桐油基水性聚氨酯的合成与表征

桐油基水性聚氨酯的合成与表征


2024年5月16日发(作者:realme手机质量)

第42卷第7期 

涂料工业 

Vol_42 No.7 

2012年7月 

PAINT&C0ATINGS INDUSTRY 

Ju1.2012 

桐油基水性聚氨酯的合成与表征 

王正祥,王建龙,顾丽争(湖南工业大学包装与材料工程学院,湖南株洲412008) 

摘要:通过桐油、乙二醇之间的酯交换反应,得到了单羟基桐油酸酯。以聚酯多元醇Pol一256、2,4一甲苯二异 

氰酸酯(TDI)、二羟甲基丙酸(DMPA)、单羟基桐油酸酯为主要原料,制备了一系列的桐油基水性聚氨酯。采用傅里叶 

变换红外光谱仪(FT—IR)、热重分析仪(TGA)等对产品的结构与性能进行了表征。结果表明:合成的物质为目标产 

物;经单羟基桐油酸酯封端的水性聚氨酯,提高了单羟基桐油酸酯的含量,固化膜的耐热性能增强,耐水性得到明显的 

提高,硬度增强,拉伸强度增大,而断裂伸长率却有所降低。 

关键词:桐油;水性聚氨酯;酯交换 

中图分类号:TQ 630.4 3 文献标识码:A 文章编号:0253—4312(2012)07—0049—04 

Synthesis and Characterization of Tung 

Oil——Based Waterborne Poly urethane 

Wang Zhengxiang,Wang lianlong,Gu Lizheng 

(School ofPackaging and Materials Engineering,Hunan University of Technology,Zhuzhou,Hunan 412008,China) 

Abstract:The single hydroxyl eleostearate was obtained by transesterification of tung oil and glyco1.Se— 

ries tung oil—based waterborne polyurethane were synthesized using polyester polyol一256,2,4一toluene 

diisocyanate(TDI),dimethylolpropionic acid(DMPA)and single hydroxyl eleostearate.The structure and 

properties of products were characterized by Fourier transform infrared spectroscopy(FT—IR),thermal 

gravimetric analysis(TGA)etc.The results showed that the target products were successfully synthesized; 

the tung oil—based waterborne polyurethane provided higher heat resistance,improved water—resistance, 

hardness and tensile strength by increasing the content of single hydroxyl eleostearate but the elongation at 

break was decreased. 

Key Words:tung oil;waterborne polyurethane;transesterification 

水性聚氨酯材料具有以水为溶剂、无污染、安全可靠、机 

械性能优良、相容性好、易于改性等优点,因而广泛应用于涂 

1 实验部分 

料、胶粘剂、皮革涂饰剂和织物整理剂等行业。。 。水性聚氨 

酯的干燥速度、耐水性、耐化学性、膜的硬度、强度以及表面光 

1.1原料 

泽等性能不及溶剂型聚氨酯,这在很大程度上限制了水性聚 

乙二醇:分析纯,湖南汇虹试剂有限公司;桐油:市售;乙 

氨酯的应用 。从结构上看,水性聚氨酯大多为含亲水组 

酸锌:分析纯,天津科密欧化学试剂有限公司;TDI:分析纯, 

分的线型或交联型聚合物,如能在聚氨酯链段上引入具有共 

TECLAINC USA;二羟甲基丙酸:工业级,安庆中大化学科技有 

轭结构的双键体系,在成膜过程中,通过热固化或氧化交联成 

限公司;聚酯多元醇(Pol一256):1 业级,青岛新宇田化工有 

膜,形成聚氨酯网络结构,则可以增加其耐水、耐溶剂性,膜的 

限公司;二月桂酸二丁基锡:化学纯,上海山浦化一 有限公司; 

硬度与强度等性能也将大大增加。为此,本研究以桐油的酯 

三乙胺(TEA):分析纯,天津市科密欧化学试剂有限公司;丙 

交换产物单羟基桐油酸酯对水性聚氨酯预聚体进行封端,制 

酮:分析纯,天津市化学试剂研究所。 

备了在聚氨酯链段末端含有共轭双键的水性聚氨酯,并对合 

1.2酯交换反应 

成的产物进行了表征。 

在通有氮气的三口瓶中加人一定量的桐油、乙二醇和乙酸 

锌,于120℃条件下反应10 h。将产物用蒸馏水洗涤4~6次, 

6o℃真空干燥后得单羟基桐油酸酯。反应过程如图1所示。 

[基金项目]湖南省教育厅科学研究项目(09k091) 

王正祥等:桐油基水性聚氨酯的合成与表征 

cH

H (OH 

3 2)3CH—ic= H——CH=三C=H=—=主c H—三cH二——曼f H ).O C0OCJ。 H= +CH2oOH -'三 笪 

HOCH, 

cH cH cH—:cH——c —cH—cH—cH—— cH

, 

。c。 H

cH ccH ,cH— cH——cH—c —c —cH—— cH , 。c。c

H:

I 

‘ 

 

cH3(CH2)3CH——cH——cH—cH—cH—cH——(cH

)CH2OH 

7OCOCH2

图1 桐油与乙二醇的酯交换反应 

Fig.1 Transesteriicatifon reaction between tung oil and glycol 

1.3桐油基水性聚氨酯的制备 

通过少量的丙酮,将Pol一256和TDI转移至三口瓶中,升温 

至65℃,滴加一定量的催化剂反应2 h后加入一定量的DMPA. 

