高固含量復合軟段水性聚氨酯的性能研究

李文杰，李曉靜，陳少云，劉小英

（泉州師范學院化工與材料學院，福建 泉州 362000）

聚氨酯的軟段結構對性能有直接的影響，聚酯類多元醇和聚醚類多元醇是實際用作軟段最多的2類低聚物多元醇，由這類多元醇所合成的水性聚氨酯（WPU）性能各有特點[1]。聚酯型WPU的硬度和機械強度通常都比聚醚型WPU高。近年來的研究方向更加傾向于將磺酸基團直接接入軟鏈段中去[2]，其主要目的是為了降低WPU黏度、提高穩定性，并解決由硬段引入磺酸鹽帶來的高沸點溶劑脫除問題，在軟鏈段中引入磺酸基團比硬段更方便[3，4]， 產品的綜合性能也相應提高[5，6]。本實驗用直接酯化-縮聚工藝[7]，在聚已二酸-1,4-丁二醇酯二醇（PBA）的聚合酯化過程中加入第3組分間苯二甲酸二酯-5-磺酸（SIPM），合成了一種改性的帶有磺酸基團的PBA。并用該聚酯二元醇與聚已內酯二醇（PCL）作為復合軟段合成一種新型的改性WPU并測試了其性能。傳統的制備工藝由于預聚體黏度較大，需要加入大量的丙酮等溶劑來稀釋，在乳化完成后再將所加入的溶劑蒸餾出來。本研究采用無溶劑法[8]制備WPU，制備過程中，預聚體黏度適中，無需加入溶劑便可直接乳化，由體系電導率的變化來跟蹤相轉變的過程，完成相反轉即停止加水，直至電導率穩定并完成乳化[9]，這是一項值得推廣的新型WPU膠粘劑生產配方與工藝。

1 實驗部分

1.1 主要原料

異佛爾酮二異氰酸酯（IPDI，M=222.29）、聚已內酯二醇（PCL，M=2 000）、2, 2-雙（羥甲基）丙酸（DMPA）、二月桂酸二丁基錫（DBTDL）、三乙胺（TEA）、間苯二甲酸二酯-5-磺酸鈉、1,4-丁二醇、N-甲基吡咯烷酮（NMP）、己二酸，分析純，上海晶純生化科技股份有限公司；丙酮、濃硫酸、氫氧化鈉，分析純，國藥集團化學試劑有限公司。超纖PU皮革，晉江中國鞋都；水性聚氨酯（WPU）膠粘劑，泉州富邦化工制品有限公司。

1.2 儀器與設備

tecnai g2 spirit型透射電鏡，美國FEI公司；AVATAR360型傅里葉變換紅外光譜（FT-IR）儀，美國尼高力公司；STA409PC型綜合熱分析儀，德國耐馳儀器公司；CTM8050型微機電子萬能材料試驗機，上海協強儀器制造有限公司；GDHJ-2025A型高低溫交變濕熱試驗箱，上海精宏實驗設備有限公司；NDJ-4型旋轉黏度計，上海安德儀器設備有限公司；DDS-307A型電導率儀，上海儀電科學儀器股份有限公司。

1.3 實驗制備

1.3.1 改性聚己二酸-1,4-丁二醇酯二醇的制備

采用直接酯化-縮聚法，將一定比例的1,4-丁二醇、己二酸，間苯二甲酸二酯-5-磺酸鈉投入到500 mL圓底燒瓶中，同時加入適量的DBTDL，在氮氣氣氛中，邊升溫邊攪拌。當逐步升溫至210 ℃時，恒溫回流1～2 h；當水蒸出量達理論值的90%時，繼續攪拌30 min[7]，所得產物先用飽和碳酸氫鈉洗滌至酯層顯中性，再用蒸餾水洗滌，最后減壓蒸餾除凈水分，即得帶有磺酸基團的改性PBA。

1.3.2 WPU的制備

將改性PBA和PCL分別在120 ℃下真空脫水2 h后，放于干燥器中備用。改性PBA占總軟段質量分數分別為0、3%、5%、7%和9%，與PCL充分混合形成復合軟段（樣品編號分別為WPU-0、 WPU-3、 WPU-5、 WPU-7和 WPU-9），置于裝有回流冷凝管和攪拌器的干燥三口燒瓶中，并放入60 ℃恒溫水浴鍋攪拌融化30 min，加6 g DMPA（溶于10 mL NMP中）恒溫繼續攪拌1 h，通入氮氣，滴入3滴DBTDL和定量的IPDI，升溫至80 ℃恒溫反應1.5 h，降溫至50 ℃，加入TEA中和30 min，在快速攪拌下加入計量的蒸餾水剪切乳化30 min，靜置消泡，即得WPU[7]。實驗配方如表1所示。

