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磺酸型水性聚氨酯的研究進(jìn)展

2014-04-29 00:44朱潤棟王念貴
粘接 2014年3期
關(guān)鍵詞:磺酸鹽合成改性

朱潤棟 王念貴

摘要:綜述了磺酸型水性聚氨酯乳液(SWPU)的制備、性能以及國內(nèi)外研究進(jìn)展。介紹了其應(yīng)用領(lǐng)域和國內(nèi)外應(yīng)用情況,并對SWPU的發(fā)展及應(yīng)用前景進(jìn)行展望。

關(guān)鍵詞:磺酸鹽;水性聚氨酯(WPU);合成;改性

在聚氨酯主鏈或側(cè)鏈上引入帶電荷的離子基團(tuán),制成聚氨酯離子聚合體,這種帶離子的聚合體分散到水中形成自乳化型水性聚氨酯(WPU)[1]。水性聚氨酯節(jié)能環(huán)保,已被廣泛用于涂料、膠粘劑、油墨、生物材料、建筑材料、汽車和紡織品等領(lǐng)域[2]。

目前應(yīng)用最多的是羧酸型WPU,其親水單體形成的是弱酸弱堿鹽,離子強(qiáng)度低,穩(wěn)定的WPU分散體需要羧酸鹽親水單體量較多,還存在對非極性基材潤濕性差,初粘性低,耐電解質(zhì)性、耐酸堿性和耐高低溫性能較差等缺點(diǎn)。與羧酸鹽型水性聚氨酯相比,磺酸型水性聚氨酯(SWPU)更易得到高固含量的產(chǎn)品,其耐酸堿性、耐熱及耐水性都有很大的改善,且無需使用中和劑,具有良好的經(jīng)濟(jì)價(jià)值和市場前景[3~5]。按照親水單體的不同,可以將SWPU分為含小分子磺酸鹽親水單體的SWPU和含大分子磺酸鹽親水單體的SWPU。

1 前以小分子磺酸鹽為親水單體的SWPU

1.1 乙二胺基乙磺酸鈉

鮑俊杰,張海龍等[6]以乙二胺基乙磺酸鈉(AAS-Na)為親水單體,聚己二酸新戊二醇酯(PNA)、聚己二酸-1,4-丁二醇酯(PBA)、聚己二酸乙二醇丁二醇酯(PEBA)等長鏈多元醇,異佛爾酮二異氰酸酯(IPDI)、六亞甲基二異氰酸酯(HDI)等二異氰酸酯為原料,采用丙酮法合成了高固含量磺酸型聚氨酯分散體[7~16]。其合成方法是:將真空脫水后的大分子多元醇加入到有N2保護(hù)的燒瓶中,控溫70~85 ℃,機(jī)械攪拌;加入二異氰酸酯、催化劑二月桂酸二丁基錫,反應(yīng)一定時(shí)間后,加入小分子二元醇擴(kuò)鏈劑、稀釋劑丙酮,在80 ℃反應(yīng),直到體系中的異氰酸酯基含量達(dá)到一定值時(shí),停止加熱,冷卻到室溫后加入乙二胺基乙磺酸鈉(AAS-Na)親水單體,反應(yīng)一定時(shí)間后加入計(jì)量的去離子水高速分散乳化;最后加入乙二胺擴(kuò)鏈,一段時(shí)間后減壓脫丙酮,得到SWPU。研究發(fā)現(xiàn),當(dāng)磺酸鹽用量為1.5%時(shí),SWPU的綜合性能最好,固含量為50%,黏度為37 mPa·s,膠膜的拉伸強(qiáng)度為14.06 MPa。

Wilhelm Thoma等[17,18]在合成時(shí)加入二羥甲基丙酸(DMPA)為羧酸鹽親水?dāng)U鏈劑。合成磺酸/羧酸型水性聚氨酯乳液,加入適當(dāng)?shù)闹鷦┛梢宰鳛槠じ?、紡織品的涂層,具有透濕透氣的功能?/p>

