人们环保意识的增强和环保法规的日益严格促使涂料向低污染、高性能方向发展。白色漆、浅色漆、户外装饰用涂料及高档涂料都要求有优异的耐黄变性能。聚氨酯-丙烯酸酯(PUA)是当前高性能水性涂料的一个发展方向,所以开发耐黄变的PUA乳液及涂料有重要的意义。本课题研究PUA复合乳液和共混乳液,用于配制系列木器家具涂料。 以异佛尔酮二异氰酸酯(IPDI)与聚醚二元醇N220为基本原料,采用逐步加成聚合法,以蓖麻油(C.O.)、三羟甲基丙烷(TMP)等为交联剂,先后以1,4-丁二醇(BDO)、二羟甲基丙酸(DMPA)扩链,三乙胺(TEA)中和,得聚氨酯预聚物。将聚氨酯预聚物高速剪切分散于水中,并以乙二胺(EDA)扩链,得到聚氨酯(PU)分散体。将甲基丙烯酸甲酯(MMA)和丙烯酸丁酯(BA)预先分散于聚氨酯分散液中。然后以偶氮二异丁腈(AIBN)为引发剂引发聚合得到PUA复合乳液。确定了合成PUA复合乳液的最佳工艺和配方。实验发现,BA可以起到内增塑剂的作用,极大改善了涂膜的耐温低柔韧性,扩大了产品的应用范围。 阐述了原位乳液聚合法合成PUA复合乳液的乳胶形成和增长机理：在中和前加入的乙烯基单体与PU充分混合,使单体包裹在PU形成的壳层内,只有极少量溶解于水中,所以,乳液聚合时PU壳内成为主要聚合场所,直接成核,形成具有核壳结构的复合乳胶粒。 用无皂乳液聚合法合成了丙烯酸酯乳液(PA),并以玻璃化温度(Tg)的设计值来确定PA单体的配比。Tg设计值为40-50℃的PA比较适合配制PU/PA共混乳液涂料。采用了梯度加料新工艺,该工艺可以使产品维持较高Tg条件下有较低的最低成膜温度,这样既保持了聚合物高Tg值所具有的性能,又使乳液能在较低温度下成膜。确定了适宜的PA合成工艺条件、配方及PA和PU的配比。通过对成核机理的研究,发现常规乳液聚合为胶束成核,无皂乳液聚合为均相成核。 通过对聚氨酯相转变的研究发现,相变是一个复杂的过程。最初加入的少量水被中和了的羧基吸收,使微离子束分离,体系粘度稍有下降。随着水量的增加,体系粘度迅速增大,疏水链段集结。在疏水链段集结时,其内部包括少量水分,这部分水为分散相,然后它们分散在水中,即形成油包水,再水包油(即W/P/W)的复杂粒子；随着水的进一步加入,粘度又减小。聚醚二元醇分子量增大、-NCO/-OH(总)减小、羧基含量增大、中和度的增加以及交联剂用量的增加,相转变点延后,使乳液固含量降低；要得到贮存稳定性好的乳液,离子含量要求在0.238 mmol/g以上。 用现代仪器跟踪分析了合成过程,表征了产品性能。红外光谱分析表明,体系中-NCO基团含量随着反应进程而逐渐减少,最终全部参与反应；对合成过程的凝胶渗透色谱跟踪分析表明,PU分子量的增大主要在胺扩链剂扩链阶段,最终产品的分子量在106数量级；粒径分析研究表明,PUA乳胶粒粒径与MMA含量呈非线性递增关系,当MMA含量接近30％时,复合乳液粒径大小和分布变化较大,出现双峰；透射电镜分析表明,PUA乳胶粒形成了核壳结构,随着MMA增加,形态变得不规整,大小不一致,当MMA含量增至30％,多个粒子粘结在一起。示差扫描量热分析说明,PUA呈微相分离状态,其两个玻璃化温度Tg1和Tg2,随着乙烯基单体加入量的增加而渐渐靠近,可见,PA的引入,使PU软段和硬段的相容性增加；原子力显微镜分析进一步说明,PUA处于微相分离状态。 分别以PUA复合乳液和PU/PA共混乳液为基料配制了系列水性木器涂料。通过对涂膜助剂的筛选和用量的调试,发现以BYK-021和BYK-024为消泡剂,BYK-182为分散剂,Texanol醇酯为成膜助剂,加入量分别为0.3％、0.3％、0.5％、2-4％和0.5％时,所得涂料综合性能优异。当用PLEPA配制涂料时,还需加入蜡助剂以改善其回粘性。加入3％时可以使涂膜的回粘性从3级升高到1级。所得涂料具有优异的耐黄变性能,色差值仅为0.3-1.7。而相应的甲苯二异氰酸酯(TDI)型涂料的色差值大约为6.5。