凹土水性聚氨酯复合涂层的制备与性能研究
选用盱眙产凹土、聚酯多元醇、甲苯二异氰酸酯、DMPA、三乙胺等为基本原料，制备出凹土/水性聚氨酯复合涂层。凹土的加入有效地改善了水性聚氨酯的耐热性能、力学性能。TG-DSC分析显示加入有机改性凹土后水性聚氨酯的熔点由280.2℃升高到290.5℃，表明加入凹土提高了涂料的耐热性能。力学性能测试表明凹土含量在2%时，其力学性能得到最大程度的改善，抗拉强度提高20.1%、抗撕裂伸长率提高23.3%。扫描电镜说明凹土棒土已经分散在水性聚氨酯里，但分散效果不够理想。关键词 水性聚氨酯，涂料，凹土，改性，耐热性目 录
1 引言 1
1.1 简介 1
1.2 水性聚氨酯的研究进展 3
1.3 水性聚氨酯的分类 5
1.4 水性聚氨酯的合成方法 6
1.5 水性聚氨酯的改性 8
1.6 水性聚氨酯涂料的性能特点 10
1.7 水性聚氨酯涂料的应用 11
2 实验 13
2.1 实验药品及仪器 13
2.2 实验步骤 14
3 结果与讨论 16
3.1 红外光谱分析 16
3.2 热重和差热分析 17
3.3 力学性能测试 19
3.4 电镜扫描 20
结 论 22
致 谢 23
参 考 文 献 24
1 引言
1.1 简介
1.1.1 水性聚氨酯简介
聚氨酯即聚氨基甲酸酯(PU) , 它是分子结构中含有重复的氨基甲酸酯基( —NHCOO —) 的高分子聚合物的总称，是分子链段中含(—NHCOO —)结构单元的高分子聚合物[1]。制备聚氨酯的基本原料是多异氰酸酯与多元醇,高度不饱和的异氰酸酯基团(—N = C = O)与含活泼氢物质易发生化学反应，含羟基或氨基的低分子量多官能团化合物与异氰酸酯共同使用起扩链剂和(或)交联剂的作用。异氰酸酯及扩链剂构成聚氨酯嵌段聚合物的硬段，长链醇(一般为二元醇) 则构成其软段。软硬段的热力学不相容性产生两相微相分离，分子内高内聚能、强极性基团以及大量氢键存在,赋予聚氨酯嵌段聚合物一 *好棒文|www.hbsrm.com +Q: ^3^5^1^9^1^6^0^7^2^*
[1]。制备聚氨酯的基本原料是多异氰酸酯与多元醇,高度不饱和的异氰酸酯基团(—N = C = O)与含活泼氢物质易发生化学反应，含羟基或氨基的低分子量多官能团化合物与异氰酸酯共同使用起扩链剂和(或)交联剂的作用。异氰酸酯及扩链剂构成聚氨酯嵌段聚合物的硬段，长链醇(一般为二元醇) 则构成其软段。软硬段的热力学不相容性产生两相微相分离，分子内高内聚能、强极性基团以及大量氢键存在,赋予聚氨酯嵌段聚合物一系列优异的性能：优良的弹性、耐磨性、低温柔性、透气性以及低导热系数、对基材的高附着力、高强度等。水性聚氨酯是指溶于水或分散于水中而形成的聚氨酯。依其外观和粒径的不同，可分为聚氨酯水溶液、水分散液和水乳液3种。水性聚氨酯以水为分散介质，具有不燃、无毒、不污染环境、节省能源和资源等优点。随着人们环保意识的日益增强和各国安全、环保法规的确立和日益强化，传统溶剂型聚氨酯的应用越来越受到限制，水性聚氨酯取代溶剂型聚氨酯将成为必然。
1.1.2 凹凸棒土概述
凹凸棒土(简称凹土attapulgite) ，又名坡缕石(palygorskite) ，是一种层链状过渡结构的以含水富镁硅酸盐为主的粘土矿。1862 年俄国学者最早在乌拉尔矿区的热液蚀变产物中发现并将它命名为坡缕石，1935 年法国学者De lapparent 在美国的左治亚洲凹凸堡的漂白土中发现一种新的粘土并命名为凹凸棒上,后来Huggins 证明两种物质具有相同的结构,是同一种矿物[2]。
凹凸棒土理想化学式可表示为
Mg5Si8O20 (OH2 ) (OH2 ) 4 4H2O[2]
凹土集合体为土状、致密块体构造, 产于沉积岩和风化壳中, 颜色为白色、灰白色、青灰、微黄或浅绿, 弱丝绢或油脂光泽。土质细腻，有油脂滑感, 比重轻(约116) , 性脆(摩氏硬度2～3 级) , 潮湿时呈粘性和可塑性，干燥收缩小且不产生龟裂, 吸水性强, 可达到150%以上, pH值约8.5。其晶体呈棒状、纤维状, 长0.5～5μm、宽0.05～0.15μm , 层内贯穿孔道, 表面凹凸相间布满沟槽,具有较大的比表面积, 大部分的阳离子、水分子和一定大小的有机分子均可直接被吸附进孔道中[3]。
