碳化硅改性水性聚氨酯的研究studyonthesiliconcarbidemodifiedwaterbornepolyu
摘 要摘 要 聚氨酯是一种在结构上有氨基甲酸酯的聚合物，把聚氨酯树脂均匀地分散在水溶液中形成的树脂就是水性聚氨酯（WPU）。最近，人们的收入在不断地增加，国家的科学也进步了，人们也越来越担心自己的健康问题。聚氨酯渐渐地从原来的溶剂型慢慢地向着有利的方向发展成为水分散型，溶剂型聚氨酯也慢慢地转变成水性聚氨酯。然而，水性聚氨酯的耐水性和疏水性并不是很好。在不影响水性聚氨酯的成膜性、稳定性等优异的特点的情况下，加强水性聚氨酯的耐水性和疏水性在如今已变得越来越重要。本研究以异佛尔酮二异氰酸酯（IPDI）、聚丙二醇（PPG）、二烃甲基丙酸（DMPA）为基本单体，己二醇为亲水扩链剂，并用1-4丁二醇（BDO）进行后期改性，利用丙酮法制备了水性聚氨酯，然后再用硅烷偶联剂对水性聚氨酯进行了复合改性，采用碳化硅对水性聚氨酯进行改性。研究了复合改性对水性聚氨酯的力学性能及微观表面形貌影响，研究表明了碳化硅对水性聚氨酯的改性有了显著的提高，也证明了随着碳化硅的量的增加，水性聚氨酯的综合性能也会有所提高。关键词水性聚氨酯、预聚反应、表面改性；
目录
第一章 绪论 1
1.1 课题背景及意义 1
1.2 水性聚氨酯的概述 2
1.2.1 水性聚氨酯的分类 2
1.2.2 水性聚氨酯的特点 3
1.2.3 水性聚氨酯的成膜机理 4
1.2.4 国内外水性聚氨酯的研究发展 4
1.3 实验基体的介绍 5
1.3.1 纳米SiC的基本性能 5
1.3.2 水性聚氨酯胶黏剂的性能介绍 6
1.3.3 表面改性剂的介绍 7
1.4 改性水性聚氨酯的研究 8
1.4.1 纳米SiO2改性水性聚氨酯 8
1.4.2 石墨烯改性水性聚氨酯 9
1.4.3 复合改性水性聚氨酯 9
1.4.4 纳米银改性水性聚氨酯 10
1.5 碳化硅改性水性聚氨酯 10
1.6 本论文的研究思路 11
第二章 实验原料、制备及测试方法 12
2.1 水性聚氨酯的合成 12
2.1.1 水性聚氨酯的合成方 *好棒文|www.hbsrm.com +Q: ^351916072*
法 12
2.1.2 实验步骤 13
2.1.3 实验原料及仪器设备 13
2.2 硅烷偶联剂改性纳米SiC的制备 14
2.3 碳化硅/水性聚氨酯复合材料的制备 15
2.4 分析测试方法 15
第三章 结果与讨论 16
3.1 碳化硅/水性聚氨酯的检测 16
3.1.1 改性前后碳化硅的红外光谱图 16
3.1.2 碳化硅的 X射线衍射（XRD）表征 17
3.1.3 碳化硅/水性聚氨酯的红外光谱图 17
3.1.4 改性前后碳化硅的电镜图 18
3.1.5 碳化硅/水性聚氨酯的电镜图 18
3.1.6 碳化硅/水性聚氨酯的力学拉伸性能测试 19
3.2 本章小结 20 结 论 21
致 谢 22
参考文献 23
第一章 绪论
1.1 课题背景及意义
