第5卷第3期过程工程学报Vol.5No.32005年6月TheChineseJournalofProcessEngineeringJune2005收稿日期：2004?05?17，修回日期：2004?07?20基金项目：山东省优秀中青年科学家奖励基金资助项目(编号：03BS081)作者简介：丁彩凤(1969?)，女，山东省龙口市人，讲师，博士，主要从事高分子聚合方向的研究；张书圣，通讯联系人..阳离子型水性聚氨酯乳液的合成丁彩凤1，2，胡孔诚2，徐虹1，欧阳平凯1，张书圣2(1.南京工业大学制药与生命科学学院，江苏南京210009；2.青岛科技大学化学与分子工程学院，山东青岛266042)摘要：以聚酯多元醇、三羟甲基丙烷、甲苯二异氰酸酯和N?甲基二乙醇胺为主要原料合成了一种以水为介质的性能稳定的水性聚氨酯乳液，阐述了各种因素对产品物理性能的影响，获得了最佳配方.关键词：阳离子；水性聚氨酯；乳液中图分类号：TQ316.32文献标识码：A文章编号：1009?606X(2005)03?0301?041前言聚氨基甲酸酯(Polyurethane)简称聚氨酯(PU)，是含有氨基甲酸酯?NHCOO?基团的聚合物，通常是由多异氰酸酯(含?NCO基团)或其加成物与含活泼氢(主要是羟基中的活泼氢)的多元醇反应而成[1].聚氨酯树脂应用广泛，性能优异.它作为涂料使用时，所形成的涂膜机械性能好，耐磨性好，硬度高，耐水、耐化学、耐老化性优异，属于高性能涂料[2].其中，水性聚氨酯以水为分散介质，不仅具有不燃、无毒、不污染环境、节省有机溶剂等特点，还具有溶剂型聚氨酯的大部分优点，广泛地应用于纤维处理、纸张涂层、钢材防腐、皮革涂饰、泡沫塑料等许多领域[3,4].因此，寻找适宜的原料，研究开发具有良好耐水性能的水性聚氨酯已成为当前的研究热点[5].水性聚氨酯包括聚氨酯水溶液、水分散液和水乳液3种[6]，是以水为介质的二元胶态体系，聚氨酯(PU)粒子分散于连续的水相中，也称水性PU或水基PU.水性PU虽然历史不长，但发展却非常迅速.目前应用的主要是双组分或阴离子型单组分水性聚氨酯乳液，这两种聚氨酯乳液应用都很广泛，但都存在着稳定性差、耐水性差及操作工艺繁琐等缺点.本工作采用自乳化机理，通过在聚氨酯链段上引入亲水基团并加酸成盐后经强力剪切使其乳化的方法，合成了一种新型单组分阳离子型水性聚氨酯涂料，此种涂料稳定性好，涂抹工艺简单，经测试性能符合要求，有较广泛的应用前景.2实验2.1原料及仪器原料：甲苯?2,4?二异氰酸酯(TDI?80，工业级，上海实验试剂厂)，聚酯多元醇(PPR,分子量1000，羟值KOH116mg/g，工业级，青岛德青化工)，N?甲基二乙醇胺、三羟甲基丙烷(TMP)、丙酮、甲酸均为分析纯.仪器：F?0.4型搅拌分散机(江阴德丰市机械厂)，硬度计(上海险峰电影机械厂)，电子拉力机(高铁科技股份有限公司).2.2合成方法将60g聚酯多元醇放入500mL三口烧瓶中，100℃及10132.5Pa下真空脱水1~1.5h；降温至60℃以下，加入45.0gTDI，2.0g三羟甲基丙烷，在80~85℃下反应2h，然后降温至40℃左右，加入12mLN?甲基二乙醇胺，用60mL丙酮稀释，在45~50℃下反应20min；将反应产物缓慢加入事先准备好的加入了10mL甲酸的200mL去离子水中，并用乳化机强烈剪切20min，减压蒸出丙酮，即得产品.产品中聚氨酯含量约为39%(ω).2.3力学性能测定使用邵氏硬度计测定硬度，电子拉力机测定拉伸性能，拉伸速率50mm/min.3结果与讨论3.1反应条件选择3.1.1亲水扩链剂的选择聚氨酯的水性化主要可以通过强制乳化和自乳化两种方法实现[7]，本实验采用自乳化法即在聚氨酯链段上引入亲水性基团的方法实现水溶性，合成了阳离子型水性聚氨酯乳液.实验中采用的扩链剂为N?甲基二乙醇胺，一方面它能够提供水溶性所需要的季铵盐基团，另一方面它对聚合反应也有一定的催化作用.本实验也曾尝试过以二乙醇胺和三乙醇胺等作为亲水剂，实验效302过程工程学报第5卷果均不理想，前者由于胺基氢和NCO基团的反应活性比羟基氢大得多，使扩链反应不能很好进行，而后者由于是三官能团的扩链剂，使反应聚合太快，难以控制，并导致最后一步基本不能乳化.经过多次重复实验，证明用N?甲基