1.3.3 測試樣條的制備

表1 WPU實驗配方Tab.1 Experimental formulations of waterborne polyurethane

（1）將皮革裁成長（100±2）mm、寬（25±0.5）mm的試片，使用前先用丙酮或丁酮擦拭干凈，放入（70±5）℃烘箱內烘干3 min備用。取膠粘劑適量，加入約5%的固化劑混合均勻，刷涂于試片上，涂膠量以不缺膠、不堆膠為準。刷涂后放入（70±5）℃烘箱內烘干5～10 min，以形成半透明均勻膠膜為準，將2被粘面相互貼合，粘接長度≥60 mm，貼合時要防止錯位、起泡，然后施加0.4～0.6 MPa的壓力，保持15 s。此樣條用于測試初粘性、剝離強度、蠕變性、耐熱穩定性、耐熱老化性和耐水解性等。

（2）將皮革裁成長（80±2）mm、寬（ 20±0.2）mm的 試 片 ， 搭 接 長 度 為（10±0.2）mm，膠層厚度為0.2 mm，可以用間隔導線來控制，導線放置方向與試樣平行，其余同上。此樣條用于測試剪切強度。

（3）制取干燥的膠膜，裁成啞鈴形測試樣條（如圖1所示），測試膠膜拉伸強度與斷裂伸長率。取少量合成的WPU乳液均勻涂布在模具上，放入50 ℃真空干燥箱中2 d左右，得到干燥均勻無氣泡、厚度約為0.3～0.5 mm的膜。將烘干后的膜沖壓為標準啞鈴狀試樣，規格如圖1、表2所示。膠膜制好后在溫度（23±2）℃、相對濕度為（50±5）%環境下靜置48 h，用萬能材料試驗機以拉伸速率50 mm/min測試膠膜的斷裂伸長率。

圖1 膠膜拉伸試樣制備規格Fig.1 Specification of film tensile test specimen

1.4 結構表征與性能測試

表2 膠膜拉伸試樣制備參數Tab.2 Parameters of film tensile test specimen

（1）微觀結構：采用透射電鏡（TEM）進行觀察（取樣品用蒸餾水稀釋至2%，在超聲波儀器中分散30 min，將樣品溶液滴加到銅網上，等到近干的狀態下，用2%磷鎢酸負染色液進行染色）。

（2）微觀結構特征：采用傅里葉變換紅外光譜（FT-IR）進行表征（壓片法，測試范圍為400～4 000 cm-1， 精度為2 cm-1）。

（3）熱穩定性：采用綜合熱分析儀測試TG及DSC曲線（測試溫度為30～600 ℃，加熱速率為10 ℃/min，氮氣保護）。

（4）固含量：按照GB/T 2793—1995《膠粘劑不揮發物含量的測定》標準進行測試。

（5）膠膜的耐介質性：按照GB/T 1733-1993《漆膜耐水性測定法》標準進行測試。

（6）貯存穩定性：按照GB/T 6753.3—1986《涂料貯存穩定性試驗方法》標準進行測試。

（7）力學性能：按照GB/T 30779—2014《鞋用水性聚氨酯膠粘劑》標準、GB/T 532—2008《硫化橡膠或熱塑性橡膠與織物粘合強度的測定》標準，采用萬能材料試驗機進行初粘性、剝離強度、耐熱穩定性、耐熱老化性、蠕變性、耐水解性和剪切強度的測試（按照1.3.3的要求制備符合相應要求的樣條）。

（8）拉伸強度和斷裂伸長率：按照GB／T 1040—1992《塑料拉伸性能試驗方法》標準，采用萬能材料試驗機進行測試（每個試樣中部距離標距每端5 mm處測量寬度和厚度（精確至0.1 mm），拉伸速率為100 mm/min）。

（ 9）－NCO含 量 ： 按 照 HG/T 2409—1992《聚氨酯預聚體中異氰酸酯基含量的測定》標準進行測試[取約0.5 g預聚體于干燥的錐形瓶中，加入10 mL無水甲苯將其充分溶解。準確移取10.00 mL的0.1 mol/L二正丁胺于錐形瓶中振蕩反應15 min，加入20 mL異丙醇和2滴溴甲酚綠指示劑，用0.1 mol/L的鹽酸溶液滴定至由藍色變黃色，且1 min內不變色為終點，同時做空白試驗。－NCO含量計算式如式（1）所示。

