水性聚氨酯實驗方案

1、水性聚氨酯樹脂防水涂料的制備及性能研究實驗方案指導(dǎo)老師：蘇曉磊組員：李謙，吳缽，趙文杰一、 問題的提出隨著社會的發(fā)展和科技的進(jìn)步，目前大部分地方使用的聚氨酯樹脂都為溶劑型聚氨酯樹脂。這些有機(jī)溶劑的使用會造成各種危害，如操作者的健康、環(huán)境污染、儲存運輸?shù)劝踩[患。而且溶劑的揮發(fā)和回收還會造成資源和能源的浪費，也不符合國家節(jié)能減排的產(chǎn)業(yè)政策。隨著經(jīng)濟(jì)的發(fā)展和全球一體化環(huán)保和能源問題也引起各個國家的重視。因此各個國家開始思考是不是可以發(fā)明一種新型的聚氨酯樹脂防水材料來代替溶劑型聚氨酯樹脂防水材料，因此就有了發(fā)展和使用水性聚氨酯樹脂替代目前的溶劑型樹脂材料的想法產(chǎn)生。 1聚氨酯 ( PU ) 是由含羥

2、基、羧基、氨基等官能團(tuán)的化合物與含異氰酸酯基化合物反應(yīng)得到的高分子化合物, 分子主鏈中除含有許多重復(fù)的氨基甲酸酯 鍵(-NH COO -) 外, 還含有醚鍵、酯鍵、脲鍵、脲基甲酸酯鍵。聚氨酯被譽(yù)為性能最優(yōu)異的樹脂, 以其制得的涂料具有許多優(yōu)異的性能, 如高硬度、耐磨損、柔韌性好、耐化學(xué)品、附著力強(qiáng)、成膜溫度低、可在室溫固化等。但是, 傳統(tǒng)的溶劑型聚氨酯涂料在制備和 施工的過程中都需添加不少有機(jī)溶劑, 對人類健康和環(huán)境造成危害。此外, 雙組分聚氨酯涂料中游離的多異氰酸酯(如 TDI) 對皮膚、眼睛和呼吸道有強(qiáng)烈的刺激作用, 長期接觸會引起慢性支氣管炎等疾病。目前日本、德國、意大利等發(fā)達(dá)國家已開始

3、使用水性聚氨酯樹脂替代溶劑型聚氨酯樹脂采用人工合成。我國由于水性聚氨樹脂開發(fā)比較遲目前未經(jīng)改性的水性聚氨酯樹脂還不能用于各個行業(yè)。目前已有許多改性的水性聚氨酯樹脂產(chǎn)品，如專利號CN101348554、CN1884335、CN1854165、CN1772786、CN1611522等等。這些水性聚氨酯樹脂盡管使用原料和生產(chǎn)工藝有所不同，但產(chǎn)品只能用于涂料和粘合劑，應(yīng)用范圍還是非常局限的。因此, 隨著人們環(huán)保意識的加強(qiáng)和各國環(huán)保法律法規(guī)對揮發(fā)性有機(jī)化合物 ( VOC ) 排放量的限制, 水性聚氨酯涂料的研究與開發(fā)越來越受到重視。水性聚氨酯是以水為分散介質(zhì), 聚氨酯樹脂溶解或分散于水中而形成的二元膠態(tài)

4、體系, 以其制備的水性聚氨酯涂料中不含或含有極少量的有機(jī)溶劑。水性聚氨酯涂料,不僅具有無毒無臭味、無污染、不易燃燒、成本低、不易損傷被涂飾表面、施工方便、易于清理等優(yōu)點, 還具 4 7有溶劑型聚氨酯涂料所固有的高硬度、耐磨損等優(yōu)異性能,因而在木器涂料、汽車涂料、建筑涂料、塑料涂料、紙張涂層以及織物和皮革涂飾等許多領(lǐng)域得到了廣泛的應(yīng)用。為了滿足人們在生產(chǎn)和生活方面對具有新型功能的水性涂料的需求, 近年來, 人們通過對水性聚氨酯改性或添加助劑開發(fā)出了許多具有特殊物理和化學(xué)性質(zhì)的水性聚氨酯涂料, 提高了水性聚氨酯涂料的功能性, 擴(kuò)大了水性聚氨酯涂料的應(yīng)用范圍。二、 實驗假設(shè)與理論依據(jù)1.實驗假設(shè)聚氨

