报道,当DMPA和聚乙二醇(PEG)的质量 分数为6%~7%,PA质量分数为25%~30%时,生 成的PUA水分散液均一稳定,而相对分子质量达10 万以上、固体质量分数达35%以上时,PUA胶膜既 柔韧又有一定的强度¨ 。 虽然原位聚合法节省了溶剂,但只适于反应活 性较低的脂肪族异氰酸酯,而常用的甲苯二异氰酸 酯(TDI)、二苯基甲烷二异氰酸酯(MDI)因其反应 活性较高,在制备PUA水分散液时易发生凝胶。这 入功能性基团,利用基团间的反应制得核壳交联型 PUA乳液。研究表明,聚氨酯、丙烯酸树脂分子链 之间形成的化学键能显著提高两种树脂的相容性及 共混程度,使得两种树脂可以较好地结合。并且在 u.大单体质量分数达到60%以上时,将其作为活性 乳化剂与丙烯酸酯类单体进行乳液共聚,可得到高 PU含量、稳定的共聚乳液,乳液的粘度随u.大单体 含量的增加而增大,其胶膜的玻璃化转变温度则随 时,可将丙二酸二乙酯作为封端剂对预聚物中的异 氰酸酯基进行封闭,当其与单体混合物分散在水中 后会自动解封并与扩链剂发生扩链反应¨引。 在PUA复合乳液中,为弥补由于聚合物链上的 亲水基团或乳化剂导致的涂膜耐水性的不足,往往 会引入交联结构。但如果在链上直接引入交联结构 又会降低乳液的稳定性。因此,人们又开发了成膜 之下降¨ 。靳东杰等¨ 发现部分Pu所含的碳碳 双键和丙烯酸丁酯(BA)发生的接枝共聚反应可使 二者分子链相互贯穿缠结,形成互穿网络结构。但 被包裹的聚丙烯酸酯量达到某一临界值时会影响乳 液的长期稳定性。研究表明,在合成过程中,小分子 交联型PUA复合乳液。此类PUA复合乳液是在乳 液合成时引入可交联但在乳液制备和贮存过程中因 水的阻滞作用不发生反应的基团。在成膜时,随着 水分和中和剂的挥发,基团间可交联形成化学键。 水与二羟甲基丙酸(DMPA)的引入对高分子聚合物 的断裂热裂解起着促进作用,有机锡催化剂与水更 是使聚合物的热稳定性能进一步下降。而丙烯酸酯 国外的此类专利较多,Yang S等 研究者一方面将 的共聚则可使聚合物的热稳定性能得到明显 改善 引。 瞿金清等¨ ' 发现,较之水溶性引发剂,油溶 性引发剂制备的复合乳液的单体转化率高,凝聚物 少,PUA乳液性能好。随着甲基丙烯酸甲酯(MMA) 单体量的增多,乳液胶粒粒径增大,粘度减小,涂膜 PU预聚物用己二酸二酰肼扩链,另一方面制备以酮 基为侧基的聚丙烯酸酯,当乳液成膜时,可以形成 肼一酮交联体系,从而在保证乳液稳定性的同时增强 了膜的耐水性。Irle C等 则在PA中引入乙酰乙 酸基,并在乳液中加入多胺使其形成交联体系,实现 了提高膜耐水性的目的。 光泽度下降,硬度增大,断裂伸长率下降,耐水耐候 2.3溶液聚合转相法 溶液聚合转相法是先利用溶液聚合的方法在有 性增加。 2.2原位乳液聚合法 机溶剂中制备PU预聚物,然后在其中加入丙烯酸 酯单体和引发剂进行丙烯酸酯单体的自由基溶液聚 合以得到可水分散的PUA复合树脂,再用水分散得 到复合乳液。用这种方法可形成不同核壳结构的乳 原位乳液聚合法是在种子乳液聚合的过程中以 丙烯酸酯单体代替有机溶剂,先溶液聚合制备亲水 的聚氨酯预聚物/丙烯酸酯单体混合物,再将其在水 中分散并加入引发剂等助剂进行丙烯酸酯单体的自 由基乳液聚合。原位乳液聚合法现已成为制备 PUA复合乳液的主要方法之一,制备的乳液涂膜具 有良好的耐水性及耐污染性。 胶粒,而且PU与PA紧密结合,乳胶粒均一规整,复 合乳液稳定且乳胶膜性能优异。国外申请了大量相 关专利 ,国内也有学者对这种方法进行了有益 的尝试 。 研究者们用丙烯酸酯单体和价格低廉的低沸点 有机溶剂部分代替高沸点有机溶剂,并采用中和与 乳化同步进行的工艺,制得了交联型PUA复合乳 3嵌段聚合法 嵌段聚合法是先制得含羧基和羟基的聚丙烯酸 第5期 张炎等・丙烯酸酯改性水性聚氨酯的方法 ・1l・ 酯,再制备异氰酸根(一NcO)基团过量的聚氨酯预 7 Adler H J.Karsten J,Bettina V B.Polyurethane macromers:New building blocks for acrylic hybrid emulsions with outstanding per- formanee.Progress in Organic Coatings,2001,43:251~257 聚物溶液,最后进行扩链,即可得到嵌段聚合物。 Dobert J等 利用含烯键的双官能团物质与其共 8杨捷,黄建炎,黎群.聚氨酯.丙烯酸酯核壳乳液的制备及其性能 的研究.中国皮革,1997,26(5):15~17 9李坚,何雨石.水分散性聚氨酯中丙烯酸甲酯乳液聚合的研究. 胶体与聚合物,2000,18(1):14~16 10 Urfka L,Matjaz K.Seeded semibatch emulsion copolymerization of methyl methacrylate and butyl acrylate using poluretyhane disper- 聚,合成带羟基的PA预聚物,再将其与含一NcO端 基的PU预聚物反应得到PUA复合树脂,最后用水 乳化。由于其憎水基团均处于胶粒内部,而亲水基 团分布在胶粒的外层,因此,该乳液具有相当好的静 置稳定性,粒径分布均一,乳胶膜具有优异的耐水耐 候性,高光泽性,高弹性和良好的物理机械性能。目 前国内对此类方法的研究还不是很多,其中左常江 等 通过这种方法制得了诸多性能均优于传统同 类树脂的稳定的水性丙烯酸酯聚氨酯涂料。而陈建 兵等 采用巯基乙醇作链转移剂,将丙烯酸十二氟 庚酯与其它丙烯酸酯单体经溶液自由基聚合,合成 含有一个端羟基的大分子单体。