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超支化水性聚氨酯乳液的制备及性能研究
超支化水性聚氨酯乳液的制备及性能研究
摘要：超支化水性聚氨酯乳液是一种性能优良的高分子材料，具有良好的物理性能和优秀的稳定性，是一种十分有潜力的应用材料。本文以聚乙二醇、2-异丙基-4-甲基咪唑-1-乙醇盐酸盐、2,4-二异氰酸基甲基苯、二甲基甲酰胺、水为原料，采用一步法合成超支化水性聚氨酯，进而通过乳化处理制得乳液，对其进行了表征和性能测试。结果表明，超支化水性聚氨酯乳液具有良好的分散性和稳定性，其中粒径分布均匀，平均粒径约为180nm；同时，超支化水性聚氨酯乳液具有优秀的热稳定性和机械性能，其断裂伸长率高达850%，吸水率极小。因此，超支化水性聚氨酯乳液具有广阔的应用前景，可用于油漆、涂料、塑料、胶粘剂等领域。
关键词：超支化水性聚氨酯；乳液；物理性能；热稳定性；机械性能。
一、引言
超支化聚合物是目前被广泛研究的一种新型高分子材料[1]，它对传统聚合物具有很多改进和提高，如性能优良、分子量高、化学活性强、自组装性强、可接近理想球形等优点，因此涉及到众多领域的应用[2]。其中，超支化水性聚氨酯是一种绿色环保型高分子材料[3]，可从受控自由基聚合、离子聚合、酯交换法等多种方法制备而得。
本文以聚乙二醇、2-异丙基-4-甲基咪唑-1-乙醇盐酸盐、2,4-二异氰酸基甲基苯、二甲基甲酰胺、水为原料，采用一步法制备超支化水性聚氨酯，并通过乳化处理制备超支化水性聚氨酯乳液，以研究其物理性能、热稳定性和机械性能。
二、实验部分
1.实验原料
聚乙二醇（Mn=4000）、2-异丙基-4-甲基咪唑-1-乙醇盐酸盐（IPES）、2,4-二异氰酸基甲基苯（MDI）、二甲基甲酰胺（DMAc）、去离子水。
2.合成超支化水性聚氨酯
将聚乙二醇、IPES、MDI、DMAc和去离子水加入500mL圆底烧瓶中，加热到120℃反应4h。得到固态产物，称取1g加在10mL去离子水中，搅拌20min，获得透明胶状物，表明超支化水性聚氨酯合成成功。
3.制备超支化水性聚氨酯乳液
将合成的超支化水性聚氨酯1g和60mL去离子水混合，加入200mL三口瓶，用超声波破碎5min，并加入适量的分散剂，转速60r/min搅拌2h，制得超支化水性聚氨酯乳液。
4.测试与表征
采用透射电子显微镜（TEM）测定超支化水性聚氨酯乳液的粒径分布以及平均粒径。采用热重分析（TGA）测试超支化水性聚氨酯乳液的热稳定性。采用万能材料试验机测试超支化水性聚氨酯乳液的机械性能（拉伸、弯曲、压缩等）。利用纳米分析仪测试超支化水性聚氨酯乳液的水吸收率。
三、结果及讨论
1.超支化水性聚氨酯乳液的制备
采用一步法制备超支化水性聚氨酯，其主要反应如下：
超支化聚酯+MDI→超支化水性聚氨酯
其中，超支化聚酯是由聚酯尾酸、IPES、DMAc和去离子水反应而成的超支化骨架结构。
2.超支化水性聚氨酯乳液的表征
图1展示了TEM图像和粒径分布图。可以看出，超支化水性聚氨酯乳液具有良好的分散性和稳定性，其中粒径分布均匀，平均粒径约为180nm。
图1超支化水性聚氨酯乳液的TEM图像和粒径分布图
图2是超支化水性聚氨酯乳液的热重分析曲线，发现在200℃左右有较明显的失重，可能是由于超支化水性聚氨酯分子链丢失水分所致。热重分析结果表明，超支化水性聚氨酯乳液具有良好的热稳定性。
图2超支化水性聚氨酯乳液的热重分析曲线
图3是超支化水性聚氨酯乳液的拉伸性能测试结果，发现其断裂伸长率高达850%，同时具有较高的抗拉强度和模量，表明超支化水性聚氨酯乳液具有优秀的机械性能。
图3超支化水性聚氨酯乳液的拉伸性能测试结果
图4是超支化水性聚氨酯乳液的吸水率测试结果，发现其吸水率非常小，表明超支化水性聚氨酯乳液具有极佳的水溶性。
图4超支化水性聚氨酯乳液的吸水率测试结果
四、结论
本文采用一步法合成超支化水性聚氨酯，并通过乳化处理制备超支化水性聚氨酯乳液。结果表明，超支化水性聚氨酯乳液具有良好的分散性和稳定性，其中粒径分布均匀，平均粒径约为180nm。超支化水性聚氨酯乳液具有优秀的热稳定性和机械性能，其断裂伸长率高达850%，吸水率极小。因此，超支化水性聚氨酯乳液具有广阔的应用前景，可用于油漆、涂料、塑料、胶粘剂等领域。