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納米二氧化鈦可提高水性聚氨酯涂料的熱穩(wěn)定性和阻燃能力

嘉峪檢測網(wǎng)        2020-11-10 14:51

隨著國家對揮發(fā)性有機(jī)物排放的日益重視,水性涂料、膠粘劑、皮革涂飾等技術(shù)得到迅速的發(fā)展。雙組分水性聚氨酯以其優(yōu)異的物理化學(xué)性能,在這些領(lǐng)域獲得了重要的應(yīng)用。雙組分水性聚氨酯由羥基組分和異氰酸酯組分組成。在先前的研究中,雙組分水性聚氨酯具有阻燃、無毒、耐候等功能化特性。因此,開發(fā)利用阻燃劑和納米粒子改性的雙組分水性聚氨酯具有重要的應(yīng)用價值。

 

 

無鹵聚磷酸鹽(op550)是一種性能優(yōu)異的活性磷阻燃劑。其阻燃機(jī)理是通過形成磷酸和多聚磷酸層來隔離氧氣(O2)。此外,加熱后的op550會釋放氨氣(NH3)、氮?dú)猓∟2)和蒸汽,從而稀釋O2和其他可燃?xì)怏w的濃度。這些磷氧自由基可以與活性氫和氫氧化物基團(tuán)反應(yīng),進(jìn)一步抑制體系的燃燒。納米二氧化鈦(nano TiO2)具有高的光穩(wěn)定性和耐化學(xué)性,能提高基體的抗紫外性能和力學(xué)性能,是最有前途的無機(jī)剛性納米材料之一。添加不同晶型(銳鈦礦、金紅石和布魯克石)的TiO2會使系統(tǒng)中的具體不同的性質(zhì)。金紅石型二氧化鈦是三種二氧化鈦中最常用的紫外阻滯劑,但它具有針狀結(jié)構(gòu),在制備和貯存過程中不利于分散。銳鈦礦二氧化鈦是非常有效的穩(wěn)定劑和抑制光氧化劑。而且,其球形結(jié)構(gòu)和親水性基團(tuán)可以很好地與水結(jié)合或分散到水性乳液中。此外,一些球形納米顆粒已經(jīng)被廣泛用于改善聚合物的性能。在工業(yè)涂料中加入納米二氧化鈦,可能形成具有優(yōu)異的光屏蔽性能、阻燃性和熱穩(wěn)定性的新型涂料。

 

北京理工大學(xué)的Xuan Yin等人使用親水性納米TiO2和OP550(無鹵聚磷酸鹽)的原料,對水性羥基聚氨酯進(jìn)行改性,合成了一系列綠色、功能性雙組分水性聚氨酯阻燃涂料。研究了親水性納米TiO2對乳液和涂膜性能的影響,最終涂膜達(dá)到抗紫外線性、熱穩(wěn)定性和阻燃性等性能。其研究成果發(fā)表在《Progress in Organic Coatings》。

 

研究內(nèi)容

 

1.雙組份水性聚氨酯涂料的合成

在裝有冷凝管的四口燒瓶中加入100.0 g PPG、27.0 g OP550(無鹵聚磷酸鹽)、41.8 g IPDI和納米TiO2,在80℃下反應(yīng)2-3h。然后加入9.9g DMPA和一定量丙酮,反應(yīng)1-2h,隨后將溫度冷卻至40℃。接下來在40℃下向四口燒瓶中加入9.9gTEA,反應(yīng)30分鐘。將聚氨酯預(yù)聚物在高速剪切攪拌下加入376.0g去離子水,乳化30分鐘。最后聚氨酯多元醇分散體(TOPOD)在40℃下旋轉(zhuǎn)蒸發(fā)2h去除丙酮。合成反應(yīng)如方案1所示。制備出了6種不同的TOPOD樣品,納米TiO2含量分別為0(對照實驗用)、0.1%、0.2%、0.3%、0.5%和1.0%(質(zhì)量分?jǐn)?shù))。這些樣品命名為topud-x,其中“x”代表納米TiO2含量。向乳化液中加入親水性固化劑(—NCO與—OH的化學(xué)計量比為1.6)、0.3g消泡劑、0.45g潤濕劑和0.75g流平劑。在超聲波振動下反應(yīng)30分鐘。最終制得雙組分水性聚氨酯(TOWPUD)。制備了6種不同的TOWPUD樣品,TiO2含量分別為0、0.1%、0.2%、0.3%、0.5%和1.0%。將TOWPUD放入聚四氟乙烯板中,在60℃下在真空干燥箱中放置48小時。固化過程如方案2所示。

納米二氧化鈦可提高水性聚氨酯涂料的熱穩(wěn)定性和阻燃能力

合成方案1  雙組份水性聚氨酯涂料的合成路線

 

納米二氧化鈦可提高水性聚氨酯涂料的熱穩(wěn)定性和阻燃能力

合成方案2  雙組份水性聚氨酯涂料的固化過程

 

結(jié)構(gòu)表征與性能測試

 

作者對所合成的材料進(jìn)行一系列的表征與性能測試。

 

納米二氧化鈦可提高水性聚氨酯涂料的熱穩(wěn)定性和阻燃能力

納米二氧化鈦可提高水性聚氨酯涂料的熱穩(wěn)定性和阻燃能力

納米二氧化鈦可提高水性聚氨酯涂料的熱穩(wěn)定性和阻燃能力

 

結(jié)論:

TOWPU 展現(xiàn)出極好的穩(wěn)定性。納米TiO2可以有效地提高拉伸強(qiáng)度,抑制TOWPU的分解。親水性納米TiO2組分越多,則可以產(chǎn)生更大的未破裂碳屈服表面和更厚的碳層。此外,LOI和UL-94測試結(jié)果表明,所有的TOWPU涂層均達(dá)到29.4%,V-0級。在加入納米TiO2后,TOWPU存在一個抗紫外現(xiàn)象,那就是可以延緩?fù)繉拥睦匣Mㄟ^添加納米TiO2,吸水率從29.3%下降到16.3%。隨著納米TiO2的加入,TOWPU的耐溶劑性能變得異常優(yōu)異。結(jié)合乳液性能、拉伸強(qiáng)度、阻燃性、熱穩(wěn)定性和光屏蔽性能,在TOWPU體系中TOWPU-0.5綜合性能最佳。

 

參考資料:

Yin X, Dong C, Chai C, et al. Thermostability and flame retardance of green functional two-component waterborne polyurethane coatings with nanoparticles[J]. Progress in Organic Coatings, 2018,122:119-128.

 

 

作者:王亞鑫

 

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來源:涂料工業(yè)

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