一种纳米改性水性聚氨酯保温材料的研究

1 前言

聚氨酯涂料以其成膜强度高、弹性好、耐候性、耐磨性优良等特点，广泛应用于各个领域，受到用户的普遍重视。然而，溶剂型聚氨酯涂料含有有毒、易燃的有机溶剂，严重污染环境、危害人类健康，也是造成火灾的隐患。1972年德国Bayer公司率先开发了水性聚氨酯。与溶剂型聚氨酯相比，水性聚氨酯使用时无毒、无污染、不燃烧、价廉，还具有一般溶剂型聚氨酯的优点，是一种很有前途的“绿色材料”。但与溶剂型聚氨酯相比，由于亲水性基团的存在使水性聚氨酯产品存在耐水性、耐溶剂性差等缺点。为克服内乳化法制得的PU乳液成膜物吸湿率大的固有缺陷，提高其耐水性最有效的方法就是交联。而对于单组分体系，内交联程度太大乳液不稳定，仅通过内交联不能使涂膜的耐水、耐湿擦等性能有很大的改善。鉴于此，许多化学工作者对水性聚氨酯实施多重改性，以期提高水性聚氨酯的综合性能，这包括有接枝、共聚、共混等。常见的聚氨酯改性方法有丙烯酸改性、环氧树脂改性、有机硅改性、氟改性等，然而现代固体物理的研究表明，纳米粒子具有与宏观颗粒所不同的特殊的体积效应(小尺寸效应)、表面界面效应和宏观量子隧道效应等，因而表现出独特的光、电、磁和化学特性，这为制备高性能、多功能复合材料开辟了一个全新的途径。因此，纳米改性聚氨酯已经成为聚氨酯改性的一个新方向。在聚氨酯的纳米增强改性中，其处理方法主要以原位生成法、插层法和直接混合法的研究和应用比较多。本文用超声波分散得到一种纳米改性水性聚氨酯保温材料，并对这种材料进行粒径、SEM、TEM、TGA等方面的测试，与材料改性前进行比较，讨论纳米填料对材料性能的影响。
 

2 实验部分

2.1 原料

自制水性聚氨酯树脂，固含量35%；纳米材料水溶液，武汉沪正纳米有限公司，固含量50%；相关助剂。

2.2 主要仪器与设备

FA25高速乳化机，上海弗鲁克机电设备有限公司；超声波粒度分散FS-150，上海生析超声仪器有限公司；激光粒度分析仪Malvern ZetaSizer Nano-ZS90；透射电镜JEM-100SX，日本JEOL公司；扫描电镜JEOL JSM-6390LV；差示扫描量热仪Pyris1DSC，PE公司；热重分析仪Pyris1 TGA，PE公司。
2.3 实验步骤

2.3.1 水性聚氨酯乳液制备

按一定的-NCO/-OH比值，在装有回流冷凝管、温度计、搅拌桨的250 mL三口瓶中加入IPDI和聚醚210。在90℃下反应2 h。加入一定量的DMPA、DEG，在60℃下反应5 h，降温至40℃以下，加入TEA中和加水乳化，得到聚氨酯乳液。脱除反应过程中所加入的溶剂，备用。

2.3.2 纳米改性水性聚氨酯材料的制备

使用助剂将纳米材料水溶液进行预处理，并以质量分数为1%的比例加入到上面合成的聚氨酯乳液复配，经超声波粒度分散仪分散约30 min，得到纳米改性水性聚氨酯乳液。利用激光粒度分析仪测试乳液的粒径，分析纳米材料的分散情况。
将上述的纳米改性聚氨酯乳液制成胶膜，进行SEM、TEM、TGA等的测试。
 

3 测试结果与讨论

3.1 粒径分析

采用激光粒度分析仪Malvern ZetaSizer Nano-ZS90分别对水性聚氨酯乳液、纳米材料水溶液和纳米改性水性聚氨酯乳液进行测试，以浆料的粒径分布随光强度的变化作图，如图1所示。水性聚氨酯乳液、纳米材料水溶液和纳米改性水性聚氨酯乳液的平均半径分别为58.45 nm、64.07 nm、62.54 nm，都达到了纳米级，而且乳液粒径相对集中，我们所得到的纳米改性水性聚氨酯乳液的最大粒径也仅为210nm左右，说明纳米材料水溶液在水性聚氨酯中分散的非常好，没有团聚。另一方面，我们看到纳米改性水性聚氨酯乳液的平均粒径和最大粒径都比纯纳米材料水溶液的大，推测可能是水性聚氨酯这种高分子表面活性剂对纳米粒子具有良好的乳化分散作用，减小了原来纳米粒子的粒径。

3.2 电镜分析