UV固化大豆油基水性聚氨酯丙烯酸酯的制备与性能研究

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当今世界正在飞速发展,由此带来的环境污染和石化资源短缺等问题也变得非常严峻。可再生资源因其可再生性和可降解性成为材料领域的研究热点。利用可再生资源代替不可再生的石油资源是材料科学领域发展的一个重要方向。其中大豆油作为一种优质的可再生资源,在材料学领域有着巨大的应用潜力,引起了广大高分子科学工作者的探究兴趣。而且,我国种植大豆的历史悠久,大豆资源丰富,这为大豆油基材料的制造提供了物质基础。为了应对21世纪高效、节能、绿色和环保的时代号召,水性紫外光(UV)固化体系因其毒性低、刺激性小、污染少和生产安全等优势,在众多的固化体系中脱颖而出,成为目前较受专家和学者们欢迎的的研发目标。水性UV固化涂料结合了UV固化涂料和水性涂料两者的优势。它以水作为分散剂,一方面消除了UV固化涂料使用挥发性有机溶剂(VOC)而导致的环境污染问题,另一方面也为水性涂料的发展提供了一种新的固化方式。本论文主要由三个部分组成。第一部分是制备含不饱和C=C双键的大豆油基多元醇。以大豆油(SBO)为原料,加入甲酸、双氧水以及浓硫酸,采用过氧甲酸氧化法制备低环氧值(4.0%)的环氧大豆油(ESO)。然后,以三苯基膦(PPh3)为催化剂,对羟基苯甲醚(MEHQ)为阻聚剂,用丙烯酸开环ESO制得含双键的丙烯酸化环氧大豆油多元醇(AESO),用作后续合成UV固化水性聚氨酯的长链多元醇。利用红外(FT-IR)和核磁(1H-NMR)对原料及产物进行表征。通过单一控制变量法探究环氧基与丙烯酸摩尔比、反应温度、反应时间、催化剂以及阻聚剂用量等因素对丙烯酸开环环氧大豆油反应的酸值以及酯化率的影响,从而确定丙烯酸化环氧大豆油多元醇制备的最佳条件。结果表明:当环氧基与丙烯酸的摩尔比为1:1.5,反应温度为110℃,反应时间为8 h,PPh3用量为1.2 wt%,MEHQ用量为0.15 wt%时,丙烯酸开环环氧大豆油的反应酯化率最佳,可达85%,该条件下制得的AESO羟值为120.26 mg KOH/g。第二部分是以甲苯二异氰酸酯(TDI)、丙烯酸化环氧大豆油多元醇(AESO)、亲水单体二羟甲基丙酸(DMPA)、小分子扩链剂1,4-丁二醇(BDO)和封端剂甲基丙烯酸羟乙酯(HEMA)为原料,通过分步法成功合成了大豆油基水性聚氨酯丙烯酸酯预聚体,然后加三乙胺(TEA)中和,加去离子水乳化,即得到具有UV活性的阴离子型大豆油基水性聚氨酯丙烯酸酯(WPUA)乳液。最后加入光引发剂IRG-2959,混合均匀后在紫外灯的照射下光固化成膜。探讨了n(TDI)/n(AESO)比例、R值(-NCO/-OH摩尔比)、亲水基团DMPA含量、中和度、固含量等因素对乳液合成以及对涂膜固化性能的影响。通过FT-IR、粘度、粒径、铅笔硬度、附着力、柔韧性、吸水率、应力-应变、扫描电镜(SEM)和热重分析(TG)等一系列测试手段对乳液及涂膜的结构和性能进行表征和测试。第三部分是在UV固化大豆油基水性聚氨酯丙烯酸酯的合成过程中,通过向其中添加环氧树脂(E-51)来对其改性。当E-51的加入量分别为0、2 wt%、4 wt%、6 wt%、8 wt%和10 wt%(以WPUA树脂的总质量为计算基准)时,探讨了环氧树脂E-51的加入量对乳液合成及UV固化膜性能的影响。采用FT-IR、粘度、粒径、铅笔硬度、附着力、柔韧性、吸水率、应力-应变、SEM、TG和差示扫描量热法(DSC)等手段对乳液及光固化膜的性能进行了测试。
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