前言
國(guó)內(nèi)的水性聚氨酯(APU)用甲苯二異氰酸酯(TDI)為原料生產(chǎn)的,多為芳香族,以水為基本介質(zhì),克服了溶劑型PU有毒、易燃、異味、易造成環(huán)境污染等缺點(diǎn),同時(shí)又節(jié)能,操作加工方便,因而日益受到人們的重視,目前已經(jīng)在皮革涂飾劑、粘合劑、織物涂層、涂料、紙張涂層、鋼材防腐、纖維處理等許多領(lǐng)域中已經(jīng)得到了廣泛運(yùn)用,但WPU還存在耐水性、耐溶劑性差等缺點(diǎn),在一定領(lǐng)域的運(yùn)用中受到限制。環(huán)氧樹脂(EP)具有出色的粘結(jié)能力,還具備高模量,高強(qiáng)度和熱穩(wěn)定性好等特點(diǎn)1。本文以環(huán)氧樹脂為多羥基化合物,在與聚氨酯反應(yīng)中可將支化點(diǎn)引入聚氨酯主鏈,使之形成部分網(wǎng)狀結(jié)構(gòu),改性水性聚氨酯乳液,考察后,從而使其性能更為優(yōu)異。
1、實(shí)驗(yàn)
1.1主要原料
織物 錦綸為塔士隆320D(消光),由福建三榮印花織造有限公司公司提供。
儀器 HHs22s型電子恒溫不銹鋼水浴鍋(上海光迪儀器設(shè)備有限公司),MH2500型電子調(diào)溫電熱套(北京科偉永興儀器有限公司),101AZI型電熱鼓風(fēng)恒溫干燥箱(上海亞明熱處理設(shè)備公司),R23型自動(dòng)定形烘干機(jī),以21強(qiáng)力樹脂壓軋機(jī)(臺(tái)灣瑞比染色試機(jī)有限公司)TG16AZW微量高速離心機(jī)(長(zhǎng)沙湘儀離心機(jī)儀器有限公司)SF2300思維士電腦測(cè)色儀(思維士科技公司),SHBZHIA型循環(huán)水式真空泵f陜西太康生物科技有限公司、,SwZ12A型耐洗色牢度試驗(yàn)機(jī)(無(wú)錫紡織儀器廠),JJZI型精密增力動(dòng)攪拌器(金壇市江南儀器廠),F(xiàn)AZ104N型電子分析天平f上海精密科學(xué)儀器有限公司1,8522型溫控型磁力攪拌器(上海樂(lè)斯儀器廠),Y571B型摩擦牢度試驗(yàn)機(jī)(溫州紡織儀器廠),F(xiàn)nR25700傅里葉變換紅外儀(美國(guó)尼高力公司)。
原料:異佛爾酮二異氰酸酯(IPDI)(上海凌峰化學(xué)試劑有限公司)、聚乙二醇l000(PEG)(南京金陵石化)、2,2一二羥甲基丙酸(DMPA)分析純臨海市億達(dá)貿(mào)易有限公司、三乙胺(TEA)天津市華真特種化學(xué)試劑廠、二乙烯三胺(DETA)國(guó)藥集團(tuán)化學(xué)試劑有限公司、N.甲基.2一吡咯烷酮天津市科密歐化學(xué)試劑有限公司、丙酮天津市富宇精細(xì)化工有限公司、雙酚A型環(huán)氧樹脂太原市亞細(xì)化工有限公司、N羥甲基丙烯酰胺天津市大茂化學(xué)儀器供應(yīng)站、XC.20l四官能度環(huán)氧化合物上海澤龍化工有限公司XC—l13三官能團(tuán)氮丙啶交聯(lián)劑上海澤龍化工有限公司、DC一20水性固化劑張家港友陶聚氨酯有限公司、8303翠藍(lán)FGB鄭州蘭天化學(xué)試劑廠、增稠劑Ks。D760陜西科信染化有限公司、涂料印花粘合~,jics.D77l陜西科信染化有限公司、溴甲酚綠國(guó)藥集團(tuán)化學(xué)試劑有限公司、異丙醇天津市巴斯夫化工有限公司、甲苯天津市紅巖化學(xué)試劑廠、氫氧化鈉天津市紅巖化學(xué)試劑廠、鹽酸西安三浦精細(xì)化工廠、碳酸鈉天津市精細(xì)化工有限公司、皂粉南風(fēng)化工集團(tuán)股份有限公司。
1.2改性聚氨酯的制備
