[发明专利]水性聚(氨酯-丙烯酸酯)/纳米二氧化钛杂化材料的制备方法

说明书

背景技术

本专利涉及一种聚氨酯乳液改性的制备技术，尤其是一种水性聚氨酯-丙烯酸酯/纳米二氧化钛杂化材料的制备方法。通过溶胶-凝胶法所制备的水性聚氨酯-丙烯酸酯/纳米二氧化钛杂化材料具有储存稳定性好，防紫外能力强，耐候、耐水性佳，力学性能好等优点。

背景技术

聚氨酯因其合成原料和合成工艺具有广泛的选择性，其分子结构的软硬度可调范围广、耐低温、柔韧性好、附着力强等优点，广泛用于涂料、涂饰剂、弹性体、印染助剂、胶粘剂等领域。但是其在实际使用过程中，仍然存在着一些问题，如：随着环保法规的日益严格和人们环保意识的逐渐增强，以水为分散介质的环保性水性聚氨酯成为近年来聚氨酯树脂开发研究的方向，但其耐高温性、初黏性、耐化学性和耐水性较差，限制了它的推广应用。与聚氨酯树脂相比，聚丙烯酸酯类产品在耐候、耐水、耐溶剂、保光性等方面表现出很好的性能，因此聚丙烯酸酯与聚氨酯在性能上具有很好的互补作用。根据这一特点，人们采用了各种方法将丙烯酸酯用于水性聚氨酯乳液的改性研究.经过丙烯酸酯改性的水性聚氨酯兼有PU和PA两者的优点，因此被誉为第三代水性聚氨酯。近年来，越来越多关于聚氨酯的研究集中在对其进行改性，尤其是引入纳米无机材料进行改性。纳米粒子具有与宏观颗粒所不同的特殊体积效应(小尺寸效应)、表面界面效应和宏观量子隧道效应等，因而表现出独特的光、电、磁和化学特性，这为制备高性能、多功能复合材料开辟了一个全新的途径。因此将聚氨酯良好的物理机械性能和可加工性能，结合纳米材料具有的特殊性质，赋予材料紫外屏蔽、吸波、隔热、耐磨等功能，制备优良的涂料，既有很好的理论价值，也有很好的应用价值。纳米二氧化钛(TiO₂)是一种新型的无机材料，具有比表面大、表面活性高、光吸收性能好，特别是吸收紫外线的能力强等独特的性能，广泛用于塑料、涂料、医药、化工、航天、传感器材料、防晒化妆品添加剂、环境工程和新型材料等众多领域。作为重要的光学颜料，纳米TiO₂的紫外光屏蔽特征一直受到广泛关注。因为用作涂料基料的高分子树脂受到太阳中紫外线的长期照射，会导致分子链的降解，影响涂膜的物性。传统的紫外光吸收剂主要为有机物，但是有机紫外光吸收剂的寿命短，有毒，而纳米TiO₂粒子是一种稳定的无毒的紫外光吸收剂。纳米TiO₂和PA的引入，将是聚氨酯改性研究的一个创新课题，有望得到高性能的聚氨酯产品，使其在应用领域中得到进一步延伸。

(1)Synthesis and properties of PDMS modified waterborne polyurethane-acrylic hybrid emulsionby solvent-free method.Progress in Organic Coatings.63(2008)238-244.合成了非溶剂型PDMS 改性水性聚氨酯-丙烯酸酯复合乳液，并对其进行了一系列表征，当羧基含量为1.9％-2.1％，丙烯酸酯类单体含量为40％，乳化速度为2000min^-1，乳化时间为时15min，合成的材料性能最佳。TEM测试结果表明颗粒分散均匀，粒径为45nm，同时也保证了膜的性能能。当PDMS含量为6.5％时，膜的吸水率最低，耐水性能最佳。但是，该材料的防紫外性能欠佳，同时实验过程步骤繁琐，很难在实际应用中得到进一步推广。

(2)Surface modification of TiO₂ nano-particles with silane coupling agent and investigation ofits effect on the properties of polyurethane composite coating.Progress in Organic Coatings 65(2009)222-228.采用硅烷偶联剂APS对纳米TiO₂粒子进行表面改性，再将其应用于聚氨酯涂膜上，研究了改性纳米TiO₂粒子对聚氨酯涂膜的力学性能和防紫外性能的影响。结果表明，经过APS改性的纳米TiO₂粒子可以提高聚氨酯涂膜的力学性能，防紫外性能也有所提高。但该方法步骤繁琐，且乳液稳定性未做研究，难以确保材料的实际应用。