有机无机杂化增强水性聚氨酯的制备及其抗菌性研究

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随着人们环保意识的提升,低毒无污染的水性聚氨酯(WPU)涂料受到了极大关注,但线性WPU乳液耐水性能差、稳定性不好、成膜强度低,使其在涂料领域的应用受限,同时在潮湿密闭等容易滋生细菌的环境下,涂层表面易于受到细菌和真菌的污染,影响其使用寿命。为了满足应用要求,WPU需要克服固有的缺点并对其性能不断改性提升。本文以异佛尔酮二异氰酸酯(IPDI)和聚丙二醇(PPG-1000)为主要原料,1,4-丁二醇(BDO)作为小分子扩链剂,二羟甲基丙酸(DMPA)为亲水性扩链剂,三羟甲基丙烷(TMP)作为内交联剂,选用丙烯酸羟乙酯(HEA)和季戊四醇三丙烯酸酯(PETA)对WPU进行封端,制备得到一系列超支化光固化WPU乳液,以提升固化薄膜的耐水性能和强度。同时以微乳液法合成了树枝状介孔Si O2,然后对其功能化接枝改性。再利用原位合成法,在介孔Si O2表面负载纳米银(Si O2@Ag),将不同含量的Si O2@Ag与WPU乳液共混,得到高强度的抗菌薄膜。本文主要结果如下:(1)研究了不同实验配比(R值即n-NCO/n-OH、DMPA含量、TMP含量和封端剂HEA/PETA比值)对WPU乳液粒径分布,成膜后的力学性能、热稳定性、亲疏水性和耐水性能的影响。结果表明除DMPA含量为3%和4%以及封端剂全部为PETA时乳液不稳定,其余情况下乳液稳定且粒径分布较窄。随着R值增大,固化薄膜的拉伸强度随之增加,吸水率先增加后降低。随着亲水扩链剂DMPA含量的增加,固化膜的拉伸强度先增加后趋于平缓,亲水性和吸水率也随之增加。随着内交联剂TMP含量的增加,薄膜的断裂强度和热稳定性得到提升,同时薄膜的亲水性和吸水率都呈现先增加后减少的趋势。随着封端剂中PETA占比增加,薄膜的拉伸强度、耐水性能和热稳定性得到显著提高。当R值为1.4,DMPA含量为5%,TMP:PPG-1000=1:4,封端剂HEA:PETA=1:1时,WPU乳液和薄膜综合性能优异,可作为抗菌基体。(2)以CTAB为模板,通过微乳液法并煅烧得到树枝状介孔Si O2,并对Si O2表面氨基化,最后在介孔Si O2表面原位还原银纳米粒子(Ag NPs),采用红外、X射线衍射、氮气吸附脱附、扫描和透射电镜对其结构、性能进行表征。结果表明制备的Si O2形貌规整,树枝状结构保留完整,Si O2成功氨基化,并且Ag NPs均匀附着在Si O2@Ag的表面。负载银后的介孔Si O2比表面积下降,形貌未遭到破坏。通过对载银前后的Si O2进行抗菌实验,发现Si O2@Ag粉末对大肠杆菌(E.coli)和金黄色葡萄球菌(S.aureus)的杀菌效果明显。(3)利用超声共混法将性能卓越的WPU乳液与Si O2@Ag共混并固化成膜,经过水中的溶胀实验和横截面测试发现,抗菌薄膜呈现出双层现象,Si O2@Ag在薄膜内部大量积聚于上表层,但无明显的团聚现象。同时随着Si O2@Ag的加入,抗菌薄膜的拉伸强度先增加后降低,热稳定性得到明显提升。最后利用平板计数法对薄膜进行抗菌测试,结果表明纯WPU薄膜无明显抗菌效果,当Si O2@Ag的添加量在0.3%以上时,对E.coli和金S.aureus的抗菌效果显著。综上所述,本研究通过配方设计,为制备出粒径分布均匀的超支化WPU乳液提供了一种新方法,并且利用树枝状介孔Si O2作为载体负载银,与性能优异的WPU乳液复合,制备得到强度高、热稳定性好、抗菌性能优异的薄膜。
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