本實(shí)驗(yàn)采用雙酚A型環(huán)氧樹脂E44改性水性聚氨酯。
1.2.1水性環(huán)氧樹脂改性聚氨酯合成
1.2.1.1機(jī)械共混法
將真空脫水的PEG置于四口燒瓶中,在70℃水浴中加熱,至釜溫70℃時(shí),加入IPDI,保溫反應(yīng)2時(shí),然后加入適量的DMPA進(jìn)行親水?dāng)U鏈反應(yīng),繼續(xù)反應(yīng)2小時(shí),加入二乙烯三胺反應(yīng)約l小時(shí),降溫至30℃~35℃,再加入適量的環(huán)氧樹JIBE--44,攪拌均勻,加入適量的三乙胺(TEA)中和反應(yīng)0.5h,之后把上述產(chǎn)物降溫N5℃以下加去離子水在高速攪拌下分散乳化,得到乳白色液體。
1.2.1.2共聚共混法
將真空脫水的PEG置于四口燒瓶中,在70℃水浴中加熱,至釜溫70℃時(shí),加入一定量的IPDI和環(huán)氧樹脂E一44混合物,保溫反應(yīng)2小時(shí)。然后加入適量的DMPA進(jìn)行親水?dāng)U鏈反應(yīng),繼續(xù)反應(yīng)2小時(shí),加入二乙烯三胺反應(yīng)約1小時(shí),再降溫至30℃--35℃,加入適量的三乙胺(TEA)中和,反應(yīng)0.5h,之后把上述產(chǎn)物降溫到5℃以下加入去離子水在高速攪拌下分散乳化,得到乳白色液體。
1.3涂料印花工藝
調(diào)漿一印花一預(yù)烘(8ooc,3min)一焙烘(150℃,3min).
1.4固含量的測(cè)試
先將稱量瓶在120℃下干燥2h,取出后放置于干燥器中冷卻至室溫,精確稱量其重量,精確取試樣2.0~3.0g于稱量瓶中,放入恒溫烘箱120.130℃下干燥3h,取出放置于干燥器中冷卻后精確稱量其重量。按公式(2.1)計(jì)算固含量:
含固量%=(m-m1)/(m1-m2)×l00%
其中:m:稱量瓶的質(zhì)量
m1:烘干前稱量瓶和試樣的總質(zhì)量
m2:烘干后稱量瓶和試樣的總質(zhì)量
1.4乳液粘度的測(cè)試
使用NDJ.1型旋轉(zhuǎn)粘度儀,測(cè)試乳液在25℃下的黏度。
1.5乳液粒徑的測(cè)試
本實(shí)驗(yàn)乳液的粒徑采用馬爾文激光粒度儀進(jìn)行分析測(cè)試,測(cè)試溫度為25℃。
1.6薄膜的制備及力學(xué)性能的測(cè)試
將水性聚氨酯乳液均勻的鋪展在平整干凈的聚四氟乙烯板上,然后放置于空氣中干燥成膜至恒重,即制得聚氨酯薄膜。將制備的聚氨酯薄膜按ISO527/2—1993(E)制成標(biāo)準(zhǔn)的啞鈴狀,其中有效部分20mmX10ram,在25℃下使用HD026N型電子織物強(qiáng)力儀測(cè)定拉伸強(qiáng)度和斷裂伸長(zhǎng)率,拉伸速度500mm/rain,分別測(cè)試5個(gè)樣品取平均值。拉伸強(qiáng)度用公式(2.3)計(jì)算,斷裂伸長(zhǎng)率用公式(2—4)計(jì)算:
1.7薄膜吸水率的測(cè)試
將聚氨酯薄膜準(zhǔn)確稱量后放入蒸餾水中靜止24h,取出后快速用濾紙吸去表面水分后稱量,吸水率用公式(2.5)計(jì)算:
吸水率%=(M2-M1)/M1×100% (2-5)
其中:M1浸水前薄膜的質(zhì)量;M2浸水后薄膜的質(zhì)量
1.8乳液穩(wěn)定性的測(cè)試
取一定量的乳液裝入離心管中,使用TG16A.W型離心機(jī)分別離心10min~1]30min(3000ffmin),觀察有沒(méi)有分層和沉淀,評(píng)價(jià)乳液的穩(wěn)定性。
1.9紅外光譜分析
使用FTIR一5700型傅立葉變換紅外儀對(duì)聚氨酯薄膜進(jìn)行紅外光譜測(cè)試。
1.10掃描電鏡分析
