课程设计实验报告
课题题目：水性聚氨酯材料的制备及性能测试
学生姓名： 刘雷 学 号： 1213221166 院 系 材料科学与工程学院 班 级: 高分子11204 专 业： 高分子材料 教 师： 张宏伟 组 员： 刘雷，姚凯，李青
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课题设计的目的 ....................................................... 2 摘要： ............................................................... 3 关键词： ............................................................. 3 1、水性聚氨酯材料的进展与应用 ........................................ 4
1.1水性聚氨酯材料的研究进展 ............................................... 4
1.2水性聚氨酯的应用 ....................................................... 4
1.2.2 聚氨酯防腐蚀涂料 ................................................. 4 1.2.3聚氨酯木器家具涂料 ............................................... 5
2、水性聚氨酯的性质及合成工艺 ........................................ 6
2.1性质： ................................................................. 6 2.2合成原料： ............................................................. 6 2.3合成机理： ............................................................. 7
3、实验过程 .......................................................... 8
3.1原材料和原材料在配方中的作用 ........................................... 8 3.2产品加工流程和仪器设备 ................................................. 8 3.3实验的设计和实施 ....................................................... 8
3.3.1水性聚氨酯乳液的合成原理 ......................................... 8 3.3.2水性聚氨酯乳液的合成步骤 ......................................... 9 3.3.3水性聚氨酯涂膜的制备 ............................................. 9 3.4产品的性能测试 ......................................................... 9
3.4.1产品性能测试设备 ................................................. 9 3.4.2性能测试的参数与标准 ............................................. 9
4、结果与讨论 ....................................................... 10
4.1数据记录 .............................................................. 10 4.2分析与讨论 ............................................................ 10
5、实验结论及改进 ................................................... 11
