双组分水性聚氨酯的成膜过程[1]32429

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1、双组分水性聚氨酯的成膜过程[1]324292005年第20卷第1期POLYURETHANEINDUSTRY2005.Vo1.20No.1·10·双组分水性聚氨酯的成膜过程巫辉夏亚敏明三军摘要:双组分水性聚氨酯的成膜过程主要考虑挥发物(水)的挥发、(武汉理工大学理学院应用化学系430070)关键词体过程,初步探讨了成膜机理。:双组分;水性聚氨酯;成膜多元醇和多异氰酸酯粒子的聚结、多异氰酸酯与多元醇和水的反应这混合相中异氰酸酯的反应、3个因素的影响。本工作从双组分水性聚氨酯的甲、乙两组分混合中的粒子聚结、水的蒸发和粒子聚结3个方面概述了成膜的具水性聚氨酯是一

2、种相对较新型的涂料,它包含水可分散多官能度的异氰酸酯,和含羟基官能团的聚酯(聚醚)的预聚物。因为水性聚氨酯涂料能提供与溶剂型涂料相媲美的优良性能、且有机挥发物(VOC)含量较低,有利于环境保护,所以广泛应用于汽车、飞机、工业维修、木器和塑料等领域,其重要性和广泛性与日俱增。尽管这些涂料的应用较为成功,但成膜过程的机理探讨还是一项复杂的工作,合适的成膜是涂料得到最佳性能的关键之一,双组分水性聚氨酯的成膜尤为关键。因为双组分水性聚氨酯涂料的配方是一项高度复杂的工作[1],其体系存在一系列问题有待于解决[2]:如施工时限短、施工不方便;CO2残留在干燥涂膜中形

3、成气泡;干燥速度慢、干燥时间长;有些体系成本高等。究其原因可能有:(1)NCO与水及多元醇的其他官能团的副反应以及多元醇与固化剂的混合困难、配方组分复杂;(2)多元醇的相对分子质量低,固化剂的含量高;(3)在湿涂膜和干涂膜中,NCO与水的副反应程度较大;(4)羟基树脂合成复杂,固化剂组分消耗过高。上述原因说明双组分水性聚氨酯存在的问题在成膜过程中是不可避免的,即水和有机挥发物的蒸发以及聚合物粒子的聚结,且不同组分(多异氰酸酯和多元醇)的完全聚结以及羟基和水与异氰酸酯的竞争反应使这一过程更加复杂。此外,异氰酸酯与水反应产生的CO2气体必须排出在体系外,以避

4、免涂膜产生缺陷。尽管这些关键问题已引起人们的重视,但真正解决这些问题还依赖于人们对成膜机理的探讨和研究。1水性体系和溶剂型体系的区别[3,4]在典型的双组分溶剂型聚氨酯体系中,多异氰酸酯和羟基组分都溶解在有机溶剂中。随着双组分的紧密接触和在混合物中的均匀分散,将得到一个均相体系。聚氨酯链在异氰酸酯和共反应物之间形成。因此适用期由多异氰酸酯和多元醇之间的反应程度决定。当体系中的组分开始交联时(凝胶产生),混合物就不能再使用了。双组分水性聚氨酯系统则完全不同,水分散型多异氰酸酯(WDP)和多元醇混合时,两组分不在同一相内,通过搅拌,作为乳化剂的多元醇将WDP

5、分散在水中成为一相,从而进行反应。HegedusCR研究后[4]认为:两组分混合后,主要经过粒子聚结、异氰酸酯反应以及施工后水的挥发等过程。研究还发现,两组分混合后,水、羟基与异氰酸酯的反应竞争激烈,并且羟基与异氰酸酯的反应几乎是立即发生,而水与异氰酸酯却在2h后才开始反应。施工以后,水开始挥发,粒子接触更加紧密。粒子的聚结使异氰酸酯与羟基的反应大大增强。图1所示的是多异氰酸酯在羟基组分中的乳化情况[1]。图1多异氰酸酯在羟基聚合物中的乳化情况第1期巫辉等·双组分水性聚氨酯的成膜过程·11·OOCNRNCO+H2OOCNRNCOHHOCNRNH2+CO2

6、OCNRNH2+OCNRNCOOOCNRNCNRNCOHH2.1双组分混合中的粒子聚结甲、乙双组分混合后到施工前的一段时间称之为诱导期,此期间内与成膜相关的因素是异氰酸酯分散体粒子和羟基分散体粒子的聚结,以及异氰酸酯与羟基官能团和水的竞争反应。成膜期间粒子的聚结可以通过粒径测试来分析。测试结果表明,多异氰酸酯粒子尺寸与不同羟基组分有很大的关系[6,7]。利用这一点可促进成膜过程,因为较小粒子能更完全地聚结。此外,测试结果显示诱导期间混合相中异氰酸酯多元醇分散体的粒径不随时间2的变化而产生明显变化。这表明诱导期间粒子的聚结和絮凝出现的几率较低[8,9]。2

7、.2混合相中异氰酸酯的反应等温量热学实验作为一种分析手段对诱导期的反应混合物进行分析以确定体系中化学反应的动力学。在化学反应中需考虑水与多异氰酸酯、羟基组2双组分水性聚氨酯的成膜双组分水性聚氨酯成膜机理不同于热塑性聚合物溶液,也与热塑性聚合物分散体和热固性聚合物溶液不同。从组成上看,它应当与热塑性聚合物分散体的粒子聚集机理和热固性聚合物溶液的交联反应成膜机理有关[5]。对于双组分水性聚氨酯的成膜过程,主要要考虑挥发物的挥发、多元醇和多异氰酸酯粒子的聚结、多元醇和多异氰酸酯的反应这3个因素的影响。此过程很复杂,因为当涂料两组分混合时,各反应物并不是在分散体

8、的同一个相中,异氰酸酯与羟基官能团和水的竞争反应使得过程更加复杂,异氰酸酯与羟基