使用JSM6390型掃描電子顯微鏡觀察涂層整理前后纖維表面的變化,以及水洗前后纖維表面的變化,測(cè)試條件為:溫度4℃,放大倍數(shù)l000倍,電壓1000V。
1.11熱失重分析
使用梅特勒托利多儀器有限公司制造的TGA/SDTA851型熱分析儀進(jìn)行熱失重分析,升溫速率5℃/min,溫度變化范圍25℃一400℃,N,氣保護(hù)。
1.12性能測(cè)試
牢度:用摩擦色牢度儀按照GB/T3920—1997《紡織品耐摩擦色牢度試驗(yàn)》測(cè)試試樣的干濕摩擦牢度,皂洗(沾色)牢度按GB251—1995進(jìn)行評(píng)級(jí);手感;整理后的織物進(jìn)行閉目觸摸,以5~10人為一小組進(jìn)行評(píng)級(jí),手感依次按硬、較硬、較軟、軟進(jìn)行評(píng)定;堵網(wǎng)性_421:將配制的印花漿在120目篩網(wǎng)上來(lái)回刮一次,再將網(wǎng)置于30℃烘箱中烘10min,然后用冷水沖洗網(wǎng)篩,觀察網(wǎng)眼的堵塞情況,以判斷粘合劑的堵網(wǎng)性能。
2、結(jié)果與討論
2.1環(huán)氧樹脂加入方法的影響
本實(shí)驗(yàn)所用的環(huán)氧樹脂對(duì)水性聚氨酯改性共用了兩種方法:共聚和共混法。所謂的共聚本質(zhì)上是環(huán)氧樹脂參與了共聚反應(yīng),共混可以理解為環(huán)氧樹脂沒(méi)有參與共聚反應(yīng)只是機(jī)械的混合進(jìn)去了。在課題中我們用了一工藝,通過(guò)共聚和共混法制備出了改性聚氨酯乳液,對(duì)其性能進(jìn)行了研究。
2.1.1加入方法對(duì)乳液性能的影響
采用機(jī)械共混法,EP與PU間沒(méi)有化學(xué)鍵的結(jié)合,EP不具親水性,而PU鏈中的羧基及聚醚鏈段對(duì)水具有親和性,當(dāng)兩者在水中乳化時(shí)EP被包覆在P內(nèi),形成一種核殼結(jié)構(gòu)。而采用共聚法含羥基的EP被接枝~tJpu長(zhǎng)鏈上,乳化過(guò)程中這部分EP就會(huì)存在于殼層。
試驗(yàn)發(fā)現(xiàn),共聚法較機(jī)械共混法難于得到穩(wěn)定的乳液,其原因可能是:共聚法中,EP被接枝到Pu長(zhǎng)鏈上形成了部分支鏈結(jié)構(gòu),導(dǎo)致其相對(duì)分子質(zhì)量迅速增大,從而使預(yù)聚體粘度過(guò)大,影響了乳化;另外NCO基團(tuán)還可與環(huán)氧基團(tuán)發(fā)生反應(yīng)生成嗯唑烷酮結(jié)構(gòu)。而機(jī)械共混法,環(huán)氧基團(tuán)被包裹在核層,即使發(fā)生開環(huán)反應(yīng),也主要在乳液微粒內(nèi)部,因此乳液穩(wěn)定性較好。
2.1.2加入方法對(duì)乳液涂膜性能的影響
把環(huán)氧樹脂加入量定為7%兩種加入方式對(duì)涂膜性能的影響見(jiàn)表2—2。
從表4—2可以看出,共聚法所得涂膜的性能明顯優(yōu)于共混法,但伸長(zhǎng)率有所下降。這是因?yàn)楣簿鄯ǜ男詴r(shí)PU與EP、EP與EP之間形成了局部交聯(lián)結(jié)構(gòu),使聚合物中出現(xiàn)立體型結(jié)構(gòu)分子,在外力作用下分子鏈間滑動(dòng)受阻,伸長(zhǎng)率變小,抗拉強(qiáng)度變大。
2.3.2環(huán)氧樹脂加入量對(duì)乳液的影響
隨著環(huán)氧樹脂加入量的增加,尤其是共聚法中,乳化前預(yù)聚體的粘度劇烈升高。當(dāng)EP的質(zhì)量分?jǐn)?shù)超過(guò)8時(shí)預(yù)聚體粘度(粘度測(cè)試均是在含固量30%過(guò)大,乳液的穩(wěn)定性也變差。
