有机硅丙烯酸酯改性水性聚氨酯的合成与性能

水性聚氨酯（WPU）因其众多优点及用途而受到人们的广泛关注，但单一的WPU因其耐水性、硬度、热稳定性等不太理想而限制了其应，因此需要对其进
行改性。

聚丙烯酸酯（PA）、有机硅（硅烷偶联剂）具有与WPU互补的性能，是改性WPU比较理想的材料。

论文采用互穿网络聚合法合成了有机硅丙烯酸酯双重改性水性聚氨酯，取得了明显的技术性能提高改性效果。

摘要：以异佛尔酮二异氰酸酯（IPDI）、g-氨丙基三乙氧基硅烷（KH550）、甲基丙烯酸甲酯（MMA）、g-（甲基丙烯酰氧基）丙基三甲氧基硅烷（KH570）为原料，分别合成了水性聚氨酯预聚体（WPU）、聚丙烯酸酯（PA）、有机硅
改性的水性聚氨酯预聚体（SiWPU）和有机硅改性的聚丙烯酸酯（SiPA），然后以WPU、SiWPU、PA、SiPA为原料，采用互穿网络聚合法合成了有机硅-丙烯酸
酯双重改性水性聚氨酯。

通过测定吸水率和水接触角考察了PA、SiPA、SiWPU
含量对胶膜耐水性能的影响并分析了反应机理。

结果表明：SiWPU-40%-SiPA-37.5%〔40%为SiWPU的含量（以WPU和SiWPU总质量为基准，下同）；37.5%为SiPA 占膜总质量百分数〕胶膜吸水率从改性前样品WPU的37.8%降低至改性后的6.8%，接触角从56.8°增至86.4°，铅笔硬度从改性前的2B提升至H。

热重分析显示，Tmax（样品热分解速率最大时的温度）从改性前的340.2 ℃提升至412.4 ℃；TEM 表明，改性后的乳胶粒形成了核壳结构；XRD和断面SEM显示，PA和有机硅改性均增加了聚合物的交联度。

结论
（1）合成了有机硅、丙烯酸酯及其双重改性水性聚氨酯乳液。

红外光谱分析表明，有机硅、丙烯酸酯及其双重改性水性聚氨酯已经成功合成，并且硅烷偶联剂上的硅氧烷基团已经发生水解、缩合形成了—Si—O—Si—键。

（2）在一定的添加量范围内，PA或有机硅含量越高，改性水性聚氨酯（WPU）的耐水性能越好，且两者的改性可以起协同作用；在PA和WPU上同时引入两种有机硅烷偶联剂的改性水性聚氨酯比只在PA或者WPU上引入一种硅烷偶联剂或者不引入硅烷偶联剂所制备的改性水性聚氨酯中PA和WPU的相容性得到提升，具有更好的耐水性和乳液稳定性。

（3）PA改性WPU使耐水性增加的原因是：PA与WPU形成互穿网络结构，增加了聚合物的交联度；有机硅改性WPU使胶膜耐水性增强的原因是：有机硅上的硅氧烷基团发生水解、缩合形成了—Si—O—Si—键，增大了聚合物的交联度，并且有机硅可以降低乳胶膜的表面能。

（4）所制备的SiWPU-40%-SiPA-37.5%乳液的稳定性良好，其胶膜的24 h吸水率降低至6.8%，接触角达86.4°，有较好的耐水性，铅笔硬度达到H，附着力、耐冲击性合格，乳液稳定，可常温固化，在水性涂料领域有良好的应用的前景。

反应路线
产品表征
图1 WPU、WPU-PA-37.5%和SiWPU-40%SiPA-37.5%的FTIR
图2 WPU-PA-37.5%（a、b）和SiWPU-40%- SiPA-37.5%（c、d）乳胶粒的TEM
照片
图3 WPU（a）、WPU-PA-37.5%（b）和SiWPU-40%- SiPA-37.5%（c）的SEM
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图4 WPU、WPU-PA-37.5%和SiWPU-40%-SiPA-37.5%的TG和DTG曲线
图5 WPU、WPU-PA-37.5%和SiWPU-40%-SiPA-37.5%的XRD图。