雙組分水性聚氨酯的成膜過程[1]

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1、雙組分水性聚氨酯的成膜過程[1]2005年第20卷第1期　POLYURETHANEINDUSTRY　　2005.Vo1.20No.1·10·雙組分水性聚氨酯的成膜過程巫　輝　夏亞敏　明三軍摘　要:雙組分水性聚氨酯的成膜過程主要考慮揮發(fā)物(水)的揮發(fā)、(武漢理工大學(xué)理學(xué)院應(yīng)用化學(xué)系　430070)關(guān)鍵詞體過程,初步探討了成膜機(jī)理。:雙組分;水性聚氨酯;成膜多元醇和多異氰酸酯粒子的聚結(jié)、多異氰酸酯與多元醇和水的反應(yīng)這混合相中異氰酸酯的反應(yīng)、3個(gè)因素的影響。本工作從雙組分水性聚氨酯的甲、乙兩組分混合中的粒子聚結(jié)、水的蒸發(fā)和粒

2、子聚結(jié)3個(gè)方面概述了成膜的具　　水性聚氨酯是一種相對(duì)較新型的涂料,它包含水可分散多官能度的異氰酸酯,和含羥基官能團(tuán)的聚酯(聚醚)的預(yù)聚物。因?yàn)樗跃郯滨ネ苛夏芴峁┡c溶劑型涂料相媲美的優(yōu)良性能、且有機(jī)揮發(fā)物(VOC)含量較低,有利于環(huán)境保護(hù),所以廣泛應(yīng)用于汽車、飛機(jī)、工業(yè)維修、木器和塑料等領(lǐng)域,其重要性和廣泛性與日俱增。盡管這些涂料的應(yīng)用較為成功,但成膜過程的機(jī)理探討還是一項(xiàng)復(fù)雜的工作,合適的成膜是涂料得到最佳性能的關(guān)鍵之一,雙組分水性聚氨酯的成膜尤為關(guān)鍵。因?yàn)殡p組分水性聚氨酯涂料的配方是一項(xiàng)高度復(fù)雜的工作[1],其體系

3、存在一系列問題有待于解決[2]:如施工時(shí)限短、施工不方便;CO2殘留在干燥涂膜中形成氣泡;干燥速度慢、干燥時(shí)間長(zhǎng);有些體系成本高等。究其原因可能有:(1)NCO與水及多元醇的其他官能團(tuán)的副反應(yīng)以及多元醇與固化劑的混合困難、配方組分復(fù)雜;(2)多元醇的相對(duì)分子質(zhì)量低,固化劑的含量高;(3)在濕涂膜和干涂膜中,NCO與水的副反應(yīng)程度較大;(4)羥基樹脂合成復(fù)雜,固化劑組分消耗過高。上述原因說明雙組分水性聚氨酯存在的問題在成膜過程中是不可避免的,即水和有機(jī)揮發(fā)物的蒸發(fā)以及聚合物粒子的聚結(jié),且不同組分(多異氰酸酯和多元醇)的完

4、全聚結(jié)以及羥基和水與異氰酸酯的競(jìng)爭(zhēng)反應(yīng)使這一過程更加復(fù)雜。此外,異氰酸酯與水反應(yīng)產(chǎn)生的CO2氣體必須排出在體系外,以避免涂膜產(chǎn)生缺陷。盡管這些關(guān)鍵問題已引起人們的重視,但真正解決這些問題還依賴于人們對(duì)成膜機(jī)理的探討和研究。1　水性體系和溶劑型體系的區(qū)別[3,4]在典型的雙組分溶劑型聚氨酯體系中,多異氰酸酯和羥基組分都溶解在有機(jī)溶劑中。隨著雙組分的緊密接觸和在混合物中的均勻分散,將得到一個(gè)均相體系。聚氨酯鏈在異氰酸酯和共反應(yīng)物之間形成。因此適用期由多異氰酸酯和多元醇之間的反應(yīng)程度決定。當(dāng)體系中的組分開始交聯(lián)時(shí)(凝膠產(chǎn)生)