從表可知,環(huán)氧樹脂的引入使水性聚氨酯涂膜的性能得到了較大的改善,但是乳液的粘度越來(lái)越大,乳液穩(wěn)定性也變差,其原因可能是隨著加入的環(huán)氧樹脂的增加,乳液中位于膠粒外殼的環(huán)氧基團(tuán)也隨之增加,其在TEA的催化作用下進(jìn)行開環(huán)反應(yīng),乳液粒子之間形成的交聯(lián)物增多。因此環(huán)氧樹脂的加入量在6%最為合適。在之后的應(yīng)用性能測(cè)試中也可看出雖然隨著環(huán)氧樹脂加入量的增加被整理織物的各種摩擦牢度均有所提高但是其手感跟著變差,從這方面來(lái)考慮環(huán)氧樹脂的加入量也不應(yīng)過(guò)大。
2.4水性聚氨酯涂料印花粘合劑的理化性能(共聚改性后的)
按得到的最佳工藝進(jìn)行重演性實(shí)驗(yàn),測(cè)得乳液性能如下:
這是PU預(yù)聚物中的.NCO基團(tuán)與環(huán)氧樹脂中的OH基團(tuán)發(fā)生了反應(yīng),生成.NHCOO.基團(tuán)所致。由于在中和過(guò)程中,三乙胺的催化作用而引起的環(huán)氧基團(tuán)的開環(huán)反應(yīng)。由以上分析可知,環(huán)氧樹脂共聚改性過(guò)程中所發(fā)生反應(yīng)有:1環(huán)氧樹脂通過(guò).OH基團(tuán)與.NCO基團(tuán)反應(yīng),與聚氨酯產(chǎn)生化學(xué)鍵的結(jié)合。2在三乙胺中和階段環(huán)氧基團(tuán)發(fā)生了開環(huán)反應(yīng)。這和我們預(yù)計(jì)的相吻合,正是這一系列反應(yīng)形成了環(huán)氧樹脂改性聚氨酯體系的結(jié)構(gòu),最終致使其物化性能的改變。
2.5掃描電子顯微鏡分析
從左圖可以看出此織物較空白樣上有一層均勻的,光滑的膜包裹,這就是由改性WPU形成的。理論上說(shuō),織物處理用的改性WPU在微觀上可以產(chǎn)生部分的內(nèi)交聯(lián),形成三維網(wǎng)狀結(jié)構(gòu),可以改善印花干濕摩擦牢度。
2.6粒徑分析
其粒徑分布在399.8nm~2398.6nm,主要粒徑為979.3nm,將其與未改性進(jìn)行對(duì)比,可知改性過(guò)的水性聚氨酯粒徑比未改性的明顯有所增大,這是因?yàn)榄h(huán)氧樹脂分子接枝到水性聚氨酯分子上使其粒徑變大。
3、應(yīng)用工藝的實(shí)驗(yàn)分析
3.1粘合劑用量的選擇
在其他各因素不變的情況下,改變粘合劑用量進(jìn)行比較,結(jié)果見(jiàn)下表:
注d:涂料8g/L,增稠劑10g/L,交聯(lián)劑:10g/L,焙烘溫度:150~(2,焙烘時(shí)間:3min。
由表5—1可以看出:隨著粘合劑用量的增大,可使織物的各項(xiàng)牢度得到提高,但是織物手感逐漸變差,并且粘合劑用量越大印花漿料越易堵網(wǎng)。粘合劑用量為30g/L時(shí)濕摩擦牢度僅有2級(jí),不符合國(guó)家要求。當(dāng)粘合劑用量為40g/L時(shí)各項(xiàng)指標(biāo)基本符合要求,且手感較軟,漿料稍堵網(wǎng)。所以終合上述考慮,粘合劑用量在40g/L時(shí)比較恰當(dāng)。濕摩擦牢度較干摩擦牢度要差,這是因?yàn)檎澈蟿⿲?duì)纖維的粘著力和粘合劑薄膜的耐磨性是有限的,在水的作用下,粘合劑發(fā)生了溶脹現(xiàn)象,使粘著力和薄膜的耐水性變差,從而導(dǎo)致濕摩擦牢度比干摩擦牢度差。
