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《华南理工大学》 2010年
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水性涂料用聚合物乳液的交联改性研究

罗春晖  
【摘要】: 水性涂料用聚合物乳液(WPs)按照制备方法可分为聚合物乳液和水分散体,它们大多采用含有亲水基团(如-COOH,-NHB2B及-SOB3BH等)的功能性单体/表面活性剂作为(内)乳化剂,这些物质会保留在聚合物涂膜中,降低涂膜的耐化学品性能。 本文采用氮丙啶(AZ)、聚碳化二亚胺(PCDI)、双丙酮丙烯酰胺(DAAM)/己二酰肼(ADH)以及亲水改性多异氰酸酯固化剂等对水性涂料用聚合物乳液进行交联改性,降低或消除聚合物分子链段上的亲水基团的影响;同时,从乳胶粒子的微观构型入手,对聚合物乳液功能性基团的分布进行优化,降低配方中亲水性单体的用量,提高反应活性;通过有机聚合物乳液与无机纳米材料的杂化,实现水性涂料的高性能与低成本目标。具体研究结果如下: (1)采用氮丙啶和聚碳化二亚胺分别对阴离子型聚氨酯水分散体(PUD)进行交联改性,利用红外光谱(FT-IR)和热重分析(TGA)表征了PUD固化涂膜。结果表明:在室温下氮丙啶和聚碳化二亚胺可与PUD链上的羧基反应。PUD涂膜性能的提高取决于固化剂种类:如氮丙啶能显著改善涂膜耐水性、耐溶剂性及耐污染性,因其能提高涂膜的凝胶含量至92.6%,涂膜硬度至0.72,其最佳的氮丙啶与羧基的质量比为5.8。另一方面,聚碳化二亚胺能改善涂膜的附着力、柔韧性及抗冷脆性,最佳的聚碳化二亚胺与羧基的质量比为10.4。TGA曲线表明聚碳化二亚胺能提高PUD涂膜的热稳定性,而氮丙啶则降低涂膜的热稳定性。 (2)水性聚氨酯-丙烯酸杂合乳液(PUA)通过氮丙啶(AZ)和聚碳化二亚胺(PCDI)对其进行交联改性, FT-IR分析表明PUA杂合乳液中的羧基参与了交联反应;涂膜性能测试表明:氮丙啶能显著提高涂膜的凝胶量和硬度,改善涂膜的耐水性、耐溶剂性和耐污性,最佳用量为: m(AZ)∶m(-COOP-P) = 6.60;而聚碳化二亚胺能增强涂膜的柔韧性和显著改善涂膜的抗冻融性,最佳用量为: m(PCDI)∶m(-COOP-P)=16.67。TGA分析发现:氮丙啶和聚碳化二亚胺均可以提高涂膜的热稳定性。 (3)以双丙酮丙烯酰胺(DAAM)、甲基丙烯酸甲酯(MMA)、丙烯酸丁酯(BA)和甲基丙烯酸(MAA)为共聚单体,采用半连续种子乳液聚合工艺合成自交联封闭性聚丙烯酸酯乳液(PAE),考查了双丙酮丙烯酰胺(DAAM)和复合乳化剂对乳液聚合稳定性以及涂膜性能的影响。研究发现:随着DAAM含量的增加,乳液聚合稳定性下降,粒径增大,涂膜的耐介质性能和交联度提高,合适的DAAM加入量为总单体质量的3.0%,DAAM和己二酰肼(ADH)的最佳摩尔比为2:1。采用SDBS+OP-10+OP-40为复合乳化剂体系,选用乳化剂的含量为2.35%,阴/非离子乳化剂质量比为1:1.25;复合乳化剂在种子、核、壳比例为1.5:1:2,制备的乳液具有较好的聚合稳定性(乳液凝胶率低和单体转化率高),乳液耐电解质(钙离子)稳定性好,涂膜具有优异的封闭性。FT-IR谱图表明在涂膜形成过程中DAAM的酮羰基与ADH的酰肼基反应生成腙(C=N),TGA分析发现DAAM改性的PAE降低了涂膜的热稳定性。 (4)以甲基丙烯酸-β-羟乙酯(HEMA)为羟基单体,采用种子乳液聚合工艺,结合即时中和与极性单体分段滴加等手段合成了固含量为45.0%的新型聚丙烯酸酯杂合乳液(PAH)。TEM观察发现:PAH由表层为羧酸盐覆盖的乳胶粒P1和富含-OH的乳胶粒P2组成;纳米粒度分析表明:相对于常规羟基聚丙烯酸酯乳液(HPAE),PAH的粒径分布更宽,平均粒径更小;针对PAH配制的双组份水性聚氨酯涂料(2K-WPU)的综合性能测试说明:当-COOH和-OH在P1和P2中的质量比分别为1:0和1:3时,涂膜性能最佳;傅里叶红外光谱(FT-IR)分析发现:涂膜固化过程中-NCO与-OH完全反应仅需3天;原子力显微镜(AFM)分析显示:2K-WPU涂层结构致密且外观平整。 (5)采用助溶剂和硅烷偶联剂(Z-6040)对碱性硅溶胶进行复合改性后添加到聚丙烯酸酯乳液中制备聚丙烯酸酯/SiOB2B杂合乳液(Si/PAE),分别考查助溶剂的种类和用量对硅溶胶的溶胶-凝胶(sol-gel)反应及杂合涂层综合性能的影响发现:异丙醇是合适的助溶剂,其最佳添加量为硅溶胶质量的10.0%。TEM测试和纳米粒径分析发现:助溶剂可以提高无机硅颗粒在杂合乳液中的分散能力,降低Si/PAE的平均粒径; FT-IR和AFM分析说明:Si/PAE乳液在成膜过程中,助溶剂可驱使硅溶胶发生溶胶-凝胶化(sol-gel)反应,并在涂层表面富集含硅聚合物,Si/PAE的涂层结构平整且致密;TGA分析发现:Si/PAE涂层具有较好的热稳定性。
【学位授予单位】:华南理工大学
【学位级别】:硕士
【学位授予年份】:2010
【分类号】:TQ630.4

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【引证文献】
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