1.2 己二胺單丙磺酸鈉

林東恩,胡守印[19]等以甲苯二異氰酸酯(TDI),PEG-1000、PEG-2000、PEG-6000、PEG-6200等4種不同分子質(zhì)量的聚乙二醇以及自制的己二胺單丙磺酸鈉(HDAS)為原料,分別合成了4種新型水溶性磺酸型聚氨酯高分子表面活性劑。其合成方法為:將真空脫水后的聚醚二元醇加入燒瓶中,在50 ℃下加入丙酮稀釋,加入催化劑二月桂酸二丁基錫,滴加甲苯二異氰酸酯(TDI)丙酮溶液,滴加完畢后,繼續(xù)反應(yīng)到異氰酸酯基達(dá)到一定值時(shí)冷卻至室溫,加入HDAS(適量水溶解)擴(kuò)鏈,室溫下快速攪拌反應(yīng)30 min后,減壓蒸餾除去丙酮和水即可得到磺酸鹽型水溶性聚氨酯高分子表面活性劑。研究表明,在引入聚醚基和磺酸鹽基后,4種高分子表面活性劑均具有較低的臨界膠束濃度,較好的發(fā)泡性、泡沫穩(wěn)定性、流變性以及乳化性等;兼具非離子表面活性劑和陰離子表面活性劑的效果;聚醚二元醇的分子質(zhì)量越大,乙氧基鏈段越長,其乳化能力越弱。

1.3 1,2-二羥基-3-丙磺酸鈉

衛(wèi)曉利,張發(fā)興[20]以1,2-二羥基-3-丙磺酸鈉(DHPA)作為親水?dāng)U鏈劑,聚(四氫呋喃-co-氧化丙烯)二元醇、異佛爾酮二異氰酸酯(IPDI)為原料,合成了一系列穩(wěn)定的高固含量SWPU。其合成方法為:將真空脫水后的聚(四氫呋喃-co-氧化丙烯)二元醇加入燒瓶中,在室溫下加入計(jì)量的IPDI和催化劑二月桂酸二丁基錫,在70~75 ℃反應(yīng)到異氰酸基團(tuán)達(dá)到一定值時(shí)冷卻至60 ℃,向體系中緩慢加入DHPA 的N-甲基吡咯烷酮(NMP)溶液,滴加完畢后于 70 ℃反應(yīng)1.5 h,降溫到30 ℃加入一定量的去離子水劇烈攪拌乳化即可得到一系列穩(wěn)定的高固含量聚氨酯乳液。隨著DHPA用量的增加,乳液平均粒徑逐漸減小,粒徑分布變窄,固含量不斷增大。當(dāng)DHPA 質(zhì)量分?jǐn)?shù)為7%時(shí),乳液固含量可達(dá)61%;當(dāng)DHPA質(zhì)量分?jǐn)?shù)為5%時(shí),膠膜的綜合力學(xué)性能最佳。

王磊,趙新智等[21~23]在合成SWPU時(shí),還加入了二羥甲基丙酸(DMPA),合成制備了高固含量磺酸/羧酸型水性聚氨酯乳液。研究表明,隨著DHPA含量增大,乳膠粒平均粒徑減小,粒徑分布變窄,聚氨酯乳液呈假塑性流體特征,所制得的聚氨酯表面活性劑對丙烯酸單體具有較好的乳化性能,可用于丙烯酸酯乳液聚合。

1.4 間苯二甲酸二乙二醇酯-5-磺酸鈉

姜麗,許甜甜等[24]以間苯二甲酸二甲酯-5-磺酸鈉( SIPM)和乙二醇在催化劑醋酸鋅作用下發(fā)生酯交換反應(yīng),生成間苯二甲酸二乙二醇酯-5-磺酸鈉(SIPE),并且以SIPE、IPDI、聚己二酸-1,4-丁二醇酯(PBA-1 000)和DMPA為原料合成了磺酸/羧酸型水性聚氨酯乳液。其合成方法為:將PBA-1000和IPDI在90 ℃、氮?dú)獗Wo(hù)條件下,反應(yīng)至異氰酸酯基達(dá)到一定值,降溫到70 ℃,加入SIPE的N,N-二甲基甲酰胺(DMF)溶液擴(kuò)鏈3 h,然后降至室溫,加入三乙胺中和成鹽,加入一定量的去離子水劇烈攪拌乳化40 min,即得到磺酸型聚氨酯乳液。與純羧酸型水性聚氨酯對比發(fā)現(xiàn),磺酸型聚氨酯乳液的固含量可達(dá)50%以上,而純羧酸型水性聚氨酯最高僅有38%;磺酸型聚氨酯乳液的粒徑比純羧酸型水性聚氨酯更小,并具有更好的熱穩(wěn)定性?;撬嵝途郯滨ト橐耗さ膹椥阅A扛哂诩凈人嵝退跃郯滨ツz膜,且斷裂伸長率仍保持較高水平;但耐水性不如純羧酸型水性聚氨酯,耐溶劑性比純羧酸型水性聚氨酯好。

