紫外光固化水性聚氨酯丙烯酸酯的合成與應用研究

王朝棟，虞鑫海，劉萬章，陳吉偉

（1.東華大學化學化工與生物工程學院，上海 201620；2.浙江金鵬化工股份有限公司，浙江 臺州 318050）

紫外光固化水性聚氨酯丙烯酸酯的合成與應用研究

王朝棟，虞鑫海，劉萬章，陳吉偉

（1.東華大學化學化工與生物工程學院，上海 201620；2.浙江金鵬化工股份有限公司，浙江 臺州 318050）

采用丙酮法，以異佛爾酮二異氰酸酯（IPDI）與聚酯/聚醚混合多元醇、二羥甲基丙酸（DMPA）、甲基丙烯酸羥乙酯（HEMA）為原料合成紫外光固化水性聚氨酯預聚體，經中和劑中和后制備固含量為30%的聚氨酯乳液。探究了紫外光固化聚氨酯乳液的性能以及光引發劑類型、用量以及中和劑對其光固化速率的影響。

聚氨酯丙烯酸酯（PUA）；紫外光固化；應用

近年來，環境問題越來越引起人們的重視。傳統的UV固化涂料主要由光引發劑、反應性低聚物和活性稀釋劑3部分組成，涂膜在紫外光的照射下發生光交聯反應而迅速固化。紫外光固化水性涂料是以水作為溶劑，能夠降低揮發性有機化合物（VOC）的含量，環保性好，且黏度可調節，可噴涂，已成為涂料發展的主要方向之一［1，2］。

紫外光固化水性聚氨酯丙烯酸酯是一種含有不飽和雙鍵的端丙烯酸酯類聚合物，它結合了丙烯酸酯和聚氨酯2者的優點，具有較高的耐擦傷性能、柔韌性能，以及優越的光學性能和耐候性能，廣泛應用于化工、機械、電子、輕工、通訊等領域［3］。本文以丙酮法制備聚酯/聚醚混合多元醇型紫外光固化PUA預聚體；然后采用不同的光引發劑，制備出一系列光固化膠膜，對膠膜的性能進行測試，并研究了引發劑類型、用量、中和劑對光固化速率的影響。

1　實驗部分

1.1主要原材料

異佛爾酮二異氰酸酯（IPDI），工業級，德固賽化工股份有限公司；二羥甲基丙酸（DMPA），工業級，江西南城紅都化工有限公司；聚酯多元醇（1000），工業級，青島新宇田；二月桂酸二丁基錫（DBTDL），工業級，上海海南翔試劑有限公司；三乙胺、丙酮、N，N-二甲基甲酰胺、氫氧化鉀（KO H）、鹽酸、酚酞、二正丁胺、溴甲酚綠、聚乙二醇（1000），均為分析純，國藥化工股份有限公司；光引發劑1173、光引發劑184、安息香乙醚，均為工業級，上海凱茵化工有限公司；BYK024、BYK346，工業級，畢克化學。

1.2實驗儀器

RW-UVA201-20紫外光固化機；NDJ-9S型數顯黏度計；Nano-ZS納米粒度與電位分析儀；SK系列超聲波清洗器。

1.3合成方法

（1）原料的前處理

聚酯和聚醚在115 ℃真空除水2 h；DMPA在120 ℃烘箱內干燥2 h；丙酮，DBTDL，HEMA 分別用4埃分子篩除水。

（2）制備工藝

①PUA初聚體的制備：在潔凈干燥裝有攪拌器、回流冷凝管和溫度計的四口燒瓶中，稱取計量的IPDI和聚酯/聚醚多元醇，加入一滴DBTDL。邊攪拌邊升溫至80 ℃，預聚反應2 h。

②引入親水基團：降溫至55 ℃，加入親水擴鏈劑DMPA（溶于DMF中），一滴催化劑DBTDL，在75 ℃擴鏈反應4 h。

③引入雙鍵封端：降溫冷卻后，加入甲基丙烯酸羥乙酯（含少量的阻聚劑），并且加入丙酮稀釋降黏，在70 ℃繼續反應3 h。

④中和乳化：用中和劑在45 ℃中和，加入蒸餾水分散30 min，劇烈攪拌一段時間，即得到UV 固化聚氨酯丙烯酸酯乳液。

1.4涂膜的制備

將聚氨酯丙烯酸酯乳液（UV-PUA）、流平劑、消泡劑、光引發劑等按照一定的比例混合攪拌均勻，使其均勻涂敷在方形的玻璃板上，待水分揮發，將其放置在UV光固化機上固化，制得UV-PUA固化膠膜。其配方見表1。

表1　UV固化涂料基本配方Tab.1　Basic formulation of UV-curable coating

1.5性能測試

1）-NCO%

用二正丁胺法。準確稱取適量的樣品，倒入碘量瓶中，同時加入一定量二正丁胺-丙酮溶液，震蕩搖勻，再滴入2～3滴溴甲酚綠指示劑，靜置20 min。用標準鹽酸溶液滴定至溶液由藍色變為黃色，記錄下此時的鹽酸消耗量，并做空白對照。

