水性聚氨酯石墨烯复合涂层的制备及防腐性能研究(附件)
金属的防腐蚀保护关系着国民经济的各个领域，水性聚氨酯由于其优异的环保、成膜性能，已被广泛应用于防腐涂料领域，但是纯水性聚氨酯仍旧不能达到对防腐性能较高行业的要求，因而必须进行改性。常用的改性方法有环氧树脂改性、有机硅改性、丙烯酸酯改性和纳米材料改性。本论文通过原位聚合法，利用石墨烯、氧化石墨烯和氮化硼纳米材料对水性聚氨酯进行改性，制备出水性聚氨酯纳米复合涂层，随后通过SEM、FTIR和TGA表征、耐盐水及拉伸性能实验，研究无机纳米粒子在水性聚氨酯中的分散性及对水性聚氨酯耐盐水性、力学性能及防腐性能的影响。实验结果表明石墨烯、氧化石墨烯和氮化硼的加入并没有改变水性聚氨酯的内部结构，它们都不同程度地增强了水性聚氨酯的耐盐水性能和防腐性能；硅氧烷和硬脂酸成功改善了氮化硼的表面性能，其中，硬脂酸使氮化硼表面从亲水变为疏水；改性后的氮化硼在水性聚氨酯中实现了良好的分散，并且改善了水性聚氨酯的防腐性能。关键词 水性聚氨酯；石墨烯；氧化石墨烯；氮化硼；改性；原位聚合法
目 录
1 引言 1
1.1 水性聚氨酯的简述 1
1.1.1 水性聚氨酯的应用 1
1.1.2 水性聚氨酯的改性 2
1.1.3 水性聚氨酯防腐涂料的研究进展 3
1.2 石墨烯类纳米材料介绍 4
1.2.1 石墨烯的简介 4
1.2.2 氧化石墨烯简介 4
1.2.3 氮化硼简介 5
1.2.4 石墨烯水性复合防腐涂料的研究进展 5
1.3 水性聚氨酯/纳米石墨烯复合材料介绍 6
1.3.1 纳米复合材料的应用前景 6
1.3.2 水性聚氨酯纳米复合材料的制备方法 6
1.3.3 水性聚氨酯/石墨烯类复合材料概述 7
1.4 本课题研究的意义和内容 7
2 实验部分 8
2.1 实验药品及仪器 8
2.1.1 实验原料 8
2.1.2 实验仪器及设备 9
2.2 实验过程 9
2.2.1 PPG/石墨烯类分散液的制备 9
2.2.2 氮化硼的表面改性 *好棒文|www.hbsrm.com +Q: ^351916072#
9
2.2.3 水性聚氨酯纳米复合材料的制备 10
2.2.4 经济效益及废水处理 11
2.3 材料性能测试和结构表征 11
3 结果与讨论 12
3.1 石墨烯、氧化石墨烯及氮化硼的性能测定 12
3.2 水性聚氨酯无机纳米复合材料性能表征 15
3.3 表面改性氮化硼的性能表征 19
3.4 改性前后氮化硼对水性聚氨酯性能的影响 20
结论 22
致 谢 23
参 考 文 献 24
1 引言
1.1 水性聚氨酯的简述
1.1.1 水性聚氨酯的应用
水性聚氨酯是一种高分子合成材料，因为其具有优异的性能，被应用在国民经济的各个领域。水性聚氨酯主要被应用于合成纤维、合成皮革、泡沫塑料等行业。在二十世纪有着很高产量的溶剂型聚氨酯涂料，因为涂料中的有机溶剂燃点低且大多都有毒性，会对人体造成伤害，同时会污染环境。进入二十一世纪以后，水性涂料、粉末涂料等由于其低毒性甚至无毒的优势，在环境友好型涂料中越来越受到研究者们的重视。近年来，科研者们开发了一系列新的水性涂料：水性聚氨酯涂料是其中最为重要的一种。它不仅具有耐磨性，同时对人体无危害，不会对环境造成影响、燃点低、安全且成膜透气性好[12]，所以水性聚氨酯涂料越来越受到研究者们的重视。水性聚氨酯涂料常被用于交通、家具、皮革[3]等行业。例如：水性聚氨酯作为皮革涂饰剂价格便宜，处理后的皮革涂层不仅耐磨损、耐水性很好，而且有较强的真皮感、坚固、清洗还比较方便。
1. 聚氨酯泡沫塑料
聚氨酯泡沫塑料是聚氨酯材料主要品种之一，是一种价格低廉、相对密度小、成型容易的多孔介质。其主要应用在以下行业：
（1）家具行业
软质聚氨酯泡沫塑料不仅价廉易得还具有很好的综合性能，能与泡沫乳胶相媲美。因此，自软质聚氨酯泡沫塑料进入市场后，很快就进军家具行业。