5、,混合物就不能再使用了。雙組分水性聚氨酯系統(tǒng)則完全不同,水分散型多異氰酸酯(WDP)和多元醇混合時(shí),兩組分不在同一相內(nèi),通過攪拌,作為乳化劑的多元醇將WDP分散在水中成為一相,從而進(jìn)行反應(yīng)。HegedusCR研究后[4]認(rèn)為:兩組分混合后,主要經(jīng)過粒子聚結(jié)、異氰酸酯反應(yīng)以及施工后水的揮發(fā)等過程。研究還發(fā)現(xiàn),兩組分混合后,水、羥基與異氰酸酯的反應(yīng)競(jìng)爭(zhēng)激烈,并且羥基與異氰酸酯的反應(yīng)幾乎是立即發(fā)生,而水與異氰酸酯卻在2h后才開始反應(yīng)。施工以后,水開始揮發(fā),粒子接觸更加緊密。粒子的聚結(jié)使異氰酸酯與羥基的反應(yīng)大大增強(qiáng)。圖1所示的

6、是多異氰酸酯在羥基組分中的乳化情況[1]。圖1　多異氰酸酯在羥基聚合物中的乳化情況第1期　　　　　　　巫輝等·雙組分水性聚氨酯的成膜過程·11·OOCNRNCO+H2OOCNRNCOHHOCNRNH2+CO2OCNRNH2+OCNRNCOOOCNRNCNRNCOHH2.1　雙組分混合中的粒子聚結(jié)甲、乙雙組分混合后到施工前的一段時(shí)間稱之為誘導(dǎo)期,此期間內(nèi)與成膜相關(guān)的因素是異氰酸酯分散體粒子和羥基分散體粒子的聚結(jié),以及異氰酸酯與羥基官能團(tuán)和水的競(jìng)爭(zhēng)反應(yīng)。成膜期間粒子的聚結(jié)可以通過粒徑測(cè)試來分析。測(cè)試結(jié)果表明,多異氰酸酯粒子

7、尺寸與不同羥基組分有很大的關(guān)系[6,7]。利用這一點(diǎn)可促進(jìn)成膜過程,因?yàn)檩^小粒子能更完全地聚結(jié)。此外,測(cè)試結(jié)果顯示誘導(dǎo)期間混合相中異氰酸酯多元醇分散體的粒徑不隨時(shí)間2的變化而產(chǎn)生明顯變化。這表明誘導(dǎo)期間粒子的聚結(jié)和絮凝出現(xiàn)的幾率較低[8,9]。2.2　混合相中異氰酸酯的反應(yīng)等溫量熱學(xué)實(shí)驗(yàn)作為一種分析手段對(duì)誘導(dǎo)期的反應(yīng)混合物進(jìn)行分析以確定體系中化學(xué)反應(yīng)的動(dòng)力學(xué)。在化學(xué)反應(yīng)中需考慮水與多異氰酸酯、羥基組2　雙組分水性聚氨酯的成膜雙組分水性聚氨酯成膜機(jī)理不同于熱塑性聚合物溶液,也與熱塑性聚合物分散體和熱固性聚合物溶液不同。從

8、組成上看,它應(yīng)當(dāng)與熱塑性聚合物分散體的粒子聚集機(jī)理和熱固性聚合物溶液的交聯(lián)反應(yīng)成膜機(jī)理有關(guān)[5]。對(duì)于雙組分水性聚氨酯的成膜過程,主要要考慮揮發(fā)物的揮發(fā)、多元醇和多異氰酸酯粒子的聚結(jié)、多元醇和多異氰酸酯的反應(yīng)這3個(gè)因素的影響。此過程很復(fù)雜,因?yàn)楫?dāng)涂料兩組分混合時(shí),各反應(yīng)物并不是在分散體的同一個(gè)相中,異氰酸酯與羥基官能團(tuán)和水的競(jìng)爭(zhēng)反