[00130022]有机硅改性水性聚氨酯乳液成膜机理及其微相分离研究

1、课题来源与背景： 与溶剂型聚氨酯相比,水性聚氨酯（WPU）具有很强的环保优势,已在皮革涂饰、纺织、粘结等领域得到广泛应用。单一的线性WPU由于特定的组成和结构,存在胶液固含量低、干燥速度慢,成膜后耐热性、耐水耐油性、物理机械性能差等世界性难题,限制了其应用领域的扩展。为克服这些缺点,提高综合性能,国内外均把WPU的改性作为研发的主要方向。有机硅改性WPU与植物油基WPU均是当前的研究热点。其中,有机硅改性存在体系相容性差和胶膜物理机械性能差的缺点,而植物油基WPU大多为单独研究,与其他材料进行复合的应用基础研究很少。与国外相比,我国WPU工业起步较晚且基础薄弱,在研发和工业化生产方面存在较大差距。为实现水性聚氨酯材料关键性能的提升,解决行业现存共性问题,实现高端材料国产替代,山西省应用化学研究所在2009年成立了水性聚氨酯专题攻关室。项目组在长期系统研究基础上,结合市场需求,提出并完成了本项目。项目制备出新型有机硅改性植物油基WPU乳液并对其进行应用基础研究,所研发的WPU材料绿色环保、综合性能优异、应用前景广阔,为解决行业共性技术难题和为我省聚氨酯行业的发展奠定了应用研究基础。 2、研究目的与意义： WPU的分子结构和形态对其乳液和胶膜性能有着举足轻重的影响,而聚氨酯的结构与形态由反应原料的分子结构、性能和反应条件决定,本项目完成的主要研究内容包括：（1）WPU目前的制备方法中,预聚体混合法具有使用溶剂少、工艺简洁,适于工业化连续生产等优点。本项目采取预聚体混合法制备有机硅改性蓖麻油基WPU,利用正交实验或单因素分析实验手段对主要原料的类型选择和配比进行研究,并对反应温度、乳化搅拌速率等合成条件进行优化研究,制备出系列改性WPU并对其进行结构表征研究;（2）WPU乳液粒径和流变行为对其应用过程中的贮存稳定性、施工方式及参数等有着决定性影响,项目主要研究了有机硅对WPU乳液粒径及其流变行为的影响机理;（3）WPU乳液的成膜性能及成膜条件均对胶膜性能有较大影响,项目主要研究了有机硅在乳液成膜过程中的运动机理及对膜表面性能的影响;（4）研究有机硅存在下WPU胶膜中的微相分离及其对膜光学透明性、耐热稳定性、物理机械性等关键性能的影响规律,研究材料的“结构-性能”影响关系,为下一步应用开发奠定良好基础。 以上研究内容分为两个研究阶段：第一阶段是研究选择4种不同封端类型的PDMS制备改性WPU,并对改性及未改性WPU乳液和固化膜性能进行了研究。通过对PDMS与WPU相容性以及对WPU结构和性能的影响分析,为下一步选取适宜的PDMS进行改性WPU的合成和应用提供参考;第二阶段是在第一阶段研究基础上,选取聚醚改性有机硅对WPU进行改性,并加入蓖麻油交联,重点研究其应用性能。将项目研发的产品应用在皮革涂饰领域,与国外现有产品相比,产品综合性能优异,耐热黄变、耐低温、透光率、光泽度指标都高于国外产品,而且价格比进口产品低1/3～1/2、操作方便、应用范围广,在中高档皮革制造企业中具有广泛的应用潜力和较强的市场竞争力。 3、技术的创造性和先进性： 本项目以易于工业化的制备技术为前提,对当前WPU的研究方向进行科学有机的结合,突破各自研究方法的不足,合成出新型有机硅改性植物油基WPU乳液,将蓖麻油的交联和有机硅材料的优良特性与WPU进行有机结合,发挥二者的协同互补作用,并对影响其关键性能的成膜机理、微相分离等进行深入研究,对该材料的工业应用提供理论依据,并为行业共性技术难题的解决提供了新的思路。 技术的成熟程度,适用范围和安全性：本项目在应用研究基础上,针对市场需求,研发出可应用于皮革涂饰领域的样品,经过性能测试认定后,依次经过实验室制备、20 L玻璃釜试验、200 L反应釜试验和1000 L反应釜试验,完成中试转化。生产技术稳定高效,安全性高。 4、应用情况及存在问题： 本项目研发出可应用于皮革涂饰领域的样品,经过性能测试后,材料关键性能显著提高,正在进行市场化推广。 5、历年获奖情况： 项目共发表学术论文9篇,其中3篇SCI;获得省级科技奖励2项;作为重要支撑内容申报并承担国家计划项目1项、省级项目3项;依托山西省精细化工研究生培养基地,共培养研究生2名,均已顺利毕业;以我所涂装高分子功能材料山西省重点实验室为基础,在项目完成过程中培养锻炼了3名青年技术骨干,为我省培养了兼具科研能力和市场应用的复合型科技人才;项目产品已完成在皮革涂饰领域的应用开发并进入中试转化阶段,目前累计销售190万元,实现利税20.5万元。