2 以大分子磺酸鹽為親水單體的SWPU

2.1 磺酸鹽聚醚二元醇

以含磺酸鹽基的聚醚二元醇為親水單體合成的水性聚氨酯力學(xué)性能、耐低溫性能以及耐水解性能有明顯的改善[25]。Arndt W,Henning W[26]等先合成一種含磺酸鹽基團(tuán)的聚醚多元醇(結(jié)構(gòu)式如圖1所示),然后和聚環(huán)氧丙烷二元醇(PPG)一起作為混合多元醇在110 ℃減壓脫水1 h后,降至70 ℃,與六亞甲基二異氰酸酯(HDI)、IPDI混合,并且在80~90 ℃下進(jìn)行反應(yīng);當(dāng)異氰酸酯基含量達(dá)到一定值時(shí),加入適量丙酮稀釋預(yù)聚體,再加入適量的擴(kuò)鏈劑進(jìn)行擴(kuò)鏈,一段時(shí)間后加入適量的水分散,最后蒸出丙酮即可制得固含量50%左右的SWPU。由該SWPU制得的膠粘劑具有高的剪切強(qiáng)度、初粘強(qiáng)度和更好的耐熱性。 乳液的ζ電位均大于-30 mV,分散體具有良好的穩(wěn)定性;具有高固含量、低黏度和假塑性流體的特征[27]。

在Hsun-Tsing Lee,Sheng-Yen Wu等[28]以一種長側(cè)鏈含磺酸鹽的聚醚二元醇(PESS-1400)為磺酸鹽親水?dāng)U鏈劑,DMPA為羧酸鹽親水?dāng)U鏈劑,聚己二酸己二醇酯二元醇(PHAO-1900)、IPDI為原料,制備磺酸/羧酸型水性聚氨酯乳液。親水基團(tuán)的含量越高乳液的平均粒徑越小。當(dāng)親水基團(tuán)的含量恒定時(shí),PESS含量越高,乳液的平均粒徑越大,膠膜的分解溫度越高。

Lina He[2]以磺酸鹽的聚醚二醇(SPPG)為親水?dāng)U鏈劑,聚己二酸-1,4-丁二醇酯(PBA- 3000)為柔性鏈段,1,4-丁二醇(BDO)、IPDI為剛性鏈段,在將原料預(yù)混合后,放置在高于110 ℃的烘箱中烘烤,并將溫度逐漸升高到160 ℃反應(yīng)4~5 h,冷卻后,將其切成小顆粒,得到顆粒狀的聚氨酯離聚物。將聚氨酯離聚物在適量的丙酮中溶解后,加入一定量的水后將丙酮蒸餾出,即可得到高固含量(約50%)SWPU。該方法得到的顆粒狀聚氨酯離聚物以固體形態(tài)存在,比傳統(tǒng)工藝生產(chǎn)效率高,容易處理和貯存,可降低成本。

2.2 磺酸鹽聚酯二元醇

Jianrong Xia, Ying Xu等[29]以自制的聚己內(nèi)酯磺酸鹽(PCL-SO3Na)為親水?dāng)U鏈劑,聚己二酸-1,4-丁二醇酯(PBA-2000)為柔性鏈段,IPDI為剛性鏈段,通過丙酮法合成了磺酸型水性聚氨酯分散體。發(fā)現(xiàn)分散體粒子為粒徑80~150 nm的核殼結(jié)構(gòu),其膠膜具有低拉伸強(qiáng)度和高斷裂伸長率的力學(xué)特性。

錢志國,李正梅等[30]采用不同磺酸鹽含量的聚酯二元醇(Mn=2 000)為親水?dāng)U鏈劑,聚己二酸己二醇酯二元醇(Mn=2 000)、DMPA、IPDI為原料,合成了不同磺酸基含量的水性聚氨酯分散液。實(shí)驗(yàn)表明,當(dāng)聚酯中磺酸鹽含量為5.0 %時(shí),分散液較為穩(wěn)定。將含磺酸鹽基團(tuán)的聚己二酸己二醇酯二元醇與二羥甲基丙酸(DMPA)合成了既含有磺酸鹽又含有羧酸的水性聚氨酯分散液,改變磺酸基團(tuán)與DMPA的加入量,發(fā)現(xiàn)總離子含量在0.35 mmol/g左右時(shí),分散液穩(wěn)定,且粒徑變化不大。

