水性聚氨酯胶膜的耐热性能研究
作者单位：安徽大学
学位级别：硕士
导师姓名：许戈文
授予年度：2019年
学科分类：08[工学] 0805[工学-材料科学与工程（可授工学、理学学位）] 080502[工学-材料学]
摘 要：水性聚氨酯(WPU)作为新型的聚氨酯材料,与传统的的高分子材料相比具有比较优良的综合性能等优点。水性聚氨酯以其优异的综合性能以及广泛的应用领域,使得水性聚氨酯的研制与生产越来越受到世界各国的重视,但是总的来看,水性聚氨酯新型产品还存在不少的缺点需要人们来解决,其中水性聚氨酯的耐高温性普遍较差,当环境温度超过80℃时,水性聚氨酯材料一些重要的性能,比如聚氨酯胶膜的拉伸强度,弹性模量都会有不同程度的下降,当使用温度在200℃以上时,聚氨酯将不可避免的会发生热分解,当然这也限制了聚氨酯材料在一定条件下的使用,也阻碍水性聚氨酯的进一步的发展。所以,近年来水性聚氨酯的热稳定性领域成了研究热点,大量的国内国外相关的科研工作人员对此饶有兴趣。影响聚氨酯热稳定性的因素众多,主要包括软段和硬段,其中软段是由大分子多元醇构成,不同软段结构对聚氨酯的的热稳定性也会产生影响;二异氰酸酯,小分子扩链剂,交联剂等构成了聚氨酯的硬段。在聚氨酯中,聚氨酯的链段的热分解是从硬段开始,硬段的化学原料组成成分、含量、长度、结构影响了聚氨酯的热稳定性,而且硬段的变化在其中起到关键性作用,且构成聚氨酯硬段原料的种类,结构比较多。因此,从硬段着手去改善聚氨酯材料的热稳定性也是最直接,最有效,最简单的方法之一。本文主要探讨了不同小分子扩链剂、交联剂的结构以及它们各自含量的改变对水性聚氨酯的机械强度、热稳定性的影响。本文主要内容有以下三个部分。(1)不同小分子扩链剂的结构对水性聚氨酯耐热性能的影响本章以甲苯二异氰酸酯(TDI),聚醚多元醇N220为主要原料,分别采用1,4-丁二醇(BDO)、1,6-己二醇(HDO)、1,4-环己二醇(CHDO)、对苯二酚二羟乙基醚(HQEE)等二醇为扩链剂合成了一组水性聚氨酯乳液,探讨了不同结构的二醇扩链剂对聚氨酯胶膜的机械强度,耐热性能的影响。又分别采用乙二胺(EDA)、异佛尔酮二胺(IPDA)、对苯二胺(PDA)在1,4-丁二醇扩链的基础上进行后扩合成了一系列水性聚氨酯,通过傅里叶红外光谱(FT-IR)、差示扫描量热法(DSC)、热重分析(TG)以及不同温度下的硬度和拉伸测试,对比了不同结构的二醇类扩链剂以及二元胺类扩链剂对聚氨酯胶膜的机械强度,耐热性能的影响。结果表明醇类扩链剂中,含有刚性芳环的HQEE扩链的聚氨酯胶膜拉伸强度和硬度最大,从水性聚氨酯红外光谱的N-H伸缩振动吸收峰分峰结果可以看出芳香族扩链剂制备的水性聚氨酯体系氢键化作用强度大于脂环族和脂肪族体系,二胺类扩链剂体系氢键化作用程度大于二醇类扩链剂体系,其胶膜的力学性能和硬度也普遍高于醇类扩链剂。高温下聚氨酯胶膜的力学性能和硬度测试分析表明,二醇类扩链剂在80℃时胶膜拉伸强度保持率都低于50%,在100℃时低于30%,硬度在不同温度时下降也比较严重,胶膜的耐热性能明显要低于胺类扩链剂。聚氨酯胶膜的热性能测试分析表明,二元胺扩链的聚氨酯胶膜比二元醇扩链的聚氨酯热稳定性优异。二醇类扩链剂中HQEE的硬段的初始分解温度最高。(2)不同HQEE含量对水性聚氨酯耐热性能的影响本章以甲二异氰酸酯、对苯二酚二羟乙基醚、聚已二酸1,4-丁二醇酯二醇(PBA)等原料制得了一组稳定的阴离子水性聚氨酯乳液,通过乳液粒径测试以及对胶膜进行傅里叶变换红外光谱(FT-IR)、差示扫描量热(DSC)、热重分析(TGA)、力学性能等测试,结果表明:随着HQEE含量的增加,乳液平均粒径先增大后减小,胶膜的拉伸强度呈现先增大后减小的趋势,当HQEE含量为7%时,胶膜的力学性能达到最佳,拉伸强度达到30 MPa。聚氨酯胶膜的初始分解温度从267℃提高到286℃。(3)不同交联剂结构对水性聚氨酯耐热性能的影响本章以TDI、聚醚N220为主要原料,采用三官能度不同分子量的交联剂MN-300、MN-500、MN-700采用内交联法合成了一组交联改性的水性聚氨酯,又以MN-300为交联剂,采用不同交联密度合成了一系列水性聚氨酯。通过示扫描量热法(DSC)、热重分析(TG)以及不同温度下的硬度和拉伸测试,分别探讨了不同分子量的交联剂以及不同的交联密度交联改性对水性聚氨酯不同温度下的机械强度和耐热性的影响。结果表明,MN-300型聚氨酯胶膜具有较好的力学性能和耐热性。随着交联密度的不断增加,胶膜的拉伸强度和硬度表现出先增大后减小的趋势,当交联度为0.5时,胶膜的拉伸强度和硬度达到最大。交联度为0.5时的胶膜耐热性达到最佳,当交联密度过大时,胶膜的耐热性反而降低。
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