高分子产品在涂料、胶黏剂及皮革用品等多个化学产品应用领域显得越来越广泛。在高分子产品发展的初阶段，溶剂型高分子是高分子产品的最主要的类型，溶剂型高分子的膜质量好、使用方便、应用广泛。由于中国的科学知识越来越进步，我们人民的收入也越来越多，也担心着自己和家人的身体状态和心理状态。时代一步步地在发展，高分子产品渐渐由溶剂型开始向环保、安全的方向发展[1]。由于有机挥发物的含量高，对人体的健康和环境有着很大的危险，所以溶剂型高分子在生产和使用中需要注意很多。最近几年，各种能源在缩减，溶剂型高分子的需求越来越大。鉴于考虑健康、安全、绿色的一些因素，水性高分子产品在最近几十年已经慢慢的出现。最近，水性高分子产品在逐渐地替代溶剂型高分子产品。水性涂料是绿色环保的，所以水性涂料很健康，使水性涂料的应用范围也变的越来越广泛，水性涂料很快就成为了涂料市场上的最受欢迎的产品。现在特别受那些研究者关注的水性高分子产品包括环氧、丙烯酸和聚氨酯等。酚醛树脂（PF）[2]是第一个工业化的合成类树脂，它的发展史距离现在已经有近百年了，酚醛树脂的应用越来越广泛，但没有经过改性的酚醛树脂的耐热性、柔脆性、韧性有着很大的缺陷。虽然水性醇酸树脂[3,4]的资源丰富，性价比较高，但是水性醇酸树脂还是有很大的不足之处，比如水性醇酸树脂在被使用的时候是很难晾干的，被坚硬的物体一碰就会破坏，耐水性也不是很好，通过有机硅改性，纳米改性等手段，可以更有效地提高水性醇酸树脂的综合性能。环氧树脂（EP）在许多领域都有着重要的用途。通过许多化学改性的方法，可以让环氧树脂以微粒的形式分散在水中，形成稳定均匀的树脂体系。水性环氧树脂有着很多优异的特点，水性丙烯酸树脂的化学性能非常稳定，使得水性丙烯酸的应用范围很广泛，但是，没有经过改性的丙烯酸树脂有很多不足的地方。与上面四种树脂相比，聚氨酯（PU）的综合性能比较优越[5]，跟环氧树脂比起来，聚氨酯对气候的适应能力比较强，不易褪色，它在生活中的应用范围比骄广泛。和酚醛树脂比起来，聚氨酯在常温变成固体；和丙烯酸树脂相比较起来，聚氨酯很柔软，可以在一定情况下被拉伸。因此，聚氨酯是合成材料中的重要组成部分。聚氨酯在汽车制造方面也起到了关键作用，以聚氨酯可以替代皮革和木制产业中的自然资源，从而推动了低碳环保经济的发展；聚氨酯可以对建筑起到保温的作用。广泛的应用使得聚氨酯越来越受研究者的关注。水性聚氨酯继承了溶剂型聚氨酯的成膜性好，稳定性好，抗腐蚀性强的特点。因为水性聚氨酯的连续相是水，所以它的有机物含量比较低，使得水性聚氨酯的产品无毒无害。在水性聚氨酯中引入亲水基团后，水性聚氨酯的疏水性等性能会有所减弱。所以现在主要的研究主题是增强水性聚氨酯的疏水性、耐水性等性能。就目前来看，可以在聚氨酯分子中引入具有疏水性的有机硅或者无机纳米分子来增强水性聚氨酯的各项性能。本论文主要的课题就是通过一些比较基础的研究，更好地学习合成工艺中对水性聚氨酯性能有影响的因素，来解决工业生产中水性聚氨酯存在的一些问题。与此同时，利用复合改性的方法来制取稳定性更好，成本更低，力学性能更好的水性聚氨酯的产品。
1.2 水性聚氨酯的概述
将聚氨酯树脂均匀地和水溶液混合在一起形成的树脂就是水性聚氨酯（WPU）。那是由于水性聚氨酯的硬软段的结构与比例可以灵活调节，同时它还具有无毒、不燃与挥发性有机化合物含量低等优点[7,8]。但是水性聚氨酯大多数是线型结构的，不容易得到交联密度高的胶膜，同时在链段结构中引入了亲水基团，导致WPU涂膜的一些物理上，化学上的综合性能很差，所以需要用一些其他改性材料对它进行改性，来达到使用标准。我们一般采用改性水性聚氨酯的改性方法有交联改性以及复合改性等等。最近几年来，由于纳米材料制备方法的不断进步，采用纳米材料改性水性聚氨酯已经成为新的研究方向。
