水性聚氨酯（WPU）乳液既具有聚氨酯（PU）材料的優(yōu)良特性，又不會對環(huán)境造成污染，因而已廣泛應用于制革、紡織、建筑、涂料和膠粘劑等領域，成為當今 PU 材料的發(fā)展方向之一。 近年來，隨著工業(yè)技術的快速發(fā)展， 環(huán)境污染問題已引起人們的普遍重視， 世界各國正在采取相關措施限制揮發(fā)性有機化合物（VOC）的排放。 因此，綠色環(huán)保材料（包括水性材料）已成為材料研究與應用領域的主流和研發(fā)熱點。

      國外對高固含量水性聚氨酯乳液的研究起步較早 ，并且某些產品已進入了工業(yè)化生產階段（如拜耳公司的 DISPERCOLL 系列 WPU 乳液，其固含量>50%），目前市售的穩(wěn)定性好、性能優(yōu)異的高固含量（>50%）WPU 產品大部分是由國外公司生產的。 而國內對高固含量 WPU 乳液的研發(fā)起步較晚， 并且其整體性能仍不如國外同類產品。

      本研究以異佛爾酮二異氰酸酯（IPDI）為硬段、混合雙組分聚酯二元醇和 1，4-丁二醇（BDO）為軟段 、 二 羥 甲 基 丙 酸 （DMPA） 為 親 水 擴 鏈 劑 、 三 乙胺（TEA）為中和劑和乙二胺（EDA）為后擴鏈劑等，采用預聚體分散法合成了系列高固含量的 WPU 乳液，并比較了幾種聚酯的混合使用效果。

1 試驗部分

1.1 WPU 乳液制備

      將 經 脫 水 處 理 過 的 混 合 聚 酯 （PBA、PEBA、PCDL）兩兩混合后，加入到裝有攪拌器、回流冷凝管與溫度計的 1 000 mL 四口燒瓶中，然后一次性加入IPDI，混合均勻后升溫至 75 ℃，滴加幾滴催化劑 T-12，反應 1 h； 隨后加入計量好的小分子擴鏈劑 BDO 反應 1 h，再加入 DMPA/NMP 溶液保溫反應若干時間；待體系中-NCO 含量接近理論值（采用二正丁胺法測定）時，降溫至 55 ℃（期間可添加適量丙酮調節(jié)體系黏度）；加入 TEA，中和反應 20～30 min 后，將預聚物倒入分散桶內； 在高速剪切條件下加入計量好的水，并迅速加入擴鏈劑 EDA，低速攪拌 20 min；最后蒸餾除去丙酮，制得 WPU 乳液。

1.2 測試與表征

      （1）固含量：將 1.0～2.0 g 樣品均勻置于稱量紙上，放入儀器（HB43 Halogen）中，自動加熱；待數值固定后將自動顯示固含量。

      （2）黏度：采用數字式黏度計進行測定（測試溫度 25 ℃，1 號轉子）。

      （3）粒徑：采用馬爾納粒度儀進行測定（先用去離子水將少量樣品稀釋至質量分數為 0.5%左右）。

      （4）吸水率：將 WPU 乳液倒在聚四氟乙烯板上，室溫靜置 7 d 后自然干燥成膜； 然后將 25 cm×25 cm的膠膜（M0）在水中常溫浸泡 24 h，取出，迅速擦凈表面水分并稱重（M1）；則吸水率=（M1-M0）/M0。

      （5）紅外光譜（FT-IR）：用紅外光譜儀進行表征。

2 結果與討論

2.1 樣品編號及試驗結果

      在其它條件保持不變的前提下[即混合聚酯中n（PBA 或 PCDL）∶n（PEBA 或 PCDL）=1∶1、w（DMPA）≈3.4%（相對于預聚體而言）、n（-NCO）∶n（-OH）=1.03∶1和中和度為 96%等]，僅改變聚酯的混合類型，則不同聚酯兩兩混合后對 WPU 乳液儲存穩(wěn)定性的影響如表 1 所示。

      由 表 1 可 知 ：PEBA2000 的 搭 配 效 果 最 差 ，PBA3000 次之 ， 這 可 能 與 它 們 的 分子結構有關 。WPU 是一種含軟硬段結構的嵌段共聚物，其軟段主要由低聚物多元醇組成，故軟段越短，軟硬段間的相容性越好。 PEBA 的分子結構比較復雜，PBA3000的相對分子質量較大、分子鏈較長，故它們與硬段間的相容性較差，表現(xiàn)出制取的 WPU 乳液不穩(wěn)定（易凝固）。 而 PBA1000 和 PBA2000 的分子鏈較短，結構相對規(guī)整， 故由其混合制取的 WPU 乳液具有較好的儲存穩(wěn)定性和操作性。

2.2 WPU 結構的 FT-IR 表征與分析

      不同 WPU 樣品的 FT-IR 曲線如圖 1 所示。 由圖 1 可知：3 336、1 542 cm-1 處為 N-H 的特征吸收峰，表明-NCO 與-OH 反應生成了氨基甲酸酯基 ；2 950 cm-1 附近是亞甲基吸收峰；2 361 cm-1 處為-NCO吸收峰（雖然體系中-NCO 實測值與理論值非常接近，但仍有一定量的-NCO 沒有參與反應）；1 737 cm-1處為羰基的特征吸收峰。 FT-IR 分析表明，混合聚酯與 IPDI 已充分反應，并且生成了預期結構的陰離子型 WPU。

2.3 不同 WPU 樣品的其它性能對比

      水性聚氨酯乳液固含量的提高對其工業(yè)化應用具有積極意義， 但是在 WPU 乳液合成中高固含量與低黏度通常不能兼顧，即固含量越大，乳液黏度越高。黏度過高時，將不利于 WPU 乳液的使用、儲存與運輸。 不同 WPU 樣品的性能對比如表 2 所示。

      由表 2 可知： 樣品 1#～樣品 7# 的固含量均高于46%， 說明采用混合雙組分聚酯來制取高固含量的WPU 乳液是可行的； 樣品 7# 的高黏度是導致其儲存期較短的原因之一；樣品 4# 和樣品 6# 的黏度均較低，并且固含量都超過 48%，但是前者吸水率較高，后者（即樣品 6#）的綜合性能較好。

2.4 不同 WPU 樣品的粒徑對比在其它條件保持不變的前提下（即 DMPA 含量相同等），僅改變聚酯的混合類型，則不同 WPU 樣品的平均粒徑如表 3 所示。

      由表 2、表 3 可知：樣品 4# 的粒徑和吸水率最大。通常，WPU 的粒徑隨著軟段相對分子質量的增加而減小， 軟段相對分子質量越大，WPU 的柔韌性越好，而柔韌性可以改善乳液粒子的變形性，有利于分散成更加細小的粒子。 因此，控制乳液粒徑也是制取高固含量 WPU 的關鍵因素之一。

3 結 論

      （1）在其它條件保持不變的前提下，僅改變聚酯的混合類型，可制得一系列高固含量的水性聚氨酯乳液。

      （2）PEBA2000 和 PBA3000 與其它聚酯的混配效果不理想。

      （3）PBA2000 與 PCDL2000 的混配效果最好，由其制得的 WPU 乳液具有相對較好的綜合性能 （即固 含 量 為 48.70%、 黏 度 為 542 mPa·s、 吸 水 率 為9.59%、粒徑為 110.0 nm）。

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