式中：V0為空白消耗鹽酸的體積（L）；V1為預聚體消耗鹽酸的體積（L）；c為鹽酸的濃度（mol/L）；m為預聚體的質量（g）]。

2 結果與討論

2.1 改性PBA的加入量對WPU性能的影響

2.1.1 對WPU理化性能的影響

配制改性PBA分別占總軟段質量分數的0、3%、5%、7%和9%，與PCL充分混合形成復合軟段（樣品編號分別為WPU-0、WPU-3、WPU-5、WPU-7和WPU-9），按上述的合成方法合成一系列WPU乳液，考查改性PBA加入量對產品性能的影響，結果如表2所示。

2.1.2 對WPU耐介質性能的影響

表2 改性PBA加入量對WPU理化性能的影響Tab.2 Effect of modified PBA addition on physical and chemical properties of WPU

改性PBA加入量對WPU耐介質性的影響如表3所示。由表3可知：WPU膠膜的酯基易發生水解反應，在堿性條件下易發生皂化反應促進酯基的水解，而在中和劑TEA的影響下，WPU在5%硫酸中的溶脹率很小。5% NaCl是中性溶液，NaCl電離產生Na+和Cl-首先影響了WPU的顆粒間間隙，其次，鹽的離子化作用使TEA中和劑與WPU的中和作用被破壞。因此，5% NaCl溶脹率大于蒸餾水的溶脹率。丙酮對WPU膠膜來說是一種較好的溶劑，幾乎可以將其溶解，溶脹率非常大。從表3可以看出，隨著磺酸鹽加入量的增加，耐介質性變差，其原因是磺酸鹽是強酸強堿鹽，含量越大，離子化作用越強，因此溶脹率均呈現上升趨勢。

2.2 改性PBA加入量對WPU力學性能的影響

2.2.1 對WPU乳液力學性能的影響

改性PBA加入量對WPU乳液力學性能的影響如表4所示。由表4可知：隨著磺化PBA加入量的增多，WPU的力學性能呈先增加后減少態勢，其中，WPU-5相對最好。這是由于膠膜強度受結晶性影響。軟段為柔性鏈段，具有一定內聚能，隨著磺酸基團含量的增加，離子基團聚集，促使軟段內聚能增加，但隨著磺酸基團含量繼續增加，破壞了軟段規整性，結晶度開始下降，表現為力學性能下降。因此，隨著改性PBA加入量的逐漸增加，力學性能都呈先升后降的趨勢。

2.2.2 對WPU膠膜斷裂伸長率和拉伸強度的影響

表3 改性PBA加入量對WPU耐介質性的影響Tab.3 Effect of modified PBA addition on solvent resistance of WPU

表4 改性PBA加入量對WPU乳液力學性能的影響Tab.4 Effect of modified PBA addition on mechanical properties of WPU emulsion

改性PBA加入量對WPU膠膜拉伸強度和斷裂伸長率的影響如表5所示。由表5可知：隨著改性PBA含量的增大，斷裂伸長率略有增大趨勢，拉伸強度先升后降變化并不大。這可能與親水性較強的磺酸基團合成的WPU乳液外觀泛藍，粒徑較小有關，粒徑小的乳液所形成的固態膠膜致密性規整，膠膜具有更好的機械強度和韌性。

2.3 FT-IR表征

表5 改性PBA加入量對WPU膠膜拉伸強度和斷裂伸長率的影響Tab.5 Effect of modified PBA addition on tensile strength and elongation at break of WPU film

2.3.1 改性PBA和PBA的FT-IR光譜

通過比較圖2可知，曲線2a、2b中分別在3 365.16 cm-1和 1 732.47 cm-1處 出 現 羥 基 和羰基特征吸收峰，1 250～1 150 cm-1處有酯基寬而強的振動吸收峰。曲線2a在1 064.25 cm-1和 1 045.03 cm-1處 還 出 現 了 磺 酸 根 基 團的振動吸收峰，這是曲線2b所不具備的，由此表明磺酸基團成功接入到PBA鏈段中。

2.3.2 WPU的FT-IR光譜

WPU的FT-IR光譜如圖3所示。由圖3可以看出：隨著反應時間的延長，硬段中的-NCO不斷與軟段中的-OH發生反應生成氨基甲酸酯（-NHCOO），表現為在2 240～2 280 cm-1處的-NCO吸收峰尖峰不斷縮短直至消失；圖中2 949.16 cm-1、 2 866.24 cm-1是-CH、-CH的伸縮振動峰；3 368.51 cm-1、 1 533.13 cm-1和1 740.27 cm-1分別 是N-H和C=O的特征吸收峰，表明體系中生成了-NHCOO-的結構。另外，在1 044.86 cm-1處出現的是磺酸基團吸收峰。綜上所述，試驗成功合成了磺酸/羧酸型的WPU。

2.4 改性WPU的TG測試

不同比例WPU的TG和DTG曲線如圖4所示。由圖4可以看出：各配方的WPU的熱