由于凹凸棒石粘土具备许多优良的特征，如具有较好的吸附能力，独特的分散性，耐高温、抗盐碱，有较高的可塑性及粘结力，矿物本身质轻、性脆、吸水性强，干燥后收缩小，不大显裂纹，水浸泡崩散，悬浮液遇电质不絮凝，不沉淀，所以凹凸棒土的应用范围相当广泛。
a) 在建材行业中利用凹凸棒土吸附力大, 粘结力较强和有较好的悬浮、胶体性能, 将凹凸棒土和其他纤维等材料一起制成矿棉吸音板, 具有装饰、吸音、保温、防火、节能、杀菌和净化空气之功能。
b) 采矿行业利用凹凸棒土具有较强的胶体性能和悬浮性能, 作适用于各种地质条件下的钻井泥浆 : 较好的热稳定性, 在较高温度下无絮凝, 适用于深井和地热钻井; 具有抗盐性, 不受电解质影响,在饱和盐水中仍能造浆, 适用于海洋和含盐地层钻井; 使用它可保护井壁, 减少废井率, 提高钻井效率,降低钻井成本。
c) 在化肥行业的应用。由于凹凸棒粘土独特的层链状结构, 优良的胶体、吸附、可塑及粘结性, 成为各类复、混肥专用粘结剂和造粒剂的材料。不仅可以提高颗粒肥料成粒率, 增强复混肥的造粒速度，而且造粒强度高, 不结块, 不返潮, 颗粒均匀, 表面光滑, 色泽度好; 具有固氮作用, 可减少肥料流失, 延缓养分的释放期, 提高肥料利用率; 可以改良土壤, 提高土壤活性; 可提高复混肥产量, 降低成本, 减少环境污染。凹凸棒土比重轻、悬浮性好吸附性强, 还可作为液体肥料、液体农药的悬浮剂[3]。
d) 在食品行业的应用。凹凸棒土价格低廉,使用效率高, 可替代当前的活性炭和活性白土。
e) 在涂料行业中的应用。白云石凹凸棒土是白云石和凹凸棒土共生的硬质粘土矿物, 矿物质量分数为: 凹凸棒土占10%～30% , 白云石50%～70%, 少量蒙脱石和水云母。其土质细腻, 颜色洁白, 矿物呈纤维状, 孔隙发达, 比表面积大, 分散性好, 具有一定的胶体悬浮性能和吸附能力, 可作为建筑涂料、防水涂料的填充剂、增稠剂、流平剂和稳定剂。
f) 在皮革行业, 金叶玲[4] 等研究了凹凸棒土在聚氨酯人造革中作为填充剂的情况。发现以凹凸棒土为填充剂的人造革产品质量高于国家标准, 同时可以减少发泡剂、流平剂的用量, 从而降低生产成本。凹凸棒土作为聚氨酯填充剂的
1 引言 1
1.1 简介 1
1.2 水性聚氨酯的研究进展 3
1.3 水性聚氨酯的分类 5
1.4 水性聚氨酯的合成方法 6
1.5 水性聚氨酯的改性 8
1.6 水性聚氨酯涂料的性能特点 10
1.7 水性聚氨酯涂料的应用 11
2 实验 13
2.1 实验药品及仪器 13
2.2 实验步骤 14
3 结果与讨论 16
3.1 红外光谱分析 16
3.2 热重和差热分析 17
3.3 力学性能测试 19
3.4 电镜扫描 20
结 论 22
致 谢 23
参 考 文 献 24
1 引言
1.1 简介
1.1.1 水性聚氨酯简介
聚氨酯即聚氨基甲酸酯(PU) , 它是分子结构中含有重复的氨基甲酸酯基( —NHCOO —) 的高分子聚合物的总称，是分子链段中含(—NHCOO —)结构单元的高分子聚合物[1]。制备聚氨酯的基本原料是多异氰酸酯与多元醇,高度不饱和的异氰酸酯基团(—N = C = O)与含活泼氢物质易发生化学反应，含羟基或氨基的低分子量多官能团化合物与异氰酸酯共同使用起扩链剂和(或)交联剂的作用。异氰酸酯及扩链剂构成聚氨酯嵌段聚合物的硬段，长链醇(一般为二元醇) 则构成其软段。软硬段的热力学不相容性产生两相微相分离，分子内高内聚能、强极性基团以及大量氢键存在,赋予聚氨酯嵌段聚合物一 *好棒文|www.hbsrm.com +Q: ^3^5^1^9^1^6^0^7^2^*