纳米材料的光电效应、表面界面、小尺寸效应的特点很优异，将纳米材料与水性聚氨酯复合之后，水性聚氨酯的隔热、导电、耐磨等想能都得到了提高。纳米材料本身具有可加工、高粘结强度的优异特点，将纳米材料和水性聚氨酯复合，更好地扩大了水性聚氨酯复合材料的应用范围。
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第一章 绪论 1
1.1 课题背景及意义 1
1.2 水性聚氨酯的概述 2
1.2.1 水性聚氨酯的分类 2
1.2.2 水性聚氨酯的特点 3
1.2.3 水性聚氨酯的成膜机理 4
1.2.4 国内外水性聚氨酯的研究发展 4
1.3 实验基体的介绍 5
1.3.1 纳米SiC的基本性能 5
1.3.2 水性聚氨酯胶黏剂的性能介绍 6
1.3.3 表面改性剂的介绍 7
1.4 改性水性聚氨酯的研究 8
1.4.1 纳米SiO2改性水性聚氨酯 8
1.4.2 石墨烯改性水性聚氨酯 9
1.4.3 复合改性水性聚氨酯 9
1.4.4 纳米银改性水性聚氨酯 10
1.5 碳化硅改性水性聚氨酯 10
1.6 本论文的研究思路 11
第二章 实验原料、制备及测试方法 12
2.1 水性聚氨酯的合成 12
2.1.1 水性聚氨酯的合成方 *好棒文|www.hbsrm.com +Q: ^351916072*
法 12
2.1.2 实验步骤 13
2.1.3 实验原料及仪器设备 13
2.2 硅烷偶联剂改性纳米SiC的制备 14
2.3 碳化硅/水性聚氨酯复合材料的制备 15
2.4 分析测试方法 15
第三章 结果与讨论 16
3.1 碳化硅/水性聚氨酯的检测 16
3.1.1 改性前后碳化硅的红外光谱图 16
3.1.2 碳化硅的 X射线衍射（XRD）表征 17
3.1.3 碳化硅/水性聚氨酯的红外光谱图 17
3.1.4 改性前后碳化硅的电镜图 18
3.1.5 碳化硅/水性聚氨酯的电镜图 18
3.1.6 碳化硅/水性聚氨酯的力学拉伸性能测试 19
3.2 本章小结 20 结 论 21
致 谢 22
参考文献 23
第一章 绪论
1.1 课题背景及意义
高分子产品在涂料、胶黏剂及皮革用品等多个化学产品应用领域显得越来越广泛。在高分子产品发展的初阶段，溶剂型高分子是高分子产品的最主要的类型，溶剂型高分子的膜质量好、使用方便、应用广泛。由于中国的科学知识越来越进步，我们人民的收入也越来越多，也担心着自己和家人的身体状态和心理状态。时代一步步地在发展，高分子产品渐渐由溶剂型开始向环保、安全的方向发展[1]。由于有机挥发物的含量高，对人体的健康和环境有着很大的危险，所以溶剂型高分子在生产和使用中需要注意很多。最近几年，各种能源在缩减，溶剂型高分子的需求越来越大。鉴于考虑健康、安全、绿色的一些因素，水性高分子产品在最近几十年已经慢慢的出现。最近，水性高分子产品在逐渐地替代溶剂型高分子产品。水性涂料是绿色环保的，所以水性涂料很健康，使水性涂料的应用范围也变的越来越广泛，水性涂料很快就成为了涂料市场上的最受欢迎的产品。