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環保含鋯鹽羧酸/磺酸鹽型聚氨酯膠黏劑的制備及性能

2017-12-02 03:53:49王?;?/span>費貴強牛玉坤
陜西科技大學學報 2017年6期

王?;ǎ?郭 倩, 費貴強, 牛玉坤

(陜西科技大學 教育部輕化工助劑化學與技術重點實驗室, 陜西 西安 710021)

環保含鋯鹽羧酸/磺酸鹽型聚氨酯膠黏劑的制備及性能

王?;?, 郭 倩, 費貴強, 牛玉坤

(陜西科技大學 教育部輕化工助劑化學與技術重點實驗室, 陜西 西安 710021)

以二羥甲基丁酸(DMBA)為羧酸鹽型擴鏈劑,3-氯-2-羥基-丙磺酸鈉(CHPS)、1,4-二羥基丁烷-2-磺酸鈉(DDBS)為磺酸鹽型擴鏈劑,碳酸鋯銨為交聯改性劑,合成了兩種不同的含鋯鹽羧酸/磺酸鹽型聚氨酯(WPU)膠黏劑.系統研究了不同比例的擴鏈劑對WPU乳液和膠膜性能的影響,結果表明:與DMBA/CHPS相比,DMBA/DDBS具有更優異的性能,且當質量比為9∶1時性能較佳.與純DMBA型WPU相比,DMBA/DDBS型WPU膠膜的吸水率從6.58%上升為10.17%,熱分解溫度從268.67 ℃上升到303.02 ℃,拉伸強度從18.88 MPa提高到23.2 MPa,斷裂伸長率從337.28%提高到403.12%.

磺酸鹽/羧酸鹽; 水性聚氨酯; 膠黏劑; 鋯鹽

0 引言

聚氨酯(PU)是一類具有優異的耐磨性、耐溶劑性、高強度、高彈性的合成高分子材料,它以彈性體、膠黏劑、泡沫塑料、涂料等產品的形式,在許多領域已獲得了廣泛的應用[1].膠黏劑是當今時代快速發展和提高人們生活質量必不可少的重要合成材料之一,而PU類膠黏劑因具有粘接強度高、柔韌性佳、耐沖擊性強,耐磨性能、屈撓性能和耐溫性能優異的特點,在現代經濟、現代國防中發揮著不可忽視的作用[2-5].

水性聚氨酯(WPU)膠黏劑是指PU分子結構中含有親水性基團且可分散于水中的PU膠黏劑[6,7],其以水為分散介質,摒棄了傳統的完全以有機溶劑為主的聚氨酯膠黏劑,具有安全、環保、使用方便,生產過程成本低、高產出、低能耗、污染小的特點,使其成為膠黏劑行業未來發展的重點[8,9].WPU制備過程中,親水基團的引入是合成的關鍵,陰離子型親水基團是最常用的引入親水基團的方法,主要有磺酸型與羧酸型兩類[10,11].磺酸鹽型WPU與羧酸鹽相比,磺酸鹽型WPU由于自身含有磺酸這種強極性的親水性基團,較容易制得高固含的WPU乳液[12],并且磺酸基團屬于強離子性基團,它會使聚氨酯分子間的庫侖力和氫鍵作用力增強,從而可以降低軟、硬段間的相分離程度[13].此外,由于磺酸型WPU在制備過程中不需要進行中和反應,并且無揮發性胺的刺激性氣味,粘接材質時具有更高的初粘強度和終剝離強度等優點,而被廣泛研究[14-16].

雖然磺酸鹽型WPU具有上述眾多優點,但是由于磺酸鹽中含有強親水性基團SO32-,單獨制備的磺酸鹽型WPU的耐水性較差.羧酸鹽型WPU中和羧基成鹽,由于羧酸屬于弱酸,所以羧酸鹽型WPU具有較好的耐水性,但引入羧基制備的WPU乳液黏度大,固含量不易提高[17].本文在PU分子鏈段上同時引入羧基和磺酸基,可實現兩種親水基團的優勢互補,從而制得高固含量、粘接強度大、耐水性能優良的WPU乳液.

本文以二羥甲基丁酸(2,2-dimethylolbutanoic acid: DMBA)為羧酸鹽型擴鏈劑,3-氯-2-羥基-丙磺酸鈉 (3-chloro-2-hydroxy-propanesulfonate: CHPS),1,4-二羥基丁烷-2-磺酸鈉(1,4-dihydroxybutane-2-sulfonate: DDBS)為磺酸鹽型擴鏈劑,合成了兩種不同的羧酸鹽/磺酸鹽復合型含鋯鹽WPU膠黏劑.通過紅外光譜分析了WPU乳液的結構特征,探討并對比了兩種磺酸鹽與羧酸鹽型擴鏈劑的不同比例對WPU聚合物的固含量、粒徑、粘度,膠膜的吸水率、耐熱性能、力學性能的影響,最終確定了各系列中羧酸與磺酸型擴鏈劑的最優配比.

