聚天门冬氨酸酯聚脲和水性聚脲涂层材料的制备与改性

作     者：甘小利 

作者单位：湖南大学 

学位级别：硕士

导师姓名：刘娅莉

授予年度：2022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：聚天门冬氨酸酯聚脲 防腐涂层 水性聚氨酯脲 丙烯酸酯 自交联 

摘      要：随着轨道交通、工程机械和装备制造等新兴产业的高速发展,以及环境保护政策的日趋严格,人们对高效、性能优异以及绿色环保的工业涂料需求迫切。聚脲是一种高固体分、无溶剂、高性能且快速固化的弹性体材料。传统芳香族和脂肪族聚脲的反应速度太快、难以控制,应用过程中需使用专门的喷涂设备。聚天门冬氨酸酯(PAE)聚脲是一种新型脂肪族、慢反应、凝胶时间可调控的材料,已得到越来越广泛的应用。但在聚天冬氨酸酯合成过程中,存在伯胺转化率低下、反应难以完全进行的问题,固化后涂膜的附着力、耐盐雾腐蚀性能较差,严重限制了其在工程机械防护和海洋防腐等领域的应用。此外,目前聚脲的研究和应用主要集中在溶剂型领域,关于水性聚脲体系的研究报道还很少。基于此,本文开展了聚天冬氨酸酯聚脲和水性聚脲涂料的制备与改性研究,具体内容如下:(1)环氧树脂-有机硅改性聚天门冬氨酸酯聚脲防腐涂层的制备与研究。基于伯二胺和马来酸酯的Michael加成反应,制备了PAE树脂;利用环氧基团与伯胺的反应,加入环氧树脂E51和硅烷偶联剂KH560对PAE树脂进行了复合改性(E51-KH560),制备了一种伯胺转化率高、防腐性能优异的PAE聚脲涂层。通过伯胺转化率、涂层附着力、接触角和固化行为测试,红外光谱(FT-IR)和扫描电子显微镜(SEM)表征,探讨了不同改性方法和不同添加量对树脂和涂层性能的影响。通过电化学阻抗谱测试和盐雾试验,研究了E51-KH560复合添加比例对涂层的耐腐蚀性能的影响,比较了改性前后涂层的热稳定性和涂膜机械性能等。结果表明,采用E51-KH560复合改性的方法最优,能有效提高伯胺转化率,80℃反应15 h伯胺转化率最高可达94.3%。固化行为、附着力和接触角测试等表明通过E51-KH560的依次复合改性PAE树脂,延长了天冬聚脲的凝胶时间,提高了涂层对基体的润湿和附着。复合添加量为7%时,涂层的凝胶时间延长为15 min,附着力提高至5.22 MPa,接触角由82°降为68°。E51和KH560复合添加比例为2:1时,PAE聚脲涂层的耐腐蚀性最好,300 h盐雾试验中涂层没有发生腐蚀,3.5wt%Na Cl中浸泡31天阻抗值仍可达到4.71×10Ω·cm。同步热分析(TG-DSC)测试表明改性后聚脲涂层的热分解温度提高,玻璃化温度下降,固化后涂层更加柔韧。涂层在外观、耐酸耐碱等方面性能也有所改善。(2)自交联水性聚氨酯脲-丙烯酸酯复合乳液的制备与性能研究。以聚醚胺(D2000)、异佛尔酮二异氰酸酯(IPDI)、2,2-二羟甲基丙酸(DMPA)、丙烯酸羟乙酯(HEA)等为原料,合成了双键封端的水性聚氨酯脲乳液WPU,然后通过溶胀法乳液聚合,加入丙烯酸酯单体(PA)对WPU进行改性,进一步在体系中引入酮肼交联,制备了具有核壳结构、相容性好、耐水性和机械性能优良、可室温下固化交联的WPUA复合乳液。FT-IR和TEM测试证实了乳液的合成和核壳结构的形成。本文讨论了不同WPU/PA比例时复合乳液的转化率、凝胶率、粒径、离心稳定性、吸水率和机械性能等,研究了不同交联单体(DAAM)含量时乳胶膜的吸水率、机械性能和热稳定性,比较了自交联前后WPUA乳液的涂膜机械性能等。结果发现,PA的改性和酮肼交联的引入能使WPUA体系中软硬段相互缠绕,提高体系的交联密度,从而提高乳液的耐水性、机械性能、热稳定性等。当R=1.4、WPU:PA=4:6、DAAM加入量为2%时制备的乳液综合性能最佳,此时吸水率最低为4.34%,比纯WPU胶膜的吸水率下降低85.77%,胶膜的断裂伸长率为328%,拉伸强度为13 MPa,硬度可达到3 H,在水和碱液中浸泡48 h不会出现发白现象,TG-DSC测试显示自交联后的乳胶膜的热分解温度和玻璃化温度也有提高。