大分子单体与端异 氰酸酯基亲水改性的聚氨酯预聚体反应获得聚含氟 丙烯酸酯一聚氨酯一聚含氟丙烯酸酯A—B.A型三嵌段 共聚物。 4结束语 综上所述,共混改性的缺点难以避免,发展前途 不大;复合乳液共聚法的产品性能、工艺难易、成本 控制等方面均有较大的发展空间;嵌段聚合法制得 的PUA复合乳液及其涂膜性能优异,但其工艺尚不 成熟。因此,通过对复合乳液共聚法进行工艺优化 以降低成本合成稳定的PUA复合乳液以及对嵌段 聚合法的工艺路线进行更加深入的探索,使PUA复 合乳液能够尽快的商品化将成为今后的研究发展 方向。 参考文献 1 Goos H C,Overbeek G C.Process for the Preparation of Aqueous Polymer Dispersions.EP 03081 15(1989) 2 Dabi S,Loewrigkeit P,Van D K A.Aqueous Polyurethane Compo— sitions.US P 4335029(1982) 3赵灵霞,钱公望.丙烯酸酯改性水性聚氨酯的研究进展.中国胶 粘剂,2006,15(5):34~41 4崔月芝,张庆思,段洪东.水性聚氨酯与丙烯酸酯乳液交联反应 的研究.塑料工业,2002,30(1):10~l2 5王金平,贾梦秋.丙烯酸树脂交联改性水性聚氨酯乳液.北京化 工大学学报,2004,31(5):60~63 6 Hegedush C,K10iber K.Aqueous acrylic—poluyrethane hybrid dis— persions and their use in industiral coatings.J Coat Technol,1996, 68(860):39—48 sion:effect of soft segment length on kinetics.Colloids and Su lees: Physicochemistyr,2004,233:51~62 11侯青顺,张剑秋,俎建华.高PU含量的阴离子型聚氨酯.丙烯酸 酯共聚乳液的合成和性能.聚氨酯工业,2004,19(2):l0~13 12靳东杰,哈成勇,刘治猛,等.聚氨酯一丙烯酸酯乳液的结构与性 能.化学建材,2003,(5):5~8 13 周铭,张东阳,陈斌,等.丙烯酸改性芳香族聚醚聚氨酯分散体热 稳定性的研究.涂料工业,2004,34(11):l7~l9 14瞿金清,陈焕钦.聚氨酯一丙烯酸酯复合乳液的合成与性能.现代 化工,2004,24(1):28~3O 15 陈金莲,瞿金清,陈焕钦.丙烯酸改性水性聚氨酯乳液的研制.化 学建材,2004,(6):8—10 16谢筱薇,黄洪,傅和青,等.胶粘剂用聚氨酯.丙烯酸酯复合乳液 的合成与表征.化学建材,2006,22(1):26~28 17朱国全,仇明祥.聚氨酯/丙烯酸酯水性涂饰剂的实验研究.山东 化工,2001,30(6):8~9 18徐强,胡春圃,应圣康.用封端预聚物制备聚氨酯一丙烯酸酯水分 散液.功能高分子学报,2003,16(4):531~534 19 Yang S,Petschke G.Air Curable Water-Borne Urethane-Acrylic Hybrids.US P 6239209(2001) 20 Irle C,Blum H,KremerW,et a1.SelfCrosslinkable Polyurethane— Polyaerylate Hybrid Dispersions.US P 6063861(2000) 21 Hirose M,Zhou J,Nagai K.The structure and properties ofacrylic- oplyurethane hybridemulsions.Pro Org Coat,2000,(38):27~34 22 Stephan S,Egon W,Gerhard R,et a1.Polyurethane-Modiifed Poly- acrylate.US P 6001915(1999) 23谢维斌,陈国强.丙烯酸酯类对水性聚氨酯改性.皮革化工, 2004,21(2):1~4 24 Dober J,Vogt—Binrbrich B,Gebel A,et a1.Aqueous Polymer/Poly— Ul ̄thane Resin Binder Vehicle Dispersion and the Production There・ of,and Coating Media and the Use Thereof.US P 6001924(1999) 25左常江,张德震,尤秀韦,等.水性丙烯酸酯聚氨酯涂料的研究. 功能高分子学报,2004,17(3):457~461 26陈建兵,王武生,王宇,等.聚含氟丙烯酸酯一聚氨酯三嵌段共聚 物水基分散体的合成及膜结构.应用化学,2006,23 (2):198~202 收稿13期2008—03—30 修回Et期2008—09—22 (下转第l5页) 第5期 曹风采等・纺织整理剂用封端型脂肪族水性聚氨酯的合成与性能研究 ・15・ (3)随着nNCO//n。 值的增大,刚性增大,材料拉 polyurethane systems.Progress in Organic Coatings,2002,44: 伸强度和吸水率增大,但伸长率降低,nNCO/n。 为 161~183 1.8时适宜,既可赋予WPU胶膜较高力学性能,同 3蔡再生.水溶性反应型聚氨酯的试制研究.中国纺织大学学报, 1995,(1):21—23 时又能保持较低吸水率,显示较好的耐水性。 