（2）交通运输业
各类聚氨酯制品如RRIM、SRIM等均可用于交通运输行业中。聚氨酯泡沫塑料在交通工具中可用于缓冲抗震，也可作为内饰材料。
（3）建筑业
能应用于建筑构件及建筑保温材料的主要聚氨酯材料是聚氨酯硬泡。房屋建筑行业是聚氨酯硬泡的最重要应用领域之一。
（4）供热管道
目前，用管道传送热量是城市中采用较多的集中供热方式，其主要优点是节能环保。能源能否被合理的利用主要取决于供热管道的保温效果是否好，因为有隔热性较好、吸湿很低、防潮性好、成型方便等优点，聚氨酯泡沫塑料已成为都市管道输送供热的首选材料[4]。
1.1.2 水性聚氨酯的改性
虽然水性聚氨酯有很多优异的性能，但是在耐溶剂、耐水性能方面相比于溶剂型聚氨酯仍旧差很多[5]。人们通常通过改性的方法来改善其综合性能，具体的改性方法包括下列几类。
（1）交联改性
利用交联改性可以改善聚合物的热力学性能、耐溶剂以及耐水性能较差的问题。通常的交联改性方法可分为内交联法、外交联法两种。对得到的产品综合性能要求更高时，可以采用内交联剂和外交联剂共用的方法。
（2）环氧树脂改性
利用环氧树脂改性水性聚氨酯通常有三种方法：一是机械共混法；二是接枝共聚法；三是环氧开环法[6]。由于环氧树脂具有以下优点：化学稳定性良好、拉伸强度好、价廉易得。水性聚氨酯涂料在通过环氧树脂改性后，耐溶剂、耐水性都可以得到改善且粘合性能更强。采用环氧开环法后，水性聚氨酯涂膜的耐水性、耐热性都可以得到改善，且具有更好的阻燃性，此外，还可以改善水性聚氨酯涂膜的机械性能。当环氧树脂的添加量正好合适时，水性聚氨酯涂膜能达到最优异性能，水性聚氨酯涂料能更好的被利用。
（3）有机硅改性
有机硅不仅具有无机化合物的优异的性能，还兼具了有机化合物优异性质，例如可以抗低温等优点。水性聚氨酯在经过有机硅改性后，手感更加柔顺、耐水性可以得到改善。共混改性和共聚改性是水性聚氨酯有机硅改性最常用方法，共混法是一种简单的机械混合方法，例如在水性聚氨酯体系中直接加入有机硅；通过共聚法可以在有机硅和水性聚氨酯之间形成化合键，制备出的产品具有更优异的性能。其中，聚硅氧烷在有机硅升温研究中，应用最广泛。张建安[7]等在改性水性聚氨酯时用到了侧氨乙基氨丙基聚二甲基硅氧烷，结果发现：改性后的复合涂膜具有柔软的手感，同时耐水性也得到了改善。
目 录
1 引言 1
1.1 水性聚氨酯的简述 1
1.1.1 水性聚氨酯的应用 1
1.1.2 水性聚氨酯的改性 2
1.1.3 水性聚氨酯防腐涂料的研究进展 3
1.2 石墨烯类纳米材料介绍 4
1.2.1 石墨烯的简介 4
1.2.2 氧化石墨烯简介 4
1.2.3 氮化硼简介 5
1.2.4 石墨烯水性复合防腐涂料的研究进展 5
1.3 水性聚氨酯/纳米石墨烯复合材料介绍 6
1.3.1 纳米复合材料的应用前景 6
1.3.2 水性聚氨酯纳米复合材料的制备方法 6
1.3.3 水性聚氨酯/石墨烯类复合材料概述 7
1.4 本课题研究的意义和内容 7
2 实验部分 8
2.1 实验药品及仪器 8
2.1.1 实验原料 8
2.1.2 实验仪器及设备 9
2.2 实验过程 9
2.2.1 PPG/石墨烯类分散液的制备 9
2.2.2 氮化硼的表面改性 *好棒文|www.hbsrm.com +Q: ^351916072#
9
2.2.3 水性聚氨酯纳米复合材料的制备 10
2.2.4 经济效益及废水处理 11
2.3 材料性能测试和结构表征 11
3 结果与讨论 12
3.1 石墨烯、氧化石墨烯及氮化硼的性能测定 12
3.2 水性聚氨酯无机纳米复合材料性能表征 15
3.3 表面改性氮化硼的性能表征 19
3.4 改性前后氮化硼对水性聚氨酯性能的影响 20
结论 22
