IPDI／HDI型水性聚氨酯分散体的合成及性能研究

IPDI／HDI型水性聚氨酯分散体的合成及性能研究

来源: 作者: 发布时间:2009-10-29

摘要：以脂肪族异氰酸酯[异佛尔酮二异氰酸酯(1PDl)、六次甲基二异氰酸酯(HD，)1、聚醚(N-220)为主要原料，通过丙酮法合成了水性聚氨酯(WPU)分散体。探讨了门(1PDI中

-NCO)：门(HDI中-NCO)比例、后扩链剂用量和交联度等对WPU胶膜力学性能和耐溶剂(水和乙醇)性能的影响。结果表明：随着n(1PDI中-NCO)：门(HDI中-NCO)比例的增加，WPU胶膜的拉伸强度提高，断裂伸长率、耐水性和耐乙醇性均下降；当门(1PDI中-NCO)：门(HDI中-NCO)二0．25：1B寸，WPU胶膜的吸水率只有6％；随着后扩链剂用量或交联度的增加，WPU 胶膜的拉伸强度提高、断裂伸长率下降。

0 前言

水性聚氨酯(WPU)是以水为分散介质的二元胶体体系，它不仅具有溶剂型聚氨酯(PU)的优点(如优良的耐低温性、柔韧性好和粘接强度高等)，而且还具有不燃、气味小、不污染环境、节约能源和操作加工方便等优点。目前，WPU已在涂料、胶粘剂(包括汽车内饰件、装饰材料、复合薄膜、鞋底和鞋帮等材料的粘接)和皮革涂饰剂等方面得到广泛应用。

WPU的原料价格随着国产化以及生产品种和规模的不断扩大而逐渐降低，使得WPU的研究和应用逐步趋于完善。目前，国内对芳香族异氰酸酯类WPU的研究报道较多，而对脂肪族异氰酸酯类WPU的研究则报道较少。随着人们生活水平的不断提高，环保、健康、高性能和综合性能优异的绿色产品已逐渐成为未来发展的主流，因此，环保性能更好的脂肪族异氰酸酯类WPU产品将越来越受到重视。

本试验采用脂肪族异佛尔酮二异氰酸酯(1PD!)、六次甲基二异氰酸酯(HDl)和聚醚

(N-220)为主要原料，以乙二胺(EDA)为后扩链剂，制取IDPI／HDI型WPU分散体，并分析了原料配比、后扩链剂用量和交联度等对WPU性能的影响。

l 试验部分

1．1 试验原料

异佛尔酮二异氰酸酯(1PDl)、六次甲基二异氰酸酯(HDl)，工业级，拜耳公司；聚醚(N-220)，工业级，山东东大化学品公司；一缩二乙二醇(DEG)，工业级，上海高桥化工厂；二羟甲基丙酸(DMPA)、三羟甲基丙烷(TMP)，工业级，北京林氏精华化新材料公司；三乙胺(TEA)，分析纯，上海宁新化工试剂厂；二月桂酸二丁基锡(T—12)、辛酸亚锡(T—9)，分析纯，北京化工三厂；丙酮，工业级，上海东懿化学试剂公司；乙二胺(EDA)，分析纯，广州化学试剂厂；乙醇，分析纯，上海振兴一厂。

7．2 试验仪器

LM-智能电子拉力实验机，济南兰光；Nexus--870型盯—IR红外光谱仪，美国：Nicolel仪器公司。

1．3 WPU的制备

在干燥氮气保护下，将真空脱水后的聚醚与IPDI／HDI按计量加人到三口烧瓶中，混合均匀后升温至85～90cC，反应2h；然后加入计量好的DEG扩链剂、TMP交联剂、DMPA、丙酮和几滴催化剂(T—9、T-12)，60-65℃反应5h后冷却至40℃，出料；将预聚体用TEA 中和，高速乳化后加入后扩链剂EDA稀释液进行扩链反应，得到WPU乳液；最后将该乳液减压蒸馏，脱除丙酮即可。

1．4 测试与表征

1．4．1 耐水性和耐乙醇性

将胶膜裁剪成小方块(2cmx2em)并称重(Wo)，然后分SrJ放入水、乙醇中浸泡24h，取出，吸净表面液体并称重(Ⅳl、W2)。胶膜在水中的吸水率：(W,-Wo)／Wo，胶膜在乙醇中的溶胀度：[(W2-Wo)巩十Ⅳ／／W(ⅣdP,)。其中：几为乙醇密度(少m’)；卢1为膜的密度(水m’)田。

1．4．2 拉伸强度测定

将胶膜室温干燥24h、60℃干燥4h后，裁剪成哑铃状(30mmx3mm)，然后采用智能电子拉力实验进行测定(拉伸速率为200mm／min)。

1．4．3 红外光谱(FT-IR)表征

采用红外光谱仪进行分析。

2结果与讨论

2．1 WPU胶膜的FT-IR表征与分析

WPU胶膜的FT-IR曲线如图1所示。由图1可知：3338cm—1处为N-H的伸缩振动吸收峰，1719cm4处为C=O的伸缩振动吸收峰，1 535cm-I处为C-N的弯曲振动吸收峰，1 251cm-1处为C-O-C的伸缩振动吸收峰；此外，2971、2931cm-1处是-CH、-CH2的重叠峰；2 270cm”处没有峰，说明-NCO已反应完全。由此可知：本试验已成功制取了WPU乳液。

2．2 原料配比对WPU胶膜力学性能的影响

在脂肪族WPU产品中，IPDI型WPU的应用实例较多，但HDI型WPU的单独产品基本没有。有关专利[2-3]研究结果表明：事实上采用预聚物分散法无法成功制备出带羧基的HDI 型WPU分散液。这是由于当基于HDI的预聚物分散在水中时，其分散液的黏度迅速上升，形成很稠的膏状物，不能进行扩链反应；或者用胺类物质进行扩链反应时，会生成不溶的聚脲凝聚颗粒。而单独采用IPDI型WPU制成的膜，其弹性欠佳。因此，可以考虑将IDPI和HDI 共同使用制备WPU，使共聚物兼具两者的优点。

本试验在保持其他条件不变的前提下，即侧(亲水基团DMPA)：2．0％、n(—NCO)：n(聚醚中-OH)：5．0：1和n(TMP中-OH)：n(N-220中-OH)二1：4时，仅改变n(1PDI中-NCO)：n(HDI中-NCO)比例，则原料配比对WPU胶膜力学性能的影响如图2所示。

由图2可知：随着n(1PDI中-NCO)：n(HDI中—NCO)比例的增加，WPU胶膜的断裂伸长率下降，拉伸强度增大。这是因为IPDI呈环状结构，刚性较大，有利于WPU胶膜拉伸强度的提高；而HDI为线型对称结构，柔软性较好，有利于WPU胶膜断裂伸长率的提高。因此，当IPDI含量较高时，IPDI对WPU胶膜拉伸强度的贡献较大，表现为拉伸强度较高；当IPDI 比例减至某一值时，HDI对WPU胶膜断裂伸长率的贡献较大，表现为断裂伸长率较高；特别是当n(1PDI中-NCO)：n(HDI中-NCO)二1．5：1时，WPU表现出优异的综合性能，如图3

所示。

2．3 原料配比对WPU胶膜耐溶剂性的影响

耐水性和耐乙醇性也是WPU重要的性能指标。由于WPU预聚体可溶于丙酮、乙醇等极性溶剂，因此WPU胶膜的耐乙醇性可反映出胶膜耐极性有机溶剂的能力。从实验中发现：