继续反应3 h,之后冉加入计量的扩链剂继续反应3 h,最后加入 

过量的R3—0H和R4—0H对预聚物进行封端

通过红外检测 

NcO基团的含量,待其反应基本完全,最后冷却至室温加入三 

乙胺中和,同时加入去离子水高速搅拌乳化,减压去除溶剂即得 

到桐油基水I生聚氨酯。配方如表1所示,制备过程如图2所示。 

表1桐油基水・陛聚氨酯的组成 

S一2 

S一3 

0 

0 

0.03 

0.O3 

0.04 

0.04 

0.O24 

0.018 

0.012 

0.018 

O.O48 

0.048 

O 

2 h  ̄65 ̄C i)

,、

OC N—R 

… 

{_一(1_0~R一()_一 一 卜_- —Nco 

OOH 

J。h ℃ 

H 

R二 

+扩链剂 

.. 

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3 h 65 qC 

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Ⅲ一 一№。 

COOH 

 

.. 

O 

ocN—HN— —NH一 一(卜R一(卜 一NH一 —NH一 一()_

(卜. 一NH一 一NH—Nc0 

+R 一。H、R 一。H 

RL ~一 一卜 

I h es℃ 

一 

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NH--

R. 0- 

+&gq-Tg、T队 J 3()min 30~35℃coo+NHE。 

0.. ~肿一 一 一 R—o_

其中.

脱去溶剂J 

NH--

NH--o_ 一 一 0一 

PUD 

—cH 

I 

I 

cH3(cH2)3CH—cH——cH—cH—cH—cH一(cH

)7R 为 oco H

CH{(CH?) CH===cH——cH—cH—cH—cH一(cH,) ocodH 

R 为CH3(CH2)3CH==cH——cH—c 一cH—cH—一(cH

) OCOCH,CH ~ 

图2桐油基水性聚氨酯的合成路线 

Fig-2 The synthesis scheme of tung oil——based waterborne polyurethane 

王正祥等:桐油基水性聚氨酯的合成与表征 

1.4样品膜的制备 

明,制备的样品为桐油基水性聚氨酯。 

将桐油基水性聚氨酯倾倒于四氟乙烯板上,室温风干,然 

2.2热稳定性分析 

后于90℃烘箱中干燥48 h。制得厚度约为0.5 mltl的固化 样品的TG—DTG拟合曲线如图4所示。 

膜,用于不同目的的测试。 

1.5分析测试 

桐油基水性聚氨酯预聚体的红外光谱分析在Nicolet 380 

型(Thermo Nicolet,USA)上进行,采用溴化钾压片和涂布法,即 

\ 

醉 

将样品均匀涂布在压好的溴化钾片上进行测定,扫描范围40O~ 

醛 

4 ooo cm~。样品膜的耐热性能在Q50型热重分析仪(V20.10 

喀 

Build 36,USA)上测定,加热速率为10℃/min,氮气保护,温度 

测试范围室温至60O℃。固化膜的耐水性测试按国标(GB/T 

11547--1989)进行测定。固化膜的硬度检测在邵氏A型硬度 

计上按国标GB/T 531—1999测定。拉伸性能在CMT4104型万 

能试验机(新三思集团公司)上测定。乳液的稳定性通过离心 

图4桐油基水性聚氨酯的热稳定性分析 

加速沉降试验模拟贮存稳定性,在离心机中以3 000 r/min离心 

Fig.4 The themml stability analysis of tung oil waterborne polyure- 

沉降15 min,若无沉降,可以认为有6个月的贮存稳定期。 

thane 

从图4可以看出,所有样品表现出相似的耐热性能,且都 

2结果与讨论 

在温度271℃和389℃左右存在2个快速失质量峰,但也存在 

细微的差别,即随着单羟基桐油酸酯含量的增加样品表现出 

2.1红外结构表征 

更加优异的耐热性能。这主要是因为随着单羟基桐油酸酯含 

图3为桐油、单羟基桐油酸酯及桐油基水性聚氨酯的红 

量的增加,在成膜过程中增加了样品中的共轭双键的含量,在 

外光谱分析。 

干燥过程中发生了交联固化,使样品中的凝胶含量增加,从而 

~、 、 

使样品的耐热性能增强。 

b  i

一~一r 

2.3 固化膜的耐水性分析 

、 

/ 、、 

。 

图5为样品的耐水性能分析。 

厂一~} 

厂 

辞 

_ 

 . ●● J  . .. . 

