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纳米二氧化钛可提高水性聚氨酯涂料的热稳定性和阻燃能力
中国钛白粉网 时间:2020年11月10日 09点31分 信息来源:涂料工业

【中国钛白粉网讯】背景:随着国家对挥发性有机物排放的日益重视,水性涂料、胶粘剂、皮革涂饰等技术得到迅速的发展。双组分水性聚氨酯以其优异的物理化学性能,在这些领域获得了重要的应用。双组分水性聚氨酯由羟基组分和异氰酸酯组分组成。在先前的研究中,双组分水性聚氨酯具有阻燃、无毒、耐候等功能化特性。因此,开发利用阻燃剂和纳米粒子改性的双组分水性聚氨酯具有重要的应用价值。
        无卤聚磷酸盐(op550)是一种性能优异的活性磷阻燃剂。其阻燃机理是通过形成磷酸和多聚磷酸层来隔离氧气(O2)。此外,加热后的op550会释放氨气(NH3)、氮气(N2)和蒸汽,从而稀释O2和其他可燃气体的浓度。这些磷氧自由基可以与活性氢和氢氧化物基团反应,进一步抑制体系的燃烧。纳米二氧化钛(nano TiO2)具有高的光稳定性和耐化学性,能提高基体的抗紫外性能和力学性能,是最有前途的无机刚性纳米材料之一。添加不同晶型(锐钛矿、金红石和布鲁克石)的TiO2会使系统中的具体不同的性质。金红石型二氧化钛是三种二氧化钛中最常用的紫外阻滞剂,但它具有针状结构,在制备和贮存过程中不利于分散。锐钛矿二氧化钛是非常有效的稳定剂和抑制光氧化剂。而且,其球形结构和亲水性基团可以很好地与水结合或分散到水性乳液中。此外,一些球形纳米颗粒已经被广泛用于改善聚合物的性能。在工业涂料中加入纳米二氧化钛,可能形成具有优异的光屏蔽性能、阻燃性和热稳定性的新型涂料。
        北京理工大学的Xuan Yin等人使用亲水性纳米TiO2和OP550(无卤聚磷酸盐)的原料,对水性羟基聚氨酯进行改性,合成了一系列绿色、功能性双组分水性聚氨酯阻燃涂料。研究了亲水性纳米TiO2对乳液和涂膜性能的影响,最终涂膜达到抗紫外线性、热稳定性和阻燃性等性能。其研究成果发表在《Progress in Organic Coatings》。
        研究内容
        1.双组份水性聚氨酯涂料的合成
        在装有冷凝管的四口烧瓶中加入100.0 g PPG、27.0 g OP550(无卤聚磷酸盐)、41.8 g IPDI和纳米TiO2,在80℃下反应2-3h。然后加入9.9g DMPA和一定量丙酮,反应1-2h,随后将温度冷却至40℃。接下来在40℃下向四口烧瓶中加入9.9gTEA,反应30分钟。将聚氨酯预聚物在高速剪切搅拌下加入376.0g去离子水,乳化30分钟。最后聚氨酯多元醇分散体(TOPOD)在40℃下旋转蒸发2h去除丙酮。合成反应如方案1所示。制备出了6种不同的TOPOD样品,纳米TiO2含量分别为0(对照实验用)、0.1%、0.2%、0.3%、0.5%和1.0%(质量分数)。这些样品命名为topud-x,其中“x”代表纳米TiO2含量。向乳化液中加入亲水性固化剂(—NCO与—OH的化学计量比为1.6)、0.3g消泡剂、0.45g润湿剂和0.75g流平剂。在超声波振动下反应30分钟。最终制得双组分水性聚氨酯(TOWPUD)。制备了6种不同的TOWPUD样品,TiO2含量分别为0、0.1%、0.2%、0.3%、0.5%和1.0%。将TOWPUD放入聚四氟乙烯板中,在60℃下在真空干燥箱中放置48小时。固化过程如方案2所示。
结论:
        TOWPU 展现出极好的稳定性。纳米TiO2可以有效地提高拉伸强度,抑制TOWPU的分解。亲水性纳米TiO2组分越多,则可以产生更大的未破裂碳屈服表面和更厚的碳层。此外,LOI和UL-94测试结果表明,所有的TOWPU涂层均达到29.4%,V-0级。在加入纳米TiO2后,TOWPU存在一个抗紫外现象,那就是可以延缓涂层的老化。通过添加纳米TiO2,吸水率从29.3%下降到16.3%。随着纳米TiO2的加入,TOWPU的耐溶剂性能变得异常优异。结合乳液性能、拉伸强度、阻燃性、热稳定性和光屏蔽性能,在TOWPU体系中TOWPU-0.5综合性能最佳。
参考资料:
        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.


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