现在特别受那些研究者关注的水性高分子产品包括环氧、丙烯酸和聚氨酯等。酚醛树脂（PF）[2]是第一个工业化的合成类树脂，它的发展史距离现在已经有近百年了，酚醛树脂的应用越来越广泛，但没有经过改性的酚醛树脂的耐热性、柔脆性、韧性有着很大的缺陷。虽然水性醇酸树脂[3,4]的资源丰富，性价比较高，但是水性醇酸树脂还是有很大的不足之处，比如水性醇酸树脂在被使用的时候是很难晾干的，被坚硬的物体一碰就会破坏，耐水性也不是很好，通过有机硅改性，纳米改性等手段，可以更有效地提高水性醇酸树脂的综合性能。环氧树脂（EP）在许多领域都有着重要的用途。通过许多化学改性的方法，可以让环氧树脂以微粒的形式分散在水中，形成稳定均匀的树脂体系。水性环氧树脂有着很多优异的特点，水性丙烯酸树脂的化学性能非常稳定，使得水性丙烯酸的应用范围很广泛，但是，没有经过改性的丙烯酸树脂有很多不足的地方。与上面四种树脂相比，聚氨酯（PU）的综合性能比较优越[5]，跟环氧树脂比起来，聚氨酯对气候的适应能力比较强，不易褪色，它在生活中的应用范围比骄广泛。和酚醛树脂比起来，聚氨酯在常温变成固体；和丙烯酸树脂相比较起来，聚氨酯很柔软，可以在一定情况下被拉伸。因此，聚氨酯是合成材料中的重要组成部分。聚氨酯在汽车制造方面也起到了关键作用，以聚氨酯可以替代皮革和木制产业中的自然资源，从而推动了低碳环保经济的发展；聚氨酯可以对建筑起到保温的作用。广泛的应用使得聚氨酯越来越受研究者的关注。水性聚氨酯继承了溶剂型聚氨酯的成膜性好，稳定性好，抗腐蚀性强的特点。因为水性聚氨酯的连续相是水，所以它的有机物含量比较低，使得水性聚氨酯的产品无毒无害。在水性聚氨酯中引入亲水基团后，水性聚氨酯的疏水性等性能会有所减弱。所以现在主要的研究主题是增强水性聚氨酯的疏水性、耐水性等性能。就目前来看，可以在聚氨酯分子中引入具有疏水性的有机硅或者无机纳米分子来增强水性聚氨酯的各项性能。本论文主要的课题就是通过一些比较基础的研究，更好地学习合成工艺中对水性聚氨酯性能有影响的因素，来解决工业生产中水性聚氨酯存在的一些问题。与此同时，利用复合改性的方法来制取稳定性更好，成本更低，力学性能更好的水性聚氨酯的产品。
1.2 水性聚氨酯的概述
将聚氨酯树脂均匀地和水溶液混合在一起形成的树脂就是水性聚氨酯（WPU）。那是由于水性聚氨酯的硬软段的结构与比例可以灵活调节，同时它还具有无毒、不燃与挥发性有机化合物含量低等优点[7,8]。但是水性聚氨酯大多数是线型结构的，不容易得到交联密度高的胶膜，同时在链段结构中引入了亲水基团，导致WPU涂膜的一些物理上，化学上的综合性能很差，所以需要用一些其他改性材料对它进行改性，来达到使用标准。我们一般采用改性水性聚氨酯的改性方法有交联改性以及复合改性等等。最近几年来，由于纳米材料制备方法的不断进步，采用纳米材料改性水性聚氨酯已经成为新的研究方向。
纳米材料的光电效应、表面界面、小尺寸效应的特点很优异，将纳米材料与水性聚氨酯复合之后，水性聚氨酯的隔热、导电、耐磨等想能都得到了提高。纳米材料本身具有可加工、高粘结强度的优异特点，将纳米材料和水性聚氨酯复合，更好地扩大了水性聚氨酯复合材料的应用范围。
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