5.1实验结论 .............................................................. 11 5.2实验改进： ............................................................ 11
5.2.1DMPA含量及加入方式的影响： ...................................... 11 5.2.2丙酮含量及加入时间的影响： ...................................... 11 5.2.3实验过程中的水的影响： .......................................... 12 5.2.4实验过程中温度的影响： .......................................... 12 5.2.5水性聚氨酯涂抹的影响： .......................................... 12 5.3结语： ................................................................ 12
【参考文献】： ....................................................... 13
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课题设计的目的
1、掌握查阅文献的方法，了解国内外水性聚氨酯及防水透湿型聚氨酯材料的研究应用及发展趋势；
2、根据掌握的水性聚氨酯材料的合成或生产工艺原理，进行配方制定、工艺操作的工艺设计，设计出实用可行的产品；
3.掌握防水透湿型聚氨酯织物材料的加工、性能测试等基本技能； 4.提高综合运用所学的理论知识分析和解决问题的能力。
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摘要：水性聚氨酯是以水代替有机溶剂作为分散介质的新型聚氨酯体
系，也称水分散聚氨酯、水系聚氨酯或水基聚氨酯。水性聚氨酯以水为溶剂，具有无污染、安全可靠、机械性能优良、相容性好、易于改性等优点。特别是近年来环境保护越来越受到人们的重视，相应的水性聚氨酯也受到人们越来越多的关注。
本次制备以聚丙二醇、甲苯二异氰酸酯和二羟甲基丙酸（DMPA）为原料，合成了聚氨酯预聚体。再加入丙酮降低体系黏度，最终加入三乙胺（TEA）中和盐，制备出水性聚氨酯聚合物。通过水分散工艺最终得到水性聚氨酯乳液。其后对水性聚氨酯进行了透气性能和透水性能的测试。
关键词：水性聚氨酯 发展 乳液 性能
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1、水性聚氨酯材料的进展与应用
1.1水性聚氨酯材料的研究进展
水性聚氨酯涂料,不仅具有无毒无臭味、无污染、不易燃烧、成本低、不易损伤被涂饰表面、施工方便、易于清理等优点,还具有溶剂型聚氨酯涂料所固有的高硬度、耐磨损等优异性能,因而在木器涂料、汽车涂料、建筑涂料、塑料涂料、纸张涂层以及织物和皮革涂饰等许多领域得到了广泛的应用。为了满足人们在生产和生活方面对具有新型功能的水性涂料的需求,近年来,人们通过对水性聚氨酯改性或添加助剂开发出了许多具有特殊物理和化学性质的水性聚氨酯涂料,提高了水性聚氨酯涂料的功能性,扩大了水性聚氨酯涂料的应用范围。目前,研究主要集中于提高产品的耐水性、耐溶剂性及缩短干燥时间等方面。单组分交联型水性聚氨酯涂料较线型聚氨酯涂料在强度、硬度、耐水性、耐溶剂性等方面具有较大的提高,只是断裂伸长率略显不足。目前,国内外生产的水性聚氨酯涂料几乎都是单组分。双组分涂料起步较晚,发展还很不成熟,主要研究集中于如何减少副反应,增加反应的选择性及如何在潮湿、低温的环境下成膜等问题。
1.2水性聚氨酯的应用
1.2.1聚氨酯防水涂料
防水涂料是指起着防潮、防漏、保护涂饰物及其构件不受水侵蚀破坏作用的一类涂料。水性聚氨酯由于其良好的综合防水性能,已经越来越多地受到人们的关注,成为防水涂料领域中新的发展方向。水性聚氨酯具有优异的耐磨性、柔韧性、流动性、机械性能及耐化学品性,同时还有光亮、附着力强等优良性能,既有效避免了溶剂型聚氨酯体系中有毒、易燃挥发性有机化合物(ＶＯＣ)的排放,又具有不燃、无毒、不污染环境、节约能源等优点。 1.2.2 聚氨酯防腐蚀涂料
聚氨酯涂料可低温固化,弹性好,湿固化聚氨酯涂料能全天候施工,可用多种
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树酯改性(如环氧、聚烯烃和氯磺化橡胶等),用作桥梁、石油贮罐、化工厂设备等的重防腐蚀涂料,具有很好的发展前景。 1.2.3聚氨酯木器家具涂料