1 實驗部分

1.1 實驗試劑與儀器

(1)主要試劑:聚己內酯二元醇(PCL-1000),工業級,孝感市易生新材料有限公司;異氟爾酮二異氰酸酯(IPDI),工業級,德國拜耳公司;二月桂酸二丁基錫(DBTDL),分析級,天津市福晨化學試劑廠;二羥甲基丁酸(DMBA),工業級,山東新悅達化工有限公司;1,4-二羥基丁烷-2-磺酸鈉(DDBS),自制;3-氯-2-羥基-丙磺酸鈉(CHPS),AR,上海阿拉丁生化科技股份有限公司;1,4-丁二醇(BDO)、乙二胺(EDA),AR,天津市福晨化學試劑廠;三羥甲基丙烷(TMP),AR,天津市化學試劑研究所;硅烷偶聯劑(KH550),工業級,廣州市中杰化工科技有限公司;碳酸鋯銨,工業級,濟南萬多鑫化工有限公司;丙酮,AR,天津市北方天醫化學試劑廠;三乙胺(TEA),AR,天津市天力化學試劑有限公司.

(2)主要儀器:DZKW-D-2恒溫水浴鍋、DZ-ZBCCII真空干燥箱,上??坪銓崢I發展有限公司;JJ-1精密增力電動攪拌器,江蘇省金壇市新航儀器廠;DSX恒速數顯控制器,杭州儀表電機有限公司;RE-52AA旋轉蒸發儀,上海亞榮生化儀器廠;SHZ-DII循環水式多用真空泵,鄭州科豐儀器設備有限公司.

1.2 含鋯鹽羧酸/磺酸鹽型聚氨酯乳液的制備方法

本實驗制備過程中固定體系的R值(異氰酸酯指數,n(-NCO)∶n(—OH))為1.15、交聯劑TMP的含量為1.99%(質量分數,以乳液的總質量為基準,下同)、偶聯劑KH-550的含量為0.74%、碳酸鋯銨的含量為體系中羧基含量的0.06倍、中和度為100%、親水性擴鏈劑的含量為6.02%.

將一定量TEA、DMBA加入500 mL燒瓶中進行中和反應30 min(或在反應后中和反應30 min);稱取一定量預先脫水處理過的PCL-1000及IPDI于上述燒瓶中,加入2~3滴DBTDL催化劑,在有冷凝及溫度計的條件下,80 ℃反應2 h,期間根據體系的粘度加入適量的丙酮降粘;反應完成后加入一定量的BDO,80 ℃下反應1 h,期間加入適量的丙酮降粘;稱取一定量的TMP、硅烷偶聯劑(KH-550)加入上述反應體系,80 ℃下反應1 h;反應完成后降低溫度至室溫,在高速攪拌下緩慢加入一定量的純凈水(包括一定量的EDA、磺酸型擴鏈劑及碳酸鋯銨),降速后繼續反應20~30 min停止攪拌.

將上述所得的丙酮-水體系的聚氨酯乳液置于旋轉蒸發儀的梨形瓶中,控制溫度為50 ℃,使體系中的丙酮脫除,直至體系中不再有丙酮味,即認為丙酮已脫除干凈即得乳白色泛藍光的含鋯鹽WPU乳液.含鋯鹽羧酸/磺酸鹽型聚氨酯乳液的反應機理如圖1所示.

圖1 含鋯鹽羧酸/磺酸鹽型聚氨酯乳液 合成機理圖

1.3 膠膜的制備

稱取一定量的聚氨酯乳液,澆注在干凈的聚四氟乙烯板上,室溫下干燥一星期后放入真空干燥箱中恒溫50 ℃干燥48 h.干燥后將所得物從聚四氟乙烯板剝離,裝入自封袋中室溫下儲存.

1.4 WPU施膠劑的制備

稱取一定量的WPU乳液于250 mL燒杯內,磁力攪拌;依次緩慢加入0.3%流平劑、0.4%潤濕劑、0.3%消泡劑、0.5%氣相法二氧化硅、2%固化劑,繼續攪拌20~30 min后停止攪拌.即可得WPU膠黏劑.

