含芴基Cardo环水性聚氨酯的制备及其热性能研究

作     者：薛瑜瑜 

作者单位：陕西科技大学 

学位级别：硕士

导师姓名：赵艳娜

授予年度：2022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] 

主      题：水性聚氨酯 双酚芴 热性能 阻燃 涂层 

摘      要：水性聚氨酯（WPU）是一种环境友好型聚合物,其具备良好的低温柔韧性、优异的耐磨性和机械性能,在涂料、粘合剂、皮革、电子、汽车、生物材料和其它消费品中具有广泛的商业应用。随着先进技术的发展,人们多次尝试制备高性能WPU,特别是改善其热性能。提高WPU热性能的有效途径是在合成过程中引入各种芳环结构,如联苯、萘、芴、杂环等。含有芴环（Cardo）的化合物通常具有优异的耐热性、力学性能和高透明度。本文主要以双酚芴（BPFL）中Cardo环结构达到对水性聚氨酯的改性效果,提高水性聚氨酯材料综合性能,比如热性能、力学性能和结晶性等,研究内容如下:（1）本文以聚己内酯二元醇（PCL2000）和异佛尔酮二异氰酸酯（IPDI）为原料,二羟甲基丙酸（DMPA）为亲水扩链剂,制备聚氨酯预聚体。添加不同量的双酚芴（BPFL）为扩链剂,合成一系列芴基水性聚氨酯乳液（WPUS）。研究了不同BPFL含量对WPUS综合性能的影响,研究结果表明:通过傅里叶变换红外光谱（FT-IR）分析表明,成功引入双酚芴并合成WPUS乳液。WPUS胶膜的粒径、力学性能、水接触角和热性能分析表明,当BPFL含量为3%时,WPUS3乳液的平均粒径为95.21 nm;与WPUS0相比,WPUS3胶膜的最大拉伸强度提高了 41.68%,最大断裂伸长率提高11.91%;吸水率降低58.25%;水接触角提升32.13%;当WPUS3胶膜分解90%时,与WPUS0胶膜相比分解温度提高31.36%。将不同乳液对纸张表面施胶后与未施胶纸张相比,WPUS3纸张水接触角提升887.60%;抗张强度最大可达57.1N/mm2,提升46.41%;纸张耐折度最大可达74次,比未施胶原纸高出60次。（2）以双酚芴为原料合成9,9-双[4-（2-羟基乙氧基）苯基]芴（BPEF）。以BPEF为扩链剂,合成一系列不同含量的Cardo水性聚氨酯乳液（GWPUS）。研究了不同BPEF含量对GWPUS综合性能的影响,研究结果表明:通过核磁共振波谱（1H NMR）和FT-IR结果分析,已成功合成BPEF单体并将单体引入聚氨酯链中,成功制备GWPUS乳液。GWPUS胶膜的粒径、力学性能、吸水率、水接触角和热性能分析表明,当BPEF含量为2%时,GWPUS2的平均粒径仅仅为69.32nm;与GWPUS0相比,GWPUS2胶膜的最大拉伸强度提高了 123.95%,最大断裂伸长率提高了 17.20%;吸水率降低了 42.98%;水接触角提高34.15%;当胶膜分解90%时,GWPUS3胶膜的分解温度比GWPUS0胶膜分解温度分提高了 31.08%。将不同乳液涂敷在马口铁表面,GWPUS2涂层的铅笔硬度从1H提升至3H,涂层的附着力、耐冲击、柔韧性以及耐化学性均通过相应测试。（3）以双酚芴和苯基膦酰二氯合成一种新型的磷基阻燃剂（FHPLC）,将其作为扩链剂引入在聚氨酯链中,合成一系列磷基阻燃水性聚氨酯（FHWPU）。研究了不同FHPLC含量对FHWPU综合性能的影响,研究结果表明:通过核磁共振波谱（1H NMR和31P NMR）和FT-IR结果分析,已成功合成FHPLC单体并将单体引入聚氨酯链中,制备一系列FHWPU乳液。使用锥形量热仪、极限氧指数仪（LOI）、垂直燃烧实验（UL-94）、热重分析和残炭分析系统地研究了聚氨酯薄膜的阻燃性和热行为。当添加2%的FHPLC时,FHWPU2的平均粒径为94.42 nm;当胶膜分解90%时,FHWPU2胶膜的分解温度比FHWPU0胶膜分解温度提高了 54.46%;相比FHWPU0,FHWPU2的LOI值从25.6%提升至29.4%,UL-94从V-2级提升至V-0级;锥形量热仪测试中FHWPU3的HHR和TSR相比FHWPU0分别降低了24.49%和76.41%。将不同FHWPU乳液涂敷在马口铁表面,测试其涂层铅笔硬度、附着力、耐冲击、柔韧性以及耐化学性。添加FHPLC之后的涂层的铅笔硬度均从1H提升至3H;附着力、耐冲击和柔韧性均通过相应测试;将FHWPU2涂层浸泡水和HCl（3%）溶液12 h,涂层从FHWPU0的变色情况提升到涂层无变化。