4 000 3 50() 3 000 2 50() 2 00() 1 500 1 000 500 

波数/cm—I 

a一桐油;b一单羟基桐油酸酯;c一桐油基水性聚氨酯 

图3样品的红外光谱分析 

Fig.3 FT—IR spectrum analysis of samples 

从图3可知,桐油的脂肪酸中主要为含有3个共轭双键 

的桐油酸,反式双键的特征吸收峰分别位于3 010 cm、 

图5 不同单羟基桐油酸酯含量固化膜的吸水率 

992 cm 及968 cm 处。1 744 cm 处为羰基(一c0一)的伸 

Fig.5 Water retake of the cured films with different content of single 

缩振动吸收峰,而单羟基桐油酸酯除了在上述的位置出现了 

hydroxyl ester based tung oil 

吸收峰外,在3 400 cin 处出现了很强的羟基(一OH)振动吸 从图5可以看出,所有样品膜的吸水率呈现出随浸泡时 

收峰,表明乙二醇和桐油的确发生了酯交换反应,生成了目标 

间的延长而上升的趋势,但不同样品膜的吸水率差别很大。 

产物单羟基桐油酸酯。从桐油基水性聚氨酯的红外谱图拟合 

样品S一1膜的吸水率最高,且吸水率随浸泡时间的延长而呈 

曲线中可以看出,3 341 cm 处的吸收峰可归属于N—H的伸 

现出较快的增长趋势,而经单羟基桐油酸酯封端的样品S一2、 

缩振动,在1 731 cm 的吸收峰为酯基的伸缩振动吸收峰,表 

s一3的固化膜表现出较好的耐水性能,并且样品膜的吸水率 

明异氰酸酯与羟基发生了反应形成了氨基甲酸酯键;在 

随单羟基桐油酸脂含量的增加而下降。这主要是由不饱和共 

2 274 CITI 处异氰酸根的特征吸收峰基本消失,而样品在 

轭双键含量增加使得固化膜的凝胶含量上升所致。 

3 010 cm、1 639 cm 及968 cm 处出现C--C吸收峰,说明 

2.4 固化膜的机械性能分析 

单羟基桐油酸酯对水性聚氨酯预聚体进行了封端。分析表 样品膜的性能如图6和表2所示。 

王正祥等:桐油基水性聚氨酯的合成与表征 

影响乳液的稳定件,但对乳液的表观色泽有一定的影响,使得 

乳液的颜色略微泛黄。 

5n0 

6()() 

垩4 

羞z 

1 

4()() 

辞 

3(1I) 

3 结语 

桐油基水性聚氨酯比单纯的水性聚氨酯具有更高的耐热 

性能;经单羟基桐油酸酯封端的水性聚氨酯固化膜硬度和拉 

100 

伸强度得到明显的提高,耐水性能也明显增强,但断裂伸长率 

() () 

有所降低;单羟基桐油酸酯会对桐油基水性聚氨酯的表观产 

生微小的影响,但没有影响乳液的稳定性。 

S一1 S 2 S-3 

l 拉伸强度;_ 断裂伸长率 

图6不同单羟基桐油酸酯含量固化膜的力学性能 

Fig.6 Mechanical properties of the cured films with different single 

hv(rfoxyl ester based tung 0il 

f 1] 

一 

参考文献 

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表2桐油基水性聚氨酯的一些物理机械性能 

Table 2 Some physical——mechanical properties of tung oil—— 

based waterborne polyurethane 

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NI B L.YANG I T,WANG C S,et aS Synthesis and thermal prop— 

S一1 无沉淀 乳白泛蓝光 

76 

87 

93 

36・7 

38.3 

37.4 

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S一2 无沉淀 乳白泛微蓝光 

S一3 尢沉淀 乳白泛微黄光 

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从冈6可以u月 地看fI{,不含单羟基桐油酸酯的样品膜 

的批伸强度很弱,而经单羟基桐油酸酯封端的样品拉伸强度 

1O5. 

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明 【 升,但断裂伸长率呈现fi{下降的趋势。数据表明共轭 

双键含量的增加,使样品膜变得硬而脆,柔韧性下降但强度上 

升,主要是 为共轭双键 样品固化成膜的过程中产生了一 

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Polvm Sci.2007,32:352—418. 

定量的交联结构,而这种交联结构增强了其托伸强度同时使 

断裂伸长率下降。表2数据表明,单羟基桐油酸酯的封端不会 

收稿日期

, 

2012—05—08(修改稿) 

=‘1, 一 

f上接第48页) 

小符合目前法律法规要求的防污剂必然会被淘汰,而各 

种符合目前法律法规要求的防污剂也将会经历一个筛选、淘 

汰、再次筛选的过干旱,从而推动海洋防污剂向着低毒、兀毒化 

的方向发展,同时推动 防污涂料向着环保化方向发展。随 

着科学技术的不断发展,防污涂料实现无毒化将是大势所趋。 

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rane(PrrPB)from copper—free antioulfing paints[J].J Jpn Soc 

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KAZUNOBU TAKAH ASHI.EIICHI YOSH1KAWA.MISAKI AKIYA一 

收稿日期2012—05~10(修改稿) 


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