聚氨酯涂膜具有坚韧性、耐沸水性、耐香烟头灼烧及耐冲洗性,其固体分高,减少了施工道数,常温下干燥迅速,涂膜平整丰满,优于其他系列的涂料,已成为高档家具用涂料。聚氨酯木器家具涂料由单一品种迅速向多品种、系列化或配套产品发展,包括开发聚氨酯清漆、磁漆、木器封闭底漆及专用助剂和稀释剂等,出现了各种美术漆、高光、亚光及无光面漆、银珠银光面漆、金属闪光漆等,使得聚氨酯木器涂料具有优异而美观的装饰性能。
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2、水性聚氨酯的性质及合成工艺
2.1性质：
水性聚氨酯(Waterborne Polyurethane，WPU)是以水为介质的二元胶态体系，包括聚氨酯水溶液、水分散液和水乳液三种。聚氨酯粒子分散于连续的水相中，也称之为水性PU 或水基PU。它具有无毒，不易燃烧，不污染环境，节能，安全可靠，不易损伤被涂饰表面，易操作和改性等优点。
2.2合成原料：
A、多异氰酸酯：水性聚氨酯合成的多异氰酸酯包括芳香族和脂肪族两大类。芳香族主要有TDI（甲苯二异氰酸酯）、MDI（二苯基甲烷二异氰酸酯）；脂肪族主要有HDI（六亚甲基二异氰酸酯）、IPDI（异佛尔酮二异氰酸酯）。 B、低聚物多元醇：水性聚氨酯合成用低聚物多元醇主要包括聚醚型、聚酯型两大类，它构成聚氨酯的软段。
C、扩链剂：为了调节分子量及软、硬段比例，在水性聚氨酯合成中常使用扩链剂。扩链剂主要是多官能度醇类或胺类化合物。
D、亲水剂（亲水性扩链剂）：亲水性扩链剂指能在水性聚氨酯大分子主链上引入亲水基团的扩链剂，它是水性聚氨酯制备中使用的功能单体。该类扩链剂中带有羧基、磺酸基或叔胺基，结合有此类基团的聚氨酯经中和、离子化，即呈现水溶性。1.3.1.5 中和剂（成盐剂）
E、中和剂是一种能和羧基、磺酸基或叔胺基成盐的试剂。水性聚氨酯使用的中和剂是三乙胺、氨水、盐酸及醋酸等。
F、 溶剂：水性聚氨酯预聚备时粘度较大，为方便传质、传热，尤其是后期的乳化，必须加入适当的溶剂。
G、 水：水性聚氨酯中水是分散介质，为提高稳定性，此时应使用去离子水或蒸馏水。
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2.3合成机理：
水性聚氨酯的合成可分为两个阶段：第一阶段为预逐步聚合，即由低聚物二醇、扩链剂、水性单体、二异氰酸酯通过溶液逐步聚合生成分子量为103量级水性聚氨酯预聚体；第二阶段为中和后预聚体在水中的分散。
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3、实验过程
3.1原材料和原材料在配方中的作用
TDI（甲苯二异氰酸酯）PPG（聚丙二醇）
DMPA（二羟甲基丙酸） 丙酮 三乙胺（TEA） 棉织物
3.2产品加工流程和仪器设备
三口烧瓶（500mL） 小烧杯（100mL） 机械搅拌器一套 加热装置一套 温度计和温度计套管各一支 玻璃板两块 恒压滴液漏斗
3.3实验的设计和实施
3.3.1水性聚氨酯乳液的合成原理
CH3OCNTDINCO+HOPPGOHOCNNHCONHDMPANCOOCNNHCOOCH2CH2OOCNHCOOHNCOAcetoneTEAOCNNHCOOCH2CH2OOCNHNCOCOONHEt3H2O水性聚氨酯
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3.3.2水性聚氨酯乳液的合成步骤
①称取23.6g聚丙二醇加入500mL三口烧瓶中在机械搅拌下升温到120 oC进行熔融。
②降温到85 oC，一定搅拌速度下缓慢滴加7.2g甲苯二异氰酸酯，恒温反应1 h。
③加入1.58g二羟甲基丙酸（DMPA）, 继续搅拌反应2 h 后, 得到预聚体。 ④随后, 温度降至50 oC，加入适量丙酮降低体系黏度, 加入三乙胺（TEA） 中和成盐,反应0.5 h。
⑤冷却至室温后，加入150mL冰水进行分散，继续搅拌1h后得到水性聚氨酯乳液，待用。
3.3.3水性聚氨酯涂膜的制备
将制备好的水性聚氨酯均匀的刮涂在事先准备好的织物上，置于烘箱内烘干待用。
3.4产品的性能测试
3.4.1产品性能测试设备
YG（B）461E-Ⅱ型数字式织物透气仪 YG（B）812D-20型数字式渗水型测定仪 3.4.2性能测试的参数与标准
①渗水测定 水性聚氨酯涂层耐静水压按照GB/ T 4744- 1997方法, 采用宁波纺织仪器厂的YG（B）812D-20型数字式渗水性测试仪测定
②透气测定 YG（B）461E-Ⅱ型数字式透气仪