5、酯樹脂應(yīng)用廣泛、性能優(yōu)異。它作為涂料使用時, 所形成的涂膜機(jī)械性能好、耐磨性好、硬度高、耐水、耐化學(xué)、耐老化性優(yōu)異, 屬于高性能涂料。它的應(yīng)用領(lǐng)域極為廣闊, 主要包括地面涂料、廚房家具涂料、辦公家具涂料, 機(jī)械設(shè)備涂料。它對各種基材, 如木材、水泥、金屬、玻璃基材的表面附著力很強(qiáng)。溶劑型聚氨酯涂料已得到廣泛的應(yīng)用,但隨著環(huán)境保護(hù)的要求日益嚴(yán)格,低 VOC或零VOC以及無 HAPs( hazardous air pollution) 的聚氨酯涂料的研究已得到廣泛的關(guān)注, 國內(nèi)外工業(yè)界和科研單位已開展了大量的工作, 出現(xiàn)了大量的專利, 并先后投入商業(yè)生產(chǎn), 這其中水性聚氨酯涂料不含或只含極少的有機(jī)

6、溶劑, 對環(huán)境幾乎沒有污染, 因而更受人們的青睞。水性聚氨酯即聚氨酯水分散體, 它主要是以水作為溶劑進(jìn)行施工的。早期的水性聚氨酯存在著許多的缺點, 其一是產(chǎn)品造價高, 制作工藝復(fù)雜; 其二是產(chǎn)品性能差, 不如溶劑型產(chǎn)品的性能。但自從 20 世紀(jì) 70 年代以來, 水性聚氨酯有了長足的發(fā)展。開發(fā)出的有些產(chǎn)品的優(yōu)異性能已達(dá)到甚至超過了溶劑型聚氨酯, 表現(xiàn)出極為誘人的發(fā)展前景。因此我們可以通過將溶劑型聚氨酯涂料的高性能和水性涂料的低 VOC含量相結(jié)合, 其分子結(jié)構(gòu)具有可裁減性, 結(jié)合新的合成和交聯(lián)技術(shù), 使水性聚氨酯涂膜性能達(dá)到甚至優(yōu)于傳統(tǒng)的溶劑型聚氨酯樹脂涂料, 成為發(fā)展最快的涂料品種之一。通過把

7、聚合產(chǎn)物、氨基甲酸酯降溫, 在低溫條件下加冷水乳化，通過控制有機(jī)物和粉體的比例，并且通過測量摻和以后形成的防水性涂料的機(jī)械性能、力學(xué)性能、揮發(fā)性、防水性、抗老化性以及對涂料進(jìn)行熱分析從而得到性能能更加優(yōu)越的水性聚氨酯樹脂防水涂料。2.理論依據(jù)在溶劑型聚氨酯涂料中, 人們總是千方百計地除去水分, 因為水會與異氰酸酯反應(yīng), 生成胺和二氧化碳, 胺繼續(xù)與異氰酸酯反應(yīng), 使異氰酸酯大量消耗, 同時二氧化碳逸出, 在漆膜表面形成氣泡, 導(dǎo)致漆膜性能很差。而水性雙組分聚氨酯涂料的成膜過程不同于溶劑型體系, 成膜初期為物理干燥過程, 隨著水分的蒸發(fā), 分散體或乳液粒子凝聚, 聚合物鏈相互擴(kuò)散和反應(yīng)。在其成膜

8、過程中有: 1) 可揮發(fā)物( 溶劑、水) 的揮發(fā); 2) 多元醇和多異氰酸酯粒子的共凝結(jié); 3)多異氰酸酯和水的反應(yīng); 4) 多元醇和多異氰酸酯的反應(yīng)。這個過程本身比較復(fù)雜, 當(dāng)兩組分接觸時, 兩者不在一相內(nèi), 攪拌后, 多元醇作為乳化劑將多異氰酸酯分散在水中才能成為一相, 從而進(jìn)行反應(yīng); 同時還有水和羥基與異氰酸酯的競爭反應(yīng)發(fā)生。從聚合物的物理性能來看, 玻璃化溫度較高、分子量較大的聚合物乳液具有較高的剪切模量和較差的凝聚性, 其物理成膜性能差; 小粒徑乳液有利于凝聚, 但乳液具有低固含量和高粘度, 粒子達(dá)到凝聚狀況必須蒸發(fā)較多的水分, 影響物理成膜過程?；瘜W(xué)干燥過程比較復(fù)+雜, 涉及到固化

