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近年來，人們的環(huán)保意識逐步提高。水性聚氨酯（WPU）作為一種環(huán)保涂料，因為其有機揮發(fā)物少、污染小、安全可靠、操作簡便而備受關注。但是，現(xiàn)有的水性聚氨酯在應用時存在一些問 題，如硬度低、附著力低、耐水及耐磨性差等。因此，對 WPU 樹脂進行改性成為了研究重點。改性方法主要可分為兩類：一是對聚氨酯進行分子設計，在聚氨酯合成過程中引入某些特殊結構，增加分子鏈硬段，提高聚合物本身成膜硬度。例如，王海峰等在合成聚氨酯過程中加入環(huán)氧樹脂，對所得涂料進行研究表明涂膜的硬度、附著力、耐沖擊性能均有所提高；二是在后期涂飾 過程中加入交聯(lián)劑，使分子間進一步交聯(lián)以提高硬度、耐磨、耐水等性能。
纖維素作為自然界中儲量最為豐富的天然高聚物，具有原料資源豐富、可再生、可生物降解、對環(huán)境友好、產(chǎn)量大等優(yōu)點。羥乙基纖維素（HEC）是一種重要的纖維素衍生物，為多官能度化合物，具有良好的成膜性能，可參與聚氨酯的 合成反應形成部分網(wǎng)狀結構來改善性能。
本文以甲苯二異氰酸酯（TDI）、聚醚二元醇 （N210）為主要原料，TDI 含有苯環(huán)結構可提高水性聚氨酯的力學性能。同時加入羥乙基纖維素進行改性，將所得改性聚氨酯進行性能測試，結果表明 HEC 的加入可使水性聚氨酯的性能提高。
1.1 實驗原料
甲苯二異氰酸酯（TDI）：AR，上海埃比彼化學試劑；聚醚二元醇（N210，Mn=1000）：工業(yè)級， 濟寧宏明化學試劑；2,2-二羥甲基丙酸（DMPA）：AR，天津希恩斯生化科技有限公司；羥乙基纖維素（HEC）：AR，成都市科龍化工試劑廠；一縮二乙二醇（DEG）：AR，天津市大茂化學試劑廠；二月桂酸二丁基錫(DBTDL)：AR，天津市福晨化學試劑廠；三乙胺（TEA）：AR，天津市北聯(lián)精細化學品廠；丙酮：AR，國藥集團；N,N-二甲基甲酰胺：AR，天津市博迪化工。
1.2 羥乙基纖維素改性 WPU 的合成
聚醚二元醇 （N210）、2,2 -二羥甲基丙酸 （DMPA）、一縮二乙二醇（DEG）、羥乙基纖維素預先在 60℃下干燥 12h。將 20g N210 和 3.14g TDI 放入配備機械攪拌和冷凝回流裝置的 250mL 三 口瓶中，在氮氣保護條件下將反應物加熱到 75℃ 反應 30min。將溶于少量 DMF 中的 DMPA 逐滴加入反應體系，十分鐘后再加入 3.14g TDI 反應 30min。然后加入 2~3 滴 DBTDL 作為催化劑促進反應。分別加入質(zhì)量分數(shù)為 0%、0.1%、0.5%、1%、 2%的 HEC 進行改性，提高轉(zhuǎn)速并升溫至 80℃， 反應 4h。反應過程中通過加入適量丙酮控制反應體系黏度，之后冷卻至室溫并加入少量 DEG 反應 30min 進行擴鏈，再加入TEA 進行 30min 中 和反應，最后加入去離子水 50mL 并提高轉(zhuǎn)速進行強剪切乳化 30min，減壓去除丙酮，即可制得一定固含量的羥乙基纖維素改性水性聚氨酯乳液。
1.3 測試與表征
紅外光譜分析：使用德國 Brucker 公 司 Vector-22 型紅外光譜儀對乳膠膜進行測試。
乳液粘度測試：室溫下用 NDJ-5S 型數(shù)字式 旋轉(zhuǎn)粘度計（上海機密儀器儀表有限公司）測試。
乳液固含量測試：稱取一定質(zhì)量的改性 WPU 乳液記錄質(zhì)量為 M0 加入燒杯中，燒杯的質(zhì)量為 M1。將樣品放置于 90℃的烘箱中，4h 后取出冷卻稱重，反復幾次直到質(zhì)量變化小于 0.001g。干燥后的樣品和燒杯的總質(zhì)量記錄為 M2。則乳液的固含量為：