2）鉛筆硬度

按照GB/T6739—1996測定，手動法。

3）附著力

按照GB 9286—1998測定，劃格法。

4）乳液固含量

根據GB 1725—79測定。稱取1.0～1.5 g的乳液試樣，稱量（W2），置于100～110 ℃的恒溫干燥箱數小時，恒量后稱量（W1），計算固含量。

5）乳液穩定性

按GB/T 6753.3—1986測定水性聚氨酯乳液的貯存穩定性。采用離心加速沉降實驗模擬貯存穩定性實驗，如果在離心機中以3 000 r/min的轉速離心沉降15 min后無沉淀，即可認為室溫下貯存穩定期為6個月。

6）乳液黏度

用上海上天精密儀器有限公司NDJ-9S型旋轉黏度測定，測試溫度為（25 ±0.5）℃，每個樣品測試3次，取其平值。

7）乳液微粒粒徑

采用美國Beckman Coulter公司Ls13320型激光納米粒度儀進行（室溫）表征（待測液用去離子水稀釋）。

8）凝膠率（G）

將固化后薄膜稱量，然后在丙酮中浸泡48 h，再經過濾，烘干再稱量溶后膜質量，溶解后的膜質量與未溶解的膜質量的比值即為凝膠率（G）。

9）吸水性

將干燥好的膠膜裁剪成2.0 cm×2.0 cm的正方形，稱其質量為t0，然后將膠膜浸入去離子水中，浸泡24 h后取出，用濾紙吸干膠膜表面的水后稱量得t，計算膠膜的吸水性W。

2　結果討論與分析

2.1預聚體紅外表征

采用紅外光譜儀分析合成的聚氨酯丙烯酸酯，結果見圖1。由圖1可知，3 450 cm-1處出現了-NH中的氫鍵吸收峰；1 728 cm-1處為C=O吸收峰；在2 270 cm-1左右并沒有出現明顯的-NCO特征吸收峰，說明-NCO基團已經反應完全；在1 640 cm-1處出現C=C雙鍵的伸縮振動吸收峰，說明HEMA所帶的雙鍵經過反應已經接在預聚物上，由此可以說明反應產物與理論結構相符合。

圖1　聚氨酯丙烯酸酯的紅外光譜Fig.1　FT-IR spectrum of polyurethane arcylate

2.2固含量對乳液的影響

從表2可以看出，隨著固含量增加，乳液的外觀逐漸變白，穩定性變差；黏度也隨著固含量的增加急劇增大，40%已無法乳化。綜合黏度及穩定性，固含量最佳為30%。

表2　固含量對PUA的影響Tab.2　Effect of solid content on performance of PUA

2.3UV-PUA預聚體的性能

UV-PUA預聚體的基本性能如表3所示。由表3可見，預聚體的固含量為30%比較適宜，粒徑較小；貯存穩定性、附著力測試結果表明，乳液能夠長期保存，而且具有良好的附著力。

表3　UV-PUA預聚體的性能Tab.3　Properties of UV-PUA prepolymer

2.4不同封端劑對其膠膜性能的影響

保持預聚體合成條件和組成成分相同，用量相同的2種封端劑合成預聚物，其膠膜性能如表4所示。由表4可以看出，TMPDA封端的預聚體膠膜比HEMA封端的預聚體膠膜的耐水性、凝膠率有所提高。這是因為每摩爾的TMPDA含有2 mol的C=C雙鍵，其雙鍵含量相比HEMA高出1倍，膠膜的交聯密度大，有助于提高涂膜的凝膠率，降低吸水性。

表4　不同封端劑對膠膜性能的影響Tab.4　Effect of different capping agents on film performance

2.5光固化速度的影響因素

本實驗用凝膠率來表示涂膜的交聯程度，用紫外光固化機的線速度來表示光固化速度，線速度越大，紫外光固化的時間越短，光固化速度越快。凝膠率是指經紫外光固化后，涂膜中交聯網狀結構的固態成分含量。交聯程度直接影響到涂膜的拉伸強度、硬度、耐磨性和耐水性等性能。

2.5.1光引發劑種類

光引發劑對預聚物體系固化速度影響因素包括其吸收峰是否與光源輻射波段相匹配、相容性的問題。

圖2　光引發劑的種類與光固化速度的關系Fig.2　Relationship between photoinitiator type and UV-curing rate

由圖2可以看出，對于本實驗的混合多元醇體系，1173的光固化速度最快，引發效率最高，線速度為70 cm/min時就可以達到雙鍵轉化率的最大值，其次是184和安息香乙醚。l173是親油型的光引發劑，加入體系前需用有機溶劑N，N-二甲基乙酰胺溶解。對于該體系最適宜的光引發劑是1173。

2.5.2光引發劑的含量

引發劑用量過高過低都會對光固化反應產生不利影響，對于特定的體系，都會有1個最佳的光引發劑用量［4，5］。以1173作為光引發劑，測試其不同含量對涂膜凝膠率的影響。

