高固体份水稀释型UV固化聚氨酯丙烯酸酯及改性研究

作     者：邓锡柱 

作者单位：华南理工大学 

学位级别：硕士

导师姓名：叶代勇

授予年度：2016年

学科分类：081702[工学-化学工艺] 08[工学] 0817[工学-化学工程与技术] 

主      题：水性UV涂料 高固体份 聚氨酯丙烯酸酯 黏度 固化动力学 纳米纤维素晶须 

摘      要：水性光固化树脂结合了传统的紫外光固化涂料和水性涂料的优点,具有清洁环保、超低VOC、易清洗、适用多种设备、涂装方便、产品性能好等特点,成为木器漆涂料工业发展的必然趋势之一。水性聚氨酯丙烯酸酯以其优异的性能成为高档木器涂料的重要研究方向,然而一般制备的水分散或乳液型聚氨酯丙烯酸酯固含量偏低(50%以下),水分挥发慢,增加能耗和时间。本研究制备高固体份的水稀释型光固化聚氨酯丙烯酸酯,只需加入少量水即可稀释,大大提高了生产效率、涂施效果和降低运输成本等,且对各反应组分黏度影响因素详尽研究有利于水性树脂生产工艺的改善。以甲苯二异氰酸酯为硬段,聚醚二元醇或聚乙二醇为软段,二羟甲基丙酸为亲水性物质,丙烯酸羟丙酯和季戊四醇三丙烯酸酯联用为封端剂等,分子设计、调节比例合成了固含量约为80%的水稀释型光固化聚氨酯丙烯酸酯。系统地研究了软段种类及分子量、NCO/OH物质的量比值、亲水扩链剂DMPA的加料顺序及加入量、内交联剂含量以及COOH含量等因素对聚氨酯丙烯酸酯预聚物的黏度与漆膜拉伸强度、凝胶率等多种性能的影响。对水性预聚物树脂进行红外光谱(FT-IR)、凝胶渗透色谱(GPC)和粒径分析,对光固化的漆膜进行差示扫描量热仪(DSC)和热重(TG)测试。结果表明:COOH含量并不是决定预聚物黏度的唯一因素,聚醚二元醇N210或聚乙二醇400作为软段、小分子量的二醇、NCO/OH值在1.7.8、DMPA集中在硬段或软段、15%三羟甲基丙烷更有利于降低黏度,而制备的漆膜性能良好:硬度可达H,柔韧性2mm,最快固化时间2s,最大拉伸强度11.88MPa,最大断裂伸长率达21.4%;GPC分析显示分子量分布适中,粒径100nm左右;DSC和TG测试表明漆膜热稳定性良好,适用于家具水性木器漆上。通过UV-LED点光源与红外光谱仪联用模拟实时红外技术,研究了固化时间、光引发剂种类和浓度、漆膜厚度等因素对水性预聚物固化动力学的影响。实验发现,水性光引发剂Darocur 4265具有与水性树脂较好的相容性和高引发效率,2s便可达到一定固化效果;4%光引发剂浓度可获得最大的双键转化率和聚合速率,光固化聚合反应最大速率所对应时间为0.72s;漆膜的最佳厚度为120μm,光固化最大转化率约65%,最大凝胶率约为85%。进一步用纳米纤维素晶须对合成的水稀释型聚氨酯丙烯酸酯进行物理及化学接枝改性,并通过红外光谱、凝胶渗透色谱、扫描电镜(SEM)和透射电镜(TEM)等测试了树脂和固化涂膜的性能。结果表明:化学改性比物理改性具有更好的相容性和综合性能。化学改性后树脂重均分子量和数均分子量分别提高25%和50%,拉伸强度和凝胶率随着交联聚合程度的增大而增大,纤维素量为1.0%可取得最佳固化时间(2s),并具有较好的耐水性和附着力。SEM图显示化学改性后的涂膜表面有很多分布均匀的小突起,有一定的粗糙度;TEM图显示纳米纤维素大小在200nm、横向直径分布在40-50nm之间,达到化学改性效果。