1.5 性能測試與表征

1.5.1 傅里葉變換紅外光譜(FT-IR)測試

采用紅外光譜儀對自制的膠膜進行紅外光譜測試.

1.5.2 乳液的固含量測試

參照GB2793-81,準確稱取一定質量的乳液,置于一充分干燥的表面皿中,讓乳液均勻鋪展在表面皿中,放入真空干燥箱中恒溫60 ℃充分干燥至恒重,稱量表面皿中剩余固態物的總量,按下式計算固含量:

(1)

式(1)中:W—乳液固含量(%);m0—干燥前乳液的質量(g);m1—干燥后固態物的質量(g).

1.5.3 乳液的粒徑測試

首先先將乳液用純凈水稀釋至0.1%,采用激光粒度分析儀對其進行粒徑測試.

1.5.4 膠膜的吸水率測試

準確稱取質量范圍在0.1~0.5 g的膠膜,稱取質量記為m,然后將膠膜完全浸泡在水中24 h后,取出并立即用濾紙將其表面的水分快速拭干,稱取質量記為m0,膠膜的吸水率計算公式如下:

(2)

式(2)中:η—膠膜的吸水率(%);m—浸泡前膠膜的質量(g);m0—浸泡后膠膜的質量(g).

1.5.5 膠膜的熱失重(TGA)測試

采用熱失重分析儀TG-209F1對膠膜進行熱失重分析.實驗參數:氮氣氛圍,升溫速度為10 ℃/min,升溫區間為:30 ℃~600 ℃.

1.5.6 膠膜的力學性能測試

采用多功能材料實驗機,參照GB/T528-1988,首先將制得的膠膜按規格剪成寬度為6 mm的啞鈴形狀,控制拉伸速率為50 mm/min進行測試.

1.5.7 膠黏劑的剝離強度測試

參照ISO1644-1993測定膠黏劑的剝離強度.將配成的WPU膠黏劑均勻涂抹在橡膠-皮革及皮革-皮革表面上,放入鼓風烘箱中,60 ℃烘10 min后取出,對齊粘接,用一定的壓力熱壓3 min室溫放置10 h,采用多功能材料實驗機,以100 mm/min的剝離強度,對試樣進行測試.

2 結果與討論

2.1 聚合物結構表征

圖2為羧酸/磺酸復合型含鋯鹽WPU分散液的FT-IR譜圖.圖2中3 353 cm-1處為N-H的伸縮振動吸收峰,2 923 cm-1處為-CH3和-CH2-的C-H伸縮振動吸收峰,2 250~2 280 cm-1處為-NCO的特征吸收峰,1 728 cm-1處歸屬酯基和酰胺基中C=O的伸縮振動吸收峰,1 532 cm-1處為N-H彎曲振動吸收峰,1 234 cm-1處為CH2-Si中C-H彎曲振動吸收峰,1 170 cm-1處為S(=O)2不對稱伸縮振動吸收峰,1 050 cm-1處為S(=O)2對稱伸縮振動吸收峰,說明磺酸基團已成功接入聚氨酯主鏈中;812 cm-1處為CH2-Si中C-H伸縮振動吸收峰;618 cm-1和543 cm-1處的雙肩峰為Zr-O-Zr鍵的特征峰,表明Zr成功接入WPU分子中.

圖2 羧酸/磺酸鹽WPU聚合物的紅外譜圖

2.2 不同羧酸/磺酸鹽WPU聚合物的固含及吸水率分析

DMBA、DMBA/CHPS、DMBA/DDBS類WPU聚合物的固含及吸水率如表1、表2所示.由表1、表2可以看出,三類WPU乳液的固含量變化較小,而膠膜的吸水率隨著兩種磺酸鹽的加入均有所提高.羧酸鹽型WPU膠膜的吸水率為6.58%,當磺酸鹽加入量為羧酸鹽加入量的10%(質量比為9∶1,下同)時,DMBA/CHPS、DMBA/DDBS型WPU膠膜的吸水率分別上升至10.17%、9.87%;進一步增加磺酸鹽的含量,兩種WPU膠膜的吸水率分別增加到20.39%、23.58%,膠膜的耐水性明顯下降,這是因為磺酸基極性比較強,其親水性比羧酸型親水擴鏈劑強,更容易吸收水分發生電離,從而增大了膠膜的吸水率,降低了膠膜耐水性.