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4、结果与讨论
4.1数据记录
组别 1 2 3 4.2分析与讨论
透气率（mm/s） 281.2 217.6 11.2 水压（Pa） 956 665 745 第三组的透气率数据与第一组和第二组有明显差距，所以第三组数据不列入考虑。而第一组与第二组的差距属于实验误差，因为涂料是一次实验做出来的，所以最大的实验误差应该出于涂膜时候的厚薄不均。
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5、实验结论及改进
5.1实验结论
尽管水性聚氨酯具有非常优良的环保性能，但是还是存在耐高温性能不佳，耐水性差，初粘力低，干燥时间长和固化速度慢等缺点，因而较大程度地影响了它的推广应用，因此对水性聚氨酯进行改性，提高水性聚氨酯的综合性能并扩大其应用范围的是当前水性聚氨酯工业发展的重点。
水性聚氨酯的改性从机理上可以分为物理改性和化学改性两种，研究发现物理共混改性方法中各物质的相容性不如化学改性，因此，目前以化学改性居多，化学改性的方式主要有: 交联改性，共聚改性和复合改性等。
水性聚氨酯作为染色助剂主要用于涂料轧染,还用作涂料印花粘合剂、柔软与防皱整理剂、抗静电和亲水整理剂,以提高染色深度、牢度以及纺织品的其他性能。水性聚氨酯不含甲醛,成膜又具有较好的弹性,是替代或部分替代氨基树脂的一种较好的无甲醛整理剂,用它处理的织物使用效果很好,印花处手感柔软、清爽、上色均匀,图案清晰,无渗化,在羊毛防缩中效果明显。
5.2实验改进：
5.2.1DMPA含量及加入方式的影响：
水性聚氨脂分子中的离子基团是聚合物主链和侧链上的羧基铵化成盐而至,是很好的亲水基团。本实验用DMPA引入亲水基团,用三乙胺中和成铵盐,该基团有很强的极性,很容易和水形成氢键,使其发生膨胀。随着DMPA含量的增加,涂膜的吸水率增大,即耐水性变差。尽管DMPA的含量越低,聚氨酯的耐水性越好,但DMPA含量低易使乳液的粒径变大而使其外观变差,通常呈不透明石灰水状,且稳定性下降。因此需要加入适量的DMPA，否则会影响水性聚氨酯的制备。 5.2.2丙酮含量及加入时间的影响：
次实验中主要起防止水性聚氨酯在制备过程中凝胶，因此对其含量以及加入
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时间有着严格的要求，一旦反应过程中出现了凝胶应当加入适量的丙酮避免继续凝胶现象的进行。
5.2.3实验过程中的水的影响：
二异氰酸酯极易与含有活泼氢原子的化合物反应，所以如果在滴加甲苯二异氰酸酯混入水或者加热产的水汽极易导致水性聚氨酯的制备失败。实验过程中应该谨防水的混入，特别是加入甲苯二异氰酸酯的过程中以及反应的一段过程中。 5.2.4实验过程中温度的影响：
水性聚氨酯的实验中对温度有着明确的规定，我们应该严格控制起温度范围，以及处在该温度范围下的时间，否则也容易对实验结果产生影响，当然具体时间应该以具体实验进程为准。 5.2.5水性聚氨酯涂抹的影响：
水性聚氨酯后，我们需要将其均匀的涂在织物上，不能造成局部涂抹过厚或过浅，这样都不利于后面对水性聚氨酯透气性以及透水性的影响，造成实验结果不准确。
5.3结语：
水性聚氨酯因其运输、储存、应用上的许多优点而越来越受到人们的重视,它的发展日新月异。世界各国都在加强对它的研究开发,目标是得到高性能、低成本的产品。国内在水性聚氨酯这一领域的应用研究起步较晚,生产水平也相对较低,主要是受到化工基础薄弱的影响。在高性能单体的开发方面,脂肪族异氰酸醋的合成方面差距较大。因此大力开展我国水性聚氨酷的研究工作,无论在理论上 还是实践上都具有重大意义。
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【参考文献】：
1.曾涛，罗洁，水性聚氨酯的改性及应用，化工时刊，2011年，第07期 2.闫福安，陈俊，水性聚氨酯的合成和改性，中国涂料，2008年，第07期 3.王炯,李国平.水性聚氨酯的改性研究进展.高分子材料科学与工程,2009年，第12期
4. 寿崇琦，娄嵩，尚盼，水性聚氨酯的研究综述，国外建材科技，2007年，第28卷，第4期
5.邱圣军,吴晓青,卫晓利.水性聚氨酯的乳液制备与性能研究.胶体与聚合物，2006年，第01期
6.李红强,葛会勤,赵建设,等.水性ＵＶ固化聚氨酯丙烯酸酯涂料的制备及其合成工艺的研究[Ｊ].涂料工业,2007,37(7):1-4.
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