一种中空二氧化硅微球掺杂改性的聚氨酯水性分散体乳液的研究

一种中空二氧化硅微球掺杂改性的聚氨酯水性分散体乳液的研究*张其荣1,2,杨正龙2,袁俊杰2,浦鸿汀2,万德成2,刘永生3(1.同济大学汽车学院,上海201804;2.同济大学材料科学与工程学院功能高分子材料研究所,先进土木工程材料教育部重点实验室,上海200092;3.上海电力学院数理系太阳能研究室,上海200090)摘�要:�采用化学方法制备了一种中空二氧化硅微球掺杂改性的聚氨酯水性分散体乳液,并采用扫描电镜、投射电镜、热失重、紫外�可见光吸收和涂膜力学性能等测试手段对该中空二氧化硅微球掺杂聚氨酯分散体及其涂膜的微观结构、热、光和力学等性能进行研究。实验结果表明,该乳液具有良好的室温贮存稳定性能,中空二氧化硅微球与水性聚氨酯分散体具有良好的相容性和协同增强效应。中空二氧化硅微球的掺杂改性不仅能够提高聚氨酯涂膜的耐热性能,显著提高水性聚氨酯涂膜的硬度和耐水性,同时该掺杂聚氨酯涂膜还具有优异的抗紫外光能力。关键词:�聚氨酯水性分散体;中空二氧化硅微球;掺杂改性;制备;性能中图分类号:�TQ433.4+32;TN305.3文献标识码:A文章编号:1001�9731(2009)01�0126�041�引�言水性聚氨酯分散体乳液作为一种新型环保乳液,它将聚氨酯涂膜的硬度高、附着力强、耐腐蚀、耐溶剂好等优点与水性乳液的低VOC含量相结合,因此近年来受到越来越多的科研人员的关注[1~5]。但是由于水性聚氨酯中大多为线形分子结构,在成膜后缺乏强的化学交联,无法得到高的交联密度和比较高分子量的水性聚氨酯,并且由于亲水基团的引入,涂膜耐水性差,遇水容易溶胀,因此需要对其改性来得到理想的水性聚氨酯乳液[6~10]。其中,无机纳米颗粒改性水性聚氨酯乳液得到了越来越多的关注,常见的与水性聚氨酯乳液复合改性的纳米材料主要有纳米二氧化硅、纳米碳酸钙、粘土和蒙脱土等。本课题组也报道了一种碳纳米管掺杂改性的聚氨酯水性分散体的制备方法[11],研究结果表明,该聚氨酯水性分散体具有良好的室温贮存稳定性,碳纳米管与水性聚氨酯分散体具有良好的相容性和协同增强效应。近年来具有特殊中空结构的无机纳米微球尤其引人注目,特别是二氧化硅中空微球,具有比表面积大、密度低、热和力学稳定性高等特性,二氧化硅中空微球基有机/无机复合材料也因此具有比传统改性水性聚氨酯材料更优异的热力学性能,具有极为广阔的应用前景[12]。采用中空二氧化硅微球对水性聚氨酯进行化学掺杂改性,并通过对不同掺杂量水性聚氨酯分散体乳液及其涂膜性能的分析与表征,研究中空二氧化硅微球组分的引入对水性聚氨酯分散体乳液的室温储存稳定性以及其涂膜的热、光和力学等基本性能的影响。2�实�验2.1�仪器与试剂偶氮二异丁脒盐酸盐(AIBA)和2,2-二羟甲基丙酸(DMPA)为分析纯,由Aldrich公司提供;分子量为4000,官能度为2的聚酯多元醇和异氟尔酮二异氰酸酯(IPDI)为分析纯,由上海和氏壁化工有限公司提供;KH�550为分析纯,由南京和福化工厂提供;苯乙烯、二丁基二月桂酸锡、丙酮、乙醇、1,4�丁二醇、乙二胺、三乙胺、氨水和聚乙烯吡咯烷酮等均为分析纯,由国药集团化学试剂有限公司提供。实验中用到了BRUKER公司EQUINOX55型红外光谱仪,FEI公司Quanta200FEG型场发射环境扫描电子显微镜,HITACHI公司H�800型透射电镜,NETZSCH�STA449C型同步热分析仪,上海分析仪器厂双光束紫外�可见光分光光度计等测试仪器。2.2�中空SiO2微球的制备及改性按参考文献[12],采用表面带正电荷的聚苯乙烯微球为模板球,然后通过氨水刻蚀的方法来制备内外表面均带有羟基基团的中空SiO2微球。具体实验步骤如下:将1.5g聚乙烯基吡咯烷酮经水溶解后,加入0.39g偶氮二异丁脒盐酸盐(AIBA)和3g苯乙烯,通氮气60min后加热至70�,继续搅拌反应24h,制得聚苯乙烯乳液,经透析袋透析12h后待用;在250ml四口烧瓶中,加入上述5g聚苯乙烯乳液和40ml乙醇,氮气保护30min后升温至50�,加入15ml氨水,搅拌10min后,最后迅速加入2g正硅酸乙酯,反应4h,将制备的乳液离心后,用乙醇和去离子水洗涤多次,即得内外表面带羟基的中空SiO2微球;将上述5g中空SiO2微球、2gKH�550、40ml乙醇和1g乙二胺加入四口烧126功���能���材���料2009年第1期(40)卷*基金项目:国家自然科学基金资助项目(50703029,50803046,10804072);上海市基础研究重点资助项目(08JC1410400);光大环保创新基金资助项目(0500253053);上海市纳米专项资助项目(0752nm012);上海市青年科技启明星计划资助项目(07QA14026)收到初稿日期:2008�07