表1 DMBA/CHPS的比例對WPU聚合物固含及吸水率的影響

表2 DMBA/DDBS的比例對WPU聚合物固含及吸水率的影響

2.3 不同羧酸/磺酸鹽WPU乳液粒徑分析

DMBA、DMBA/CHPS、DMBA/DDBS類WPU乳液的粒徑如圖3所示.由圖3可知,DMBA型WPU乳液的平均粒子半徑為81.8 nm,分散指數PDI為0.128.隨著磺酸鹽的加入,兩種WPU乳液的粒徑均增加、PDI值均先減小后增加,且磺酸鹽含量越大乳液粒徑越大.PDI值減小是因為磺酸基為強極性基團,與水的親和力強,使得乳液在水中分散的更加均勻,但隨著磺酸鹽的進一步增加,所合成的聚氨酯體系的酸值就會相應的增大,最終導致反應程度降低,體系中殘留的-NCO較多,加水乳化分散時與水反應生成的脲鍵增多,致使乳膠粒子的粒徑和PDI值變大[18].從圖中還可以看出:當DMBA/CHPS、DMBA/DDBS比為9∶1時,CHPS型WPU乳液粒徑相對于DDBS小,但進一步增加兩種磺酸鹽的量,CHPS型乳液的粒徑增大,當DMBA/CHPS比為7∶3時,CHPS型WPU乳液粒徑遠大于DDBS型WPU乳液.

(a)不同DMBA/CHPS比例

(b)不同DMBA/DDBS比例

2.4 不同羧酸/磺酸鹽WPU膠膜熱穩定性分析

DMBA、DMBA/CHPS、DMBA/DDBS類WPU膠膜的TG、DTG曲線分別如圖4、圖5所示,質量損失10%時各樣品對應的熱分解溫度列于表3.從表3可以看出,與DMBA相比,磺酸鹽的加入可以提高WPU膠膜的熱穩定性,這主要是因為磺酸基團的引入使得聚氨分子鏈極性增加,聚氨酯間形成較強的鍵合作用,導致WPU聚合物的機械強度增大,膠膜的熱穩定性能增加.對比兩種經磺酸改性的WPU膠膜熱分解溫度可以發現,兩者的熱穩定性相差不大.由圖中DTG曲線可以看出,各類WPU膠膜只有1個熱分解峰,說明所制備的體系比較均一.

(a)不同DMBA/CHPS比例

(b)不同DMBA/DDBS比例

(a)不同DMBA/CHPS比例

(b)不同DMBA/DDBS比例

樣品比例質量損失10%時對應的熱分解溫度/℃DMBA/CHPS10∶0268.679∶1307.408∶2303.607∶3297.89DMBA/DDBS9∶1300.768∶2303.027∶3297.06

2.5 不同羧酸/磺酸鹽WPU膠膜力學性能分析

DMBA、DMBA/CHPS、DMBA/DDBS類WPU膠膜的應力-應變曲線圖如圖6所示.從圖6可以看出,DMBA型WPU膠膜的拉伸強度為18.88 MPa,斷裂伸長率為337.28%.CHPS類磺酸鹽的加入使膠膜的力學性能變差,且CHPS的含量越高膠膜的斷裂伸長率越低,當DMBA/CHPS比為7∶3時,CHPS類WPU膠膜的斷裂伸長率僅為210.96%;DDBS類磺酸鹽的加入有利于提高WPU膠膜的力學性能,當DMBA/DDBS比為9∶1時,DDBS類WPU膠膜的斷裂伸長率可達403.12%,拉伸強度可達23.2 MPa.

(a)不同DMBA/CHPS比例

(b)不同DMBA/DDBS比例

2.6 羧酸鹽與磺酸鹽最佳配比分析

由上述分析結果可得:在DMBA/CHPS系列中,當DMBA/CHPS比例為9∶1時,膠膜的耐水性最好、乳液的粒徑最小,熱穩定性最高,因此本研究最終確定DMBA/CHPS的最優比例為9∶1;在DMBA/DDBS系列中,當DMBA/DDBS的比例為9∶1時,所合成的WPU聚合物各項性能最佳.因此,本研究最終確定DMBA/CHPS的最優比例為9∶1.