由圖3可以看出，光引發劑為3%時，固化速度最快。當1173引發劑用量較低時，體系所產生的自由基數目低于反應有效進行所需要的，因而固化速度較慢，隨著引發劑濃度的提高，產生自由基的數目增多，固化速度加快。但是用量較高時，一方面產生過量的自由基之間相互碰撞、偶合使鏈增長終止，自由基數目被消耗減少；另一方面，紫外光被膜表層光引發劑吸收，對下層吸收降低，不利于光固化的進行，還會導致表干快而實干慢的現象［6］。

圖3　光引發劑的用量與光固化速度的關系Fig.3　Relationship between photoinitiator amount and UV-curing rate

2.5.3中和劑類型

以2種不同類型的中和劑進行光固化速度測試。圖4可以看出，以KOH作為中和劑的光固化速度快于以TEA作為中和劑的固化體系。這是由于KOH的K+具有很強的電負性，在中和時形成羧酸鉀鹽的離子性強于形成羧酸三乙胺鹽的離子性，能夠降低締合分子間的距離，使后期交聯聚合機會增大；同時由于三乙胺是揮發性堿，在紫外光固化時易揮發，故選擇以KOH為中和劑。

圖4　中和劑與光固化速度的關系Fig.4　Relationship between neutralizingagent type and UV-curing rate

2.5.4干燥時間

影響固化速度的主要因素是涂膜中水分。故將涂膜在50 ℃干燥不同時間，然后再進行光固化過程。

圖5　干燥時間與光固化速度的關系Fig.5　Relationship between dying time and UV-curing rate

由圖5發現，不干燥就直接進行固化，光固化速度較低，涂膜固化不完全，干燥0.5 h的光固化速度好于干燥1 h，固化較徹底。這是因為水分可以阻隔氧減弱了氧的阻聚作用，加快涂膜的光交聯固化過程的進行；但是涂膜中水分過多，會使涂膜表面迅速固化而內部固化不完全，嚴重影響涂膜的拉伸、耐水、耐溶劑性能。結果顯示干燥0.5 h可以兼顧涂膜的光固化速度和其力學性能。

3　結論

（1）以異佛爾酮二異氰酸酯（IPDI）、聚乙二醇（PEG）、聚酯二元醇、二羥甲基丙酸（DMPA）和甲基丙烯酸羥乙酯（HEMA）為原料成功合成了具有良好穩定性的UV固化水性聚氨酯丙烯酸酯乳液，固含量以30%為宜。

（2）TMPDA封端的預聚體膠膜比HEMA封端的預聚體膠膜的耐水性、凝膠率有所提高。

（3）選用光引發劑1173，用量為3%，以KOH作為中和劑；固化前干燥條件為50 ℃干燥0.5 h。

［1］李和平，葛虹.精細化工工藝學［M］.北京：科學出版社，1997:307.

［2］Visconti M，Cataneo M.A highly efficient photoinitiator for water-borne UV-curable systems［J］.Prog Org Coatings2000（40）：243-25l.

［3］王德海，江欞.紫外光固化材料-理論及應用［M］.北京： 科學出版社，2003.

［4］韓仕甸，金養智，王菲.水性紫外光固化體系中光固化速度的影響因素［J］.北京化工大學學報，2002，29（l）：30-32.

［5］Allen N S.Photoinitiators for UV and visible curing of coatings：Mechanisms and P r o p e r t i e s［J］.J P h o t o c h e m Photobiology，A：Chemistry，1996（100）：101-107.

［6］李紅強，葛會勤，趙建設，等.水性UV固化聚氨酯丙烯酸酯涂料的制備及其合成工藝的研究［J］.涂料工業，2007，37（7）：1-4.

Synthesis and application of UV-curable waterborne polyurethane acrylate resin

WANG Chao-dong1， YU Xin-hai1， LIU Wan-zhang2， CHEN Ji-wei2
（1.College of Chemical and Biological Engineering， Donghua University，Shanghai 201620，China；2.Zhejiang Golden Roc Chemical Co.，Ltd.，Taizhou，Zhejiang 318050，China）

The title UV-curable waterborne PUA prepolymers were synthesized by acetone process using IPDI，Polyester/Polyether polyols，DMPA and HEMA as main materials. The solid content of the polyurethane emulsion was 30% after the neutralization. The properties of UV-curable waterborne PUA emulsion and the influence of type and amount of photoinitiator， neutralizing agents and drying time on its UV-curing rate were explored.

TQ433.4+3

A

1001-5922（2015）05-0047-04

2014-09-16

王朝棟（1990-），男，碩士，主要從事水性聚氨酯涂料的的研究開發工作。E-mail：184609370@qq.com。

虞鑫海（1969-），男，教授，博士。主要從事電子化學品、耐高溫高分子材料及其單體的合成、合成纖維成形機理、電纜屏蔽帶、膠粘劑、無鹵阻燃材料、聚酰亞胺新材料等方面的研究開發工作。E-mail：yinxinhai@dhu.edu.cn。