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硅氧烷改性水性聚氨酯的研究

王亚东  
【摘要】:本文针对水性聚氨酯由于其自身结构特性,而在力学性能、耐水性和疏水性方面存在的诸多不足,通过细乳液法合成一种稳定均一,分散性良好,形貌可控的聚硅氧烷微球以及具有双亲性的聚硅氧烷-Ag复合微球,并采用上述聚硅氧烷微球、聚二甲基硅氧烷(PDMS)与氨基硅氧烷(KH550)复合改性水性聚氨酯(WPU),合成得到一系列聚硅氧烷微球-硅氧烷复合改性的水性聚氨酯乳液及其复合膜,并对复合改性后的WPU乳液及膜的性能进行探究。具体研究内容如下:(1)以3-甲基丙烯酰氧基三甲氧基硅烷(MPS)为单体通过细乳液法合成聚硅氧烷微球,并将其与聚二甲基硅氧烷(PDMS)复合引入水性聚氨酯,制备了PDMS-聚硅氧烷微球复合改性水性聚氨酯乳液及复合膜,并深入探究了PDMS、聚硅氧烷微球含量、pH值以及成膜温度对复合改性水性聚氨酯膜性能的影响。研究结果表明:当聚硅氧烷微球含量为10%、PDMS含量为8%时,膜的拉伸强度(26.1 MPa)、耐水性(吸水率18.5%)和疏水性(水接触角100.5°)等性能明显提高。SEM显示,当聚硅氧烷微球含量大于10%时,微球在体系中出现局部团聚,分散性较差。此外,当乳液的pH=12、成膜温度为110℃时,膜的拉伸强度和耐水性进一步提高。(2)采用γ-氨丙基三乙氧基硅烷(KH550)对聚氨酯预聚体进行封端,然后将聚硅氧烷微球引入到聚氨酯体系中,得到聚硅氧烷微球-氨基硅氧烷复合改性水性聚氨酯乳液及复合膜,探究了KH550含量、聚硅氧烷微球含量对复合改性水性聚氨酯乳液稳定性和膜性能的影响。结果表明:当KH550含量为5%时,WPU-KH550乳液能保持较好的稳定性,且膜具有较好的力学性能、疏水性和耐水性。SEM显示,氨基硅氧烷和聚硅氧烷微球的引入,使微球可以均匀地分散于基体树脂中,未出现明显团聚,并有效提高了复合膜的拉伸强度、耐水性和吸水性。当聚硅氧烷微球含量为4%时,复合膜的拉伸强度达到47.0 MPa,吸水率为3.7%,水接触角提高至103.3°。(3)以聚硅氧烷微球为载体,采用不同比例的氨基硅氧烷对微球表面进行氨基化改性,通过络合作用使纳米Ag粒子负载在微球表面,得到聚硅氧烷-Ag复合微球,并系统探究了氨基硅氧烷添加量以及AgNO3溶液浓度对聚硅氧烷-Ag微球分散性、稳定性、Ag粒子负载情况以及其抑菌效果的影响。透射电镜结果显示,当氨基硅氧烷添加量为5%,AgNO3溶液浓度为0.4 mol/L时,聚硅氧烷-Ag复合微球尺寸形貌均一,分散性良好,且微球表面的Ag粒子负载情况最佳。抑菌测试表明,聚硅氧烷-Ag复合微球水溶液四周大肠杆菌(革兰氏阴性菌)及金黄色葡萄球菌(革兰氏阳性菌)的生长明显被抑制,证明聚硅氧烷-Ag复合微球具有抗菌性。将上述聚硅氧烷-Ag复合微球引入KH550封端的聚氨酯中,得到复合改性WPU-Ag乳液和膜。研究表明,相比较于未改性的WPU膜,复合改性WPU-Ag膜的力学性能和耐水性明显提高。在抑菌测试中,WPU-Ag膜四周大肠杆菌(革兰氏阴性菌)及金黄色葡萄球菌(革兰氏阳性菌)的生长被抑制,证明复合改性WPU-Ag膜具有抗菌性。


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