2.7 不同羧酸/磺酸鹽WPU膠黏劑的剝離強度分析

選取上述最佳比例下制備的WPU膠黏劑對橡膠-皮革及皮革-皮革進行施膠粘接并進行剝離強度測試,結果如圖7、8所示.從圖7(a)可以看出,DMBA型WPU膠黏劑的橡膠-皮革剝離強度為12.16 N/cm、DMBA/CHPS型WPU膠黏劑的剝離強度為13.14 N/cm、DMBA/DDBS型WPU膠黏劑的剝離強度為13.63 N/cm.從圖7(b)可以看出,DMBA型WPU膠黏劑的皮革-皮革剝離強度為2.38 N/cm、DMBA/CHPS型WPU膠黏劑的剝離強度為3.05 N/cm、DMBA/DDBS型WPU膠黏劑的剝離強度為3.08 N/cm.對比發現,羧酸/磺酸型WPU膠黏劑的剝離強度較羧酸型WPU膠黏劑有所增加,這主要是因為磺酸基團的極性較羧酸基團強,最終表現為WPU分子鏈段中軟硬段間的相互作用力增強,聚氨酯分子的內聚能隨之增加,所以羧酸/磺酸型的膠黏劑剝離強度值較大;此外,在這個過程當中由于強極性基團磺酸基向被粘接基材表面靠近,在粘接界面上存在的雙電層結構的吸附作用力也會增強,從而產生較大的粘附力,最終表現為剝離強度的增強.進一步比較兩種磺酸型WPU膠黏劑,從圖7(a)、(b)可以看出,DMBA/DDBS型WPU膠黏劑具有更高的剝離強度.

(a) 橡膠-皮革

(b) 皮革-皮革

(a) 橡膠-皮革

(b) 皮革-皮革

3 結論

以DMBA為羧酸型擴鏈劑,CHPS、DDBS為磺酸型擴鏈劑,合成了兩種不同的羧酸/磺酸型含鋯鹽WPU乳液.紅外光譜分析證明磺酸基團成功鍵入WPU分子鏈中.在DMBA/CHPS系列中,DMBA/CHPS的最佳配比為9∶1;在DMBA/DDBS系列中,DMBA/DDBS的最佳配比也為9∶1.分析比較了DMBA、DMBA/CHPS、DMBA/DDBS型WPU聚合物各項性能.

結果表明,磺酸鹽的加入有利于提高WPU膠膜的熱穩定性和WPU膠黏劑的剝離強度,具體表現為:兩種磺酸鹽的加入使WPU膠膜在質量損失為10%時的熱分解溫度從268.67 ℃分別增加到307.40 ℃和303.02 ℃,很大程度的提高了WPU膠膜的熱穩定性.除此之外,磺酸鹽的加入使WPU膠膜對橡膠-皮革剝離強度從12.16 N/cm分別增加到13.14 N/cm和13.63 N/cm,對皮革-皮革的剝離強度2.38 N/cm分別增加到3.05 N/cm和3.08 N/cm.進一步比較發現DMBA/DDBS型WPU乳液具有更小的粒徑,其膠膜的耐水性、熱穩定性、力學性能及剝離強度更佳.

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【責任編輯:蔣亞儒】

Preparationandpropertiesofenvironmentalcarboxylate/sulfonatepolyurethaneadhesivecontainingzirconiumsalt

WANG Hai-hua, GUO Qian, FEI Gui-qiang, NIU Yu-kun

(Key Laboratory of Auxiliary Chemistry amp; Technology for Chemical Industry, Ministry of Education, Shaanxi University of Science amp; Technology, Xi′an 710021, China)

Two categories of carboxylate/sulfonate polyurethane (WPU) adhesives containing zirconium salt were synthesized by using 2,2-dimethylolbutanoic acid (DMBA) as a carboxylate chain extender and 3-chloro-2-hydroxy-propanesulfonate(CHPS)、1,4-dihydroxybutane-2-sulfonate (DDBS) as sulfonate chain extenders,zirconium carbonate as a crosslinking agent.Effects of different ratios of carboxylate and sulfonate chain extenders on the properties of WPU emulsions and the corresponding films were investigated.The results indicated that WPU prepared with DMBA/DDBS of 9∶1 weight ratio was endowed with better performance in comparison with WPU prepared with DMBA/CHPS.Compared with WPU prepared with pure DMBA,the water absorption of WPU prepared with DMBA/DDBS increased from 6.58% to 10.17%,thermal decomposition temperature increased from 268.67 ℃ to 303.02 ℃,tensile stress increased from 18.88 MPa to 23.2 MPa,and tensile strain increased from 337.28% to 403.12%.

carboxylate/sulfonate; waterborne polyurethane; adhesive; zirconium salts

2017-08-29

國家自然科學基金項目(21505089,21544011); 陜西省科技廳科技計劃項目(2015KJXX-35); 陜西省教育廳重點實驗室科研計劃項目(2011JS057)

王?;?1982- ),女,江蘇泰州人,教授,博士生導師,研究方向:水基功能高分子材料的合成、表征及性能

2096-398X(2017)06-0088-07

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