wt (%) =（M2-M1 ）/M0×100%
乳液穩(wěn)定性測試：將 20mL 乳液和等量的空白對照一起對稱放入 80-1 型離 心機中 ，以 3000r/min 的速度離心 30min，離心結束后取出離心試管，觀察涂料有無沉淀，若無沉淀并且涂料不分層就可以認為其能夠在 6 個月內(nèi)穩(wěn)定保存。
漆膜硬度測試：參照 GB/T 1727-1992 用涂刷法制備漆膜，根據(jù) GB/T 6739-2006，使用 QHQ-A 鉛筆硬度儀 （東莞市華國精密儀器有限公司）進行鉛筆硬度測試。
吸水性能測試：將涂膜剪裁成適當大小，稱重記錄為 m0，浸泡去離子水中 24h 后取出擦干， 稱重記為 m1，則薄膜的吸水率為：
吸水率 (%) =（m1-m0 ）/m0×100%
漆膜附著力測試：用 QFH-HG600 型漆膜劃格儀（東莞市華國精密儀器有限公司）測定水性聚氨酯涂料附著性能，參照 GB/T 9286-1998。
2.1 紅外分析
將羥乙基纖維素（HEC）、未改性聚氨酯膠膜 （WPU）、改性聚氨酯膠膜（HEC-WPU）進行紅外測試。從圖 1 中 A 曲線可以看出，420~750cm-1 為 葡萄糖環(huán)的環(huán)內(nèi)振動吸收峰，此為 HEC 分子的特征基團，由曲線 B 和 C 進行對比可以看出，兩者均在 3313、1723、1592cm-1 處出現(xiàn)紅外吸收峰。其中，3313cm-1 處為-NH-的伸縮振動，1723cm-1 處為-NH-C=O-的伸縮振動峰峰，1592cm-1 處 為-NH-的彎曲振動峰，由此可知-OH 與-NCO 發(fā)生反應并生成氨酯鍵。同時，B、C 兩曲線在 480~690cm-1 處峰形明顯不同，可能是由于 HEC 分子中葡萄糖環(huán)的振動吸收峰與聚氨酯在該處 的吸收峰重疊造成的。通過紅外分析可以證明 HEC 分子成功接枝到聚氨酯分子鏈中，所得產(chǎn)物為目標產(chǎn)物。
2.2 羥乙基纖維素對乳液性能的影響
從表 1 中可以看出，隨著 HEC 含量的增加， 聚氨酯涂料的粘度逐步提高，乳液固含量出現(xiàn)先升高后降低的趨勢。這可能是由于 HEC 中的羥基與異氰酸酯基反應, 將纖維素分子鏈引入到聚氨酯分子,分子量和鏈段長度增加。增長的鏈段更容易纏結，導致粘度升高。同時 HEC 中未反應的羥基與聚氨酯形成氫鍵阻礙分子鏈運動，從而使體系粘度進一步增加。當 HEC 含量增加到一定程度時，導致體系粘度過大，乳化過程較為困難， 生成的乳液穩(wěn)定性變差，儲藏時間變短。
2.3 羥乙基纖維素對膠膜性能的影響
不同 HEC 含量的水性聚氨酯膠膜性能列于表 2 中，由表 2 可知，添加羥乙基纖維后膠膜鉛筆硬度得到提高，吸水性能有所先有所降低后升高，附著力等級則出現(xiàn)先提高后降低趨勢。這是由于纖維素中的羥基可與聚氨酯預聚體中的異氰酸酯基反應形成交聯(lián)結構，從而提高膠膜的鉛筆硬度和附著力性能，同時交聯(lián)結構也使水分子不易進入到分子鏈間隙中。當纖維素添加量過多時，未反應的羥基殘留在乳液中，對聚氨酯膠膜的硬度、吸水性，附著力產(chǎn)生消極影響。當纖維素 添加量為 0.5%時，改性聚氨酯性能最佳。
水性聚氨酯作為一種環(huán)保涂料，對其改性成為了研究重點。本文以 TDI、N210 等作為主要原料，預先制備出聚氨酯預聚體。以羥乙基纖維素為改性劑，與預聚體進行反應，并研究了羥乙基纖維素的含量對 WPU 乳液和膠膜性能的影響。測試結果表明 HEC 的加入能夠提高 WPU 膠膜的鉛筆硬度、附著力等性能。當纖維素含量為 0.5%時，膠膜的性能最佳。