自交聯(lián)陰離子聚氨酯-聚丙烯酸酯微乳液的制備及與紙基材料的作用機(jī)理研究.pdf

1、目前，低有機(jī)物揮發(fā)物(VOC)或無VOC的水性材料已逐漸成為國內(nèi)外研究者關(guān)注的熱點(diǎn)。本課題以原位無皂乳液聚合法，不使用有機(jī)助溶劑，以丙烯酸酯交聯(lián)改性水性聚氨酯(WPU)。在沒有外加乳化劑的情況下，依靠WPU分子鏈的自乳化性，實(shí)現(xiàn)改性聚氨酯在水中的分散。通過在聚氨酯預(yù)聚體的末端引入雙鍵，進(jìn)行自由基原位聚合制備了聚氨酯/聚丙烯酸酯微乳液(IPUA)。利用丙烯酸酯對陰離子型WPU進(jìn)行共聚改性，引進(jìn)可交聯(lián)基團(tuán)，使產(chǎn)品在成膜過程中達(dá)到自交聯(lián)的目的

2、。本文研究了IPUA體系中聚氨酯與聚丙烯酸酯二者之間的相容性對結(jié)構(gòu)與性能的影響，并將乳液應(yīng)用于紙張表面處理，使紙張達(dá)到增強(qiáng)和抗水性能的明顯提高。本課題主要內(nèi)容如下:
　　 (1)調(diào)整丙烯酸酯在共聚物中的含量，以原位無皂聚合法合成一系列IPUA微乳液。結(jié)果顯示，當(dāng)丙烯酸酯含量從0wt％增加到58wt％時(shí)，IPUA的Z-均粒徑從23nm增加至61nm。原子力顯微鏡(AFM)證實(shí)，丙烯酸酯組分的存在，雖然破壞了PU鏈中硬段組分的有序度

3、，但是兩組分之間的作用力卻是隨著丙烯酸酯組分含量的增加而加強(qiáng)的。熱失重微分曲線(DTG)表明，隨著丙烯酸酯組分含量的逐漸提高，聚合物中對應(yīng)于不同組分的降解峰逐漸合并為一個(gè)主降解峰，表明聚合物的相容性在逐漸改善，聚合物的熱失重溫度在隨之增加。另外，丙烯酸酯含量的增加亦改善了膠膜的力學(xué)強(qiáng)度和耐水性。
　　 (2)以丙烯酸羥乙酯(HEA)，季戊四醇三丙烯酸酯(PETA)兩種不同的單羥基功能性不飽和單體作為PU與PA之間的親水交聯(lián)劑，分

4、別合成IPUAH和IPUAP微乳液?？疾煊H水交聯(lián)劑中乙烯基含量及分布的變化對微乳液的貯存穩(wěn)定性，膠粒粒徑及形貌，膠膜的相行為，熱穩(wěn)定性，耐水性以及表面的聚合物組成的影響。紅外光譜證實(shí)乙烯基已經(jīng)存在于PU鏈末端，在它的作用下，PU與St、BA發(fā)生了自由基共聚。PU鏈末端引入的乙烯基改善了聚合物的貯存穩(wěn)定性，且隨著乙烯基含量的增加，聚合物的貯存穩(wěn)定性增強(qiáng)。同時(shí)，在乙烯基含量相同但分布不同的情況下，乙烯基分布密集的IPUAP體系比IPUAH3

5、體系的貯存穩(wěn)定性好。粒徑分析表明隨著乙烯基含量的增加，IPUAH微乳液粒徑由63nm降低至43nm，分布系數(shù)從0.394減小至0.122。但是IPUAP微乳液與IPUAH3相比，前者卻呈現(xiàn)更大的粒徑和更窄的粒徑分布;透射電鏡圖(TEM)顯示，IPUAH3呈現(xiàn)出以PU為殼，PA為核的反向核殼結(jié)構(gòu)，膠粒大小比較均勻。但乙烯基分布密集的IPUAP則無明顯的核殼結(jié)構(gòu)，而呈現(xiàn)均一的納米級膠粒形貌;AFM相圖證實(shí)，體系中乙烯基含量的增加和分布的密集

6、程度均會(huì)提高PU與PA兩者之間的相容性;熱分析曲線(TG-DTG)亦表明，聚合物的熱穩(wěn)定性是隨著乙烯基含量及分布的增加而增加的;光電子能譜(XPS)結(jié)果分析表明，IPUAH膠膜表面N元素含量隨著乙烯基含量增加而增加，其中IPUAH3的N元素含量最接近純PU膠膜的N元素含量;而當(dāng)對O1s峰采用去卷積法又證明了PUAH膠膜表面PU相的聚集;另外，IPUAP與IPUAH3進(jìn)行對比，發(fā)現(xiàn)前者的N元素含量、O-(C=O)-NH峰面積百分比更低，但

7、C-(C=O)-O峰面積百分比更高。耐水性能的研究表明，較高的乙烯基含量及分布可在一定程度上提高膠膜的耐水性能。
　　 (3)將所合成的IPUA微乳液應(yīng)用于紙張表面改性，考察共聚物中丙烯酸酯含量的不同，親水交聯(lián)劑乙烯基含量及分布的不同對紙張力學(xué)性能以及疏水性的影響。并觀察改性前后紙張表面及內(nèi)部纖維微觀形貌的變化。結(jié)果顯示，當(dāng)丙烯酸酯含量低于45wt％時(shí)，紙張的濕強(qiáng)度和耐折強(qiáng)度隨著丙烯酸酯含量的增加而增大;而在丙烯酸酯含量進(jìn)一步增

8、加時(shí)，耐折強(qiáng)度卻又呈現(xiàn)減小的趨勢;另一方面，隨著丙烯酸酯含量的增加，紙張表面的水接觸角逐漸增大，而滲透時(shí)間卻呈現(xiàn)先增大后減小的趨勢。隨著乙烯基含量的增加，紙張的濕強(qiáng)度和耐折強(qiáng)度均隨之增大;而紙張表面的水接觸角和滲透時(shí)間呈現(xiàn)先增大后減小的趨勢，且當(dāng)乙烯基含量為0.97％時(shí)，紙張的疏水性最好。另外，當(dāng)乙烯基含量相同，分布不同時(shí)，乙烯基分布越密集紙張獲得的力學(xué)性能與疏水性能越好。掃描電鏡(SEM)證實(shí)，IPUAH3與IPUAP微乳液均能在紙張