3.2不同交聯(lián)劑效果的對(duì)比
在本應(yīng)用實(shí)驗(yàn)中主要用了一種交聯(lián)劑一N-羥甲基丙烯酰胺,在此特別設(shè)計(jì)了幾種其它的交聯(lián)劑,僅作為對(duì)比試驗(yàn),對(duì)照一下幾種交聯(lián)劑的效果,如果應(yīng)用時(shí)需要的話也可以用其他交聯(lián)劑。在其他各因素不變的情況下,改變交聯(lián)劑(在調(diào)漿時(shí)加入)種類進(jìn)行比較,結(jié)果見(jiàn)下表:
由表3一l可知,加入交聯(lián)劑DC.20后,織物印花的各項(xiàng)牢度均達(dá)N4-5級(jí),織物的各項(xiàng)牢度也較好,比加入傳統(tǒng)交聯(lián)劑N.羥甲基丙烯酰胺后的印花織物的牢度要好,尤其濕摩牢度提高1級(jí)。這是因?yàn)镈C.20是一種在水中自乳化的多異氰酸酯的水性固化劑,異氰酸基含量高,可與水性聚氨酯粘合劑混合后發(fā)生交聯(lián)反應(yīng),產(chǎn)生固化物成膜,并且有較大的初粘力;交聯(lián)劑xc.1l3是一種三官能團(tuán)氮丙啶交聯(lián)劑,可與水性聚氨酯粘合劑乳液中游離的羧基發(fā)生交連反應(yīng),可以提高印花織物的耐水性、抗粘性等,粘合力增強(qiáng)。
3.3自制水性聚氨酯涂料印花粘合劑乳液與粘合劑TS乳液進(jìn)行對(duì)比以下對(duì)比條件均在最佳配方和工藝條件下進(jìn)行。
3.3.1對(duì)織物白度的影響
由上表看出,水性聚氨酯粘合劑的白度較原布和TS粘合劑略有下降,可能是因?yàn)樗弥苽渌跃郯滨フ澈蟿⿻r(shí)加入的少量丙酮和N一甲基一2一吡咯烷酮影響織物的白度;此外,在印花織物進(jìn)行高溫焙烘時(shí),纖維自身也會(huì)有輕微的氧化泛黃現(xiàn)象。
由表3—3可以看出,水性聚氨酯粘合劑與TS粘合劑的各項(xiàng)牢度相比,干摩和濕摩大致相差一級(jí),但經(jīng)過(guò)改性的粘合劑,各項(xiàng)牢度均有所提高,和TS粘合劑的牢度相差半級(jí),如能繼續(xù)改進(jìn)乳液合成工藝相信可以達(dá)到更好的效果。
3.3.2對(duì)織物摩擦牢度和皂洗牢度的影響
由表3—3可以看出,水性聚氨酯粘合劑與TS粘合劑的各項(xiàng)牢度相比,干摩和濕摩大致相差一級(jí),但經(jīng)過(guò)改性的粘合劑,各項(xiàng)牢度均有所提高,~IITS粘合劑的牢度相差半級(jí),如能繼續(xù)改進(jìn)乳液合成工藝相信可以達(dá)到更好的效果。
4、維諗
1.采用環(huán)氧樹脂E一44對(duì)制成的水性聚氨酯進(jìn)行改性,其綜合性能共聚法優(yōu)于共混法。隨著環(huán)氧樹脂加入量增加乳液的粘度和涂膜硬度增大,耐水性提高,但是考慮到粘度太大對(duì)工業(yè)生產(chǎn)不利,故環(huán)氧樹脂應(yīng)控制在6%左右。
2.在應(yīng)用實(shí)驗(yàn)研究中,通過(guò)對(duì)粘合劑用量和交聯(lián)劑用量等因素的分析,最后確定了各因素的最佳條件:交聯(lián)劑用量10g/L.粘合劑用量50g/L:此外,交聯(lián)劑XC一113~nDC-20的加入,更能有效地提高各項(xiàng)性能。
3.在應(yīng)用研究中發(fā)現(xiàn),改性后的涂料印花粘合劑較未改性的干濕摩擦牢度均提高約一級(jí),且耐水洗、耐溶劑牢度也有所提高,其各方面性能可以達(dá)到使用要求。
來(lái)源 俞冬晴,賀江平,劉梅
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