[1]。制备聚氨酯的基本原料是多异氰酸酯与多元醇,高度不饱和的异氰酸酯基团(—N = C = O)与含活泼氢物质易发生化学反应，含羟基或氨基的低分子量多官能团化合物与异氰酸酯共同使用起扩链剂和(或)交联剂的作用。异氰酸酯及扩链剂构成聚氨酯嵌段聚合物的硬段，长链醇(一般为二元醇) 则构成其软段。软硬段的热力学不相容性产生两相微相分离，分子内高内聚能、强极性基团以及大量氢键存在,赋予聚氨酯嵌段聚合物一系列优异的性能：优良的弹性、耐磨性、低温柔性、透气性以及低导热系数、对基材的高附着力、高强度等。水性聚氨酯是指溶于水或分散于水中而形成的聚氨酯。依其外观和粒径的不同，可分为聚氨酯水溶液、水分散液和水乳液3种。水性聚氨酯以水为分散介质，具有不燃、无毒、不污染环境、节省能源和资源等优点。随着人们环保意识的日益增强和各国安全、环保法规的确立和日益强化，传统溶剂型聚氨酯的应用越来越受到限制，水性聚氨酯取代溶剂型聚氨酯将成为必然。
1.1.2 凹凸棒土概述
凹凸棒土(简称凹土attapulgite) ，又名坡缕石(palygorskite) ，是一种层链状过渡结构的以含水富镁硅酸盐为主的粘土矿。1862 年俄国学者最早在乌拉尔矿区的热液蚀变产物中发现并将它命名为坡缕石，1935 年法国学者De lapparent 在美国的左治亚洲凹凸堡的漂白土中发现一种新的粘土并命名为凹凸棒上,后来Huggins 证明两种物质具有相同的结构,是同一种矿物[2]。
凹凸棒土理想化学式可表示为
Mg5Si8O20 (OH2 ) (OH2 ) 4 4H2O[2]
凹土集合体为土状、致密块体构造, 产于沉积岩和风化壳中, 颜色为白色、灰白色、青灰、微黄或浅绿, 弱丝绢或油脂光泽。土质细腻，有油脂滑感, 比重轻(约116) , 性脆(摩氏硬度2～3 级) , 潮湿时呈粘性和可塑性，干燥收缩小且不产生龟裂, 吸水性强, 可达到150%以上, pH值约8.5。其晶体呈棒状、纤维状, 长0.5～5μm、宽0.05～0.15μm , 层内贯穿孔道, 表面凹凸相间布满沟槽,具有较大的比表面积, 大部分的阳离子、水分子和一定大小的有机分子均可直接被吸附进孔道中[3]。
由于凹凸棒石粘土具备许多优良的特征，如具有较好的吸附能力，独特的分散性，耐高温、抗盐碱，有较高的可塑性及粘结力，矿物本身质轻、性脆、吸水性强，干燥后收缩小，不大显裂纹，水浸泡崩散，悬浮液遇电质不絮凝，不沉淀，所以凹凸棒土的应用范围相当广泛。
a) 在建材行业中利用凹凸棒土吸附力大, 粘结力较强和有较好的悬浮、胶体性能, 将凹凸棒土和其他纤维等材料一起制成矿棉吸音板, 具有装饰、吸音、保温、防火、节能、杀菌和净化空气之功能。
b) 采矿行业利用凹凸棒土具有较强的胶体性能和悬浮性能, 作适用于各种地质条件下的钻井泥浆 : 较好的热稳定性, 在较高温度下无絮凝, 适用于深井和地热钻井; 具有抗盐性, 不受电解质影响,在饱和盐水中仍能造浆, 适用于海洋和含盐地层钻井; 使用它可保护井壁, 减少废井率, 提高钻井效率,降低钻井成本。
c) 在化肥行业的应用。由于凹凸棒粘土独特的层链状结构, 优良的胶体、吸附、可塑及粘结性, 成为各类复、混肥专用粘结剂和造粒剂的材料。不仅可以提高颗粒肥料成粒率, 增强复混肥的造粒速度，而且造粒强度高, 不结块, 不返潮, 颗粒均匀, 表面光滑, 色泽度好; 具有固氮作用, 可减少肥料流失, 延缓养分的释放期, 提高肥料利用率; 可以改良土壤, 提高土壤活性; 可提高复混肥产量, 降低成本, 减少环境污染。凹凸棒土比重轻、悬浮性好吸附性强, 还可作为液体肥料、液体农药的悬浮剂[3]。
d) 在食品行业的应用。凹凸棒土价格低廉,使用效率高, 可替代当前的活性炭和活性白土。
e) 在涂料行业中的应用。白云石凹凸棒土是白云石和凹凸棒土共生的硬质粘土矿物, 矿物质量分数为: 凹凸棒土占10%～30% , 白云石50%～70%, 少量蒙脱石和水云母。其土质细腻, 颜色洁白, 矿物呈纤维状, 孔隙发达, 比表面积大, 分散性好, 具有一定的胶体悬浮性能和吸附能力, 可作为建筑涂料、防水涂料的填充剂、增稠剂、流平剂和稳定剂。
f) 在皮革行业, 金叶玲[4] 等研究了凹凸棒土在聚氨酯人造革中作为填充剂的情况。发现以凹凸棒土为填充剂的人造革产品质量高于国家标准, 同时可以减少发泡剂、流平剂的用量, 从而降低生产成本。凹凸棒土作为聚氨酯填充剂的
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