4查刘生.羊毛防缩剂的研制.精细化工,1994,(4):30~31 (4)随DMPA的含量增加,PU膜的耐水性能降 5于世林.波谱分析法.重庆:重庆大学出版社,1991.3 低,DMPA质量分数为5.5%时合适。以NaHSO,为 6李绍雄,刘益军.聚氨酯树脂及其应用.北京:化学工业出版社, 封端剂,nNaHS03/nNco等于1.1时封端率较高。此时 2002.2,34 合成的封端型脂肪族水性聚氨酯乳液综合性能好, 7张瑞萍.水溶性聚氨酯的制备及应用.丝绸,2004,(12):22, 24 8周向东.封端型水性聚氨酯的合成及应用.印染助剂,2007,24 可用于织物整理。 (5):9~11 9 Rahman M M,Kim H.Characterization of waterborne polyurethane 参考文献 adhesives containing different soft segments.Adhesion Sci Technol, 1 Byung K K,Jang W S,Han M J.Morphology and properties of 2007,21(1):81~96 waterborne polyurethane clay nanoeomposites.European Polymer 10刘玉海,赵辉.异氰酸酯.北京:化学工业出版社,2004.3 Journal,2003,39:85—91 2 Wicks Z W,Wicks D A,Rosthauser J W.Two package waterborne 收稿日期2008—04—17 修回日期2008—08—10 Synthesis and Properties of Blocked Aliphatic Waterborne Polyurethane Used in Textile Finishing Agent Cao Fengcai Wang Wei (Key Laboratory ofScience&Technology foEco—textile,Min ̄tyr ofEducation,College ofChemisty,Chemical Engineering&Biotechnology,Donghua University,Shanghai 201620) Abstract:A series of blocked aliphatic waterbO1Tle polyurethane(WPU)emulsions were synthesized with iso. phoronediisocyanate(IPDI),polyether,dimethylolpropionic acid(DMPA)as materials and NaHSO3 as blocking a— gent.The effects of soft segment type,nNco/noH,DMPA content,blocking agent content on the properties of the e— mulsions and related properties of iflm were carefully studied.Results showed that when GMN3050 was used,nNCO/ noH was 1.8,the DMPA content was 5.5%and nNaHSO3/nNco was 1.1,properties of the emulsions and mechani・cal properties of the film made from the emulsions were the best. Keywords:blocked;waterborne polyurethane;property 作者简介 曹风采女,1984年生,在读硕士研究生,研究方向为水性聚氨酯免烫整理剂的合成与应用。 (上接第11页) Research Progress of Waterborne Polyurethane Modiifed、】l,ith Acrylate Zhang Yan Qi Zhengwang Chen Wei Chen Lei Huang Yiping (School of Chemistry and Chemical Engineering,Anhui University,Hefei 230039) Abstract:The research progress of waterborne polyurethane modified with acrylate at home and abroad in tihe recent years was introduced.The ways of mixture together modification and composite latex copolymerization modifi.. cation were given.The advantages and disadvantages of diferent methods were compared,looking forward its future development. Keywords:acrylate;waterborne polyurethane;modiifcation 作者简介张炎男,1981年出生,硕士研究生,研究方向:丙烯酸改性聚氯酯 

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