9、劑的 NCO 基與多元醇的羥基、水和穩(wěn)定聚合物粒子的羧基等基團(tuán)間的反應(yīng), 反應(yīng)速率取決于施工環(huán)境的溫度、濕度、反應(yīng)體系中催化劑含量和基團(tuán)的反應(yīng)活性等, 具體反應(yīng)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, 可揮發(fā)物開始揮發(fā), 使粒子更緊密接觸。粒子的凝結(jié), 使異氰酸酯與羥基的反應(yīng)大大增強(qiáng)。涂層在室溫下水分的蒸發(fā)相對較快, 30 min 內(nèi)在涂膜中的水含量下降到2 % 3 %,最終的平衡水含量為 1% 左右。涂膜中的- NCO濃度降低速率較慢, 只有

10、 6 % 的- NCO 基參與了反應(yīng), 24 h 后參與反應(yīng)的 NCO基增大到 90 % , 完全反應(yīng)需要幾天。環(huán)境濕度和溫度對干燥過程有重要作用, 室溫固化過程約有 60% 的-NCO基與水反應(yīng)形成脲, 而130e 干燥 30 min 與水反應(yīng)的- NCO 基含量降低到10% 。隨著固化溫度升高, 生成氨基甲酸酯的含量越多, 同時高溫下 NCO 基與羧基反應(yīng)形成的酰胺, 有利于改善涂膜性能。因此, 應(yīng)根據(jù)應(yīng)用領(lǐng)域和涂膜性能要求選擇固化條件。三、實驗?zāi)繕?biāo)通過做這個實驗，可以了解現(xiàn)代科技與技術(shù)的發(fā)展前景，了解材料方面的一些新型材料，為以后能夠生產(chǎn)出機(jī)械性能好、耐磨性好、硬度高、耐水、耐化學(xué)、耐老

11、化性優(yōu)異的高性能涂料，使之在木器涂料、汽車涂料、建筑涂料、塑料涂料、紙張涂層以及織物和皮革涂飾等許多領(lǐng)域得到了廣泛的應(yīng)用。為后續(xù)在材料方面的發(fā)展和探索做好準(zhǔn)備。同時，通過自己動手做實驗，而學(xué)習(xí)一些基本實驗的操作，熟悉本專業(yè)部分儀器設(shè)備的使用方法，鞏固專業(yè)知識以及在工藝方面的專業(yè)知識，為以后的學(xué)習(xí)打下一定的基礎(chǔ)。也為即將面臨的工作奠定一定的實踐以及理論基礎(chǔ)。三、 實驗對象、方法及手段1.實驗對象主要原材料：甲苯二異氰酸酯( T D I) 工業(yè)級聚酯多元醇 工業(yè)級聚醚多元醇 工業(yè)級親水基化合物 工業(yè)級中和劑 工業(yè)級擴(kuò)鏈劑 工業(yè)優(yōu)級品丙酮 工業(yè)優(yōu)級品無離子水 自制2.實驗方法1）氨基甲酸酯的合成預(yù)聚

12、反應(yīng): 甲苯二異氰酸 酯( T D I) 與聚酯多元醇、聚醚多元醇 在 6080條件下進(jìn)行聚加成反應(yīng), 制成含異氰酸基-N CO ) 的預(yù)聚體。擴(kuò)鏈反應(yīng): 在 6080條件下含異氰酸基-NCO) 預(yù)聚體與擴(kuò)鏈劑、親水基化合物反應(yīng)生成氨基甲酸酯。2） 乳化把聚合產(chǎn)物、氨基甲酸酯降溫, 在低溫條件下加冷水乳化。通過對實驗中加的有機(jī)物的不同比例，觀察并通過一定的測量參數(shù)，以及通過觀察他們的官能團(tuán)粉體物理性質(zhì)，有機(jī)物結(jié)構(gòu)，通過測量他們的機(jī)械性能，力學(xué)性能，化學(xué)性能，光學(xué)性能，以及防水性，耐水性，防腐性的各種性能，和原來試樣進(jìn)行對比，并總結(jié)。3.檢測手段（數(shù)據(jù)統(tǒng)計）應(yīng)用金相顯微鏡，觀察有機(jī)物的結(jié)構(gòu)以及粉體物質(zhì)的內(nèi)部組織，同時使用能譜儀，對微區(qū)成分熱分析，了解混合形成的防水性涂料的各種性能。數(shù)據(jù)統(tǒng)計記錄：五、實驗原則實驗過程堅持求真務(wù)實、實事求是的原則，堅決杜絕實驗作假，編造實驗數(shù)據(jù)。并且保證一定要親自動手做實驗，了解一般做實驗過程中所需要注意的一些事項。六、實驗步驟1.準(zhǔn)備階段（起止時間2013年3月2