致 谢 23
参 考 文 献 24
1 引言
1.1 水性聚氨酯的简述
1.1.1 水性聚氨酯的应用
水性聚氨酯是一种高分子合成材料，因为其具有优异的性能，被应用在国民经济的各个领域。水性聚氨酯主要被应用于合成纤维、合成皮革、泡沫塑料等行业。在二十世纪有着很高产量的溶剂型聚氨酯涂料，因为涂料中的有机溶剂燃点低且大多都有毒性，会对人体造成伤害，同时会污染环境。进入二十一世纪以后，水性涂料、粉末涂料等由于其低毒性甚至无毒的优势，在环境友好型涂料中越来越受到研究者们的重视。近年来，科研者们开发了一系列新的水性涂料：水性聚氨酯涂料是其中最为重要的一种。它不仅具有耐磨性，同时对人体无危害，不会对环境造成影响、燃点低、安全且成膜透气性好[12]，所以水性聚氨酯涂料越来越受到研究者们的重视。水性聚氨酯涂料常被用于交通、家具、皮革[3]等行业。例如：水性聚氨酯作为皮革涂饰剂价格便宜，处理后的皮革涂层不仅耐磨损、耐水性很好，而且有较强的真皮感、坚固、清洗还比较方便。
1. 聚氨酯泡沫塑料
聚氨酯泡沫塑料是聚氨酯材料主要品种之一，是一种价格低廉、相对密度小、成型容易的多孔介质。其主要应用在以下行业：
（1）家具行业
软质聚氨酯泡沫塑料不仅价廉易得还具有很好的综合性能，能与泡沫乳胶相媲美。因此，自软质聚氨酯泡沫塑料进入市场后，很快就进军家具行业。
（2）交通运输业
各类聚氨酯制品如RRIM、SRIM等均可用于交通运输行业中。聚氨酯泡沫塑料在交通工具中可用于缓冲抗震，也可作为内饰材料。
（3）建筑业
能应用于建筑构件及建筑保温材料的主要聚氨酯材料是聚氨酯硬泡。房屋建筑行业是聚氨酯硬泡的最重要应用领域之一。
（4）供热管道
目前，用管道传送热量是城市中采用较多的集中供热方式，其主要优点是节能环保。能源能否被合理的利用主要取决于供热管道的保温效果是否好，因为有隔热性较好、吸湿很低、防潮性好、成型方便等优点，聚氨酯泡沫塑料已成为都市管道输送供热的首选材料[4]。
1.1.2 水性聚氨酯的改性
虽然水性聚氨酯有很多优异的性能，但是在耐溶剂、耐水性能方面相比于溶剂型聚氨酯仍旧差很多[5]。人们通常通过改性的方法来改善其综合性能，具体的改性方法包括下列几类。
（1）交联改性
利用交联改性可以改善聚合物的热力学性能、耐溶剂以及耐水性能较差的问题。通常的交联改性方法可分为内交联法、外交联法两种。对得到的产品综合性能要求更高时，可以采用内交联剂和外交联剂共用的方法。
（2）环氧树脂改性
利用环氧树脂改性水性聚氨酯通常有三种方法：一是机械共混法；二是接枝共聚法；三是环氧开环法[6]。由于环氧树脂具有以下优点：化学稳定性良好、拉伸强度好、价廉易得。水性聚氨酯涂料在通过环氧树脂改性后，耐溶剂、耐水性都可以得到改善且粘合性能更强。采用环氧开环法后，水性聚氨酯涂膜的耐水性、耐热性都可以得到改善，且具有更好的阻燃性，此外，还可以改善水性聚氨酯涂膜的机械性能。当环氧树脂的添加量正好合适时，水性聚氨酯涂膜能达到最优异性能，水性聚氨酯涂料能更好的被利用。
（3）有机硅改性
有机硅不仅具有无机化合物的优异的性能，还兼具了有机化合物优异性质，例如可以抗低温等优点。水性聚氨酯在经过有机硅改性后，手感更加柔顺、耐水性可以得到改善。共混改性和共聚改性是水性聚氨酯有机硅改性最常用方法，共混法是一种简单的机械混合方法，例如在水性聚氨酯体系中直接加入有机硅；通过共聚法可以在有机硅和水性聚氨酯之间形成化合键，制备出的产品具有更优异的性能。其中，聚硅氧烷在有机硅升温研究中，应用最广泛。张建安[7]等在改性水性聚氨酯时用到了侧氨乙基氨丙基聚二甲基硅氧烷，结果发现：改性后的复合涂膜具有柔软的手感，同时耐水性也得到了改善。
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