王正輝,蕭翼之[31]將己二酸、己二醇和苯二甲酸磺酸鈉縮聚,制得相對分子質(zhì)量1 825的磺酸鹽聚酯多元醇。將自制的聚酯多元醇脫水后,在65 ℃下向其中加入二羥甲基丙酸(DMPA)、丁二醇、IPDI,控溫80 ℃反應(yīng)4.5 h,反應(yīng)完全后加入三乙胺反應(yīng)15 min,最后加入適量的去離子水,并在激烈攪拌下分散,加乙二胺擴(kuò)鏈,即得到了類似膏狀的白色水性聚氨酯分散液。

3 SWPU的改性

SWPU較傳統(tǒng)的羧酸型、陽離子型和非離子型水性聚氨酯具有更高的固含量和穩(wěn)定性,膠膜的力學(xué)性能和熱學(xué)性能也均較高,但因磺酸基團(tuán)的強(qiáng)親水性,SWPU仍然存在耐水性能較差、膠膜強(qiáng)度較低的缺點(diǎn)。所以利用各類功能材料對SWPU進(jìn)行改性,有望提升材料性能。

Kevin Lewandowski等[32]以氨丙基三烷氧基硅烷作為封端劑,對用自制的2種磺酸鹽聚醚/酯二元醇合成的SWPU進(jìn)行有機(jī)硅改性[33,34],發(fā)現(xiàn)其最低成膜溫度小于10 ℃,膠膜的拉伸強(qiáng)度在41 MPa以上,斷裂伸長率為300%~600%。另外,通過控制剛性鏈段的含量,可以使膠膜的斯惠特硬度(Sward-Rocker hardness)達(dá)到42。周亭亭,楊建軍[35]等以含乙烯基和有機(jī)硅封端磺酸型水性聚氨酯分散體作為種子乳液,加入丙烯酸丁酯(BA)、甲基丙烯酸甲酯(MMA)混合單體以及引發(fā)劑偶氮二異丁腈(AIBN),在80 ℃反應(yīng)2 h后降溫40 ℃過濾出料,得到了有機(jī)硅改性磺酸型聚氨酯-丙烯酸酯復(fù)合乳液。聚氨酯膠膜的耐熱性能得到明顯提高;有機(jī)硅和丙烯酸酯的引入降低了乳膠膜結(jié)晶度,有利于提高膠膜的韌性。

王海花,胡錦娟等[36]以2,4-二氨基苯磺酸鈉(DASS)為擴(kuò)鏈劑合成了SWPU分散液后,再以FeCl3為氧化劑,采用原位化學(xué)氧化聚合法使吡咯(Py)在SWPU中參與聚合制備了磺酸鹽型水性聚氨酯/聚吡咯(SWPU/PPy)導(dǎo)電復(fù)合材料。材料的電阻率達(dá)1 Ω·cm。

李偉,夏正斌[37]等將環(huán)氧樹脂(E-51)作為改性劑,對以乙二胺基乙磺酸鈉(AAS)作為擴(kuò)鏈劑的SWPU進(jìn)行改性,制備出了固含量為50%的環(huán)氧樹脂改性SWPU乳液。發(fā)現(xiàn)隨著環(huán)氧用量的增加,拉伸強(qiáng)度和膠膜的熱穩(wěn)定性得到明顯提高,初始分解溫度、轉(zhuǎn)折點(diǎn)溫度、分解終點(diǎn)溫度均朝高溫方向移動。

張秀娥,王平華等[38,39]以甲基丙烯酸甲酯(MMA)和丙烯酸丁酯(BA)對用乙二胺基己磺酸鈉擴(kuò)鏈的SWPU進(jìn)行接枝共聚,制備出了丙烯酸酯-水性聚氨酯復(fù)合乳液(WPUA)。發(fā)現(xiàn)隨MMA與BA復(fù)合單體添加量的增加,WPUA復(fù)合乳液的平均粒徑增大、黏度降低,改善了膠膜的力學(xué)性能、耐水性、耐熱性能。

與羧酸型水性聚氨酯相比,含磺酸鹽基團(tuán)的水性聚氨酯力學(xué)性能得到顯著提高,并具有良好干燥成膜性、涂敷加工性、水分散性和穩(wěn)定性。使用少量的磺酸鹽就能制得綜合性能優(yōu)良的高固含量水性聚氨酯乳液,其應(yīng)用領(lǐng)域?qū)絹碓綇V泛。但因磺酸基團(tuán)的強(qiáng)親水性,SWPU存在耐水性能較差等缺點(diǎn),所以利用各類功能材料對SWPU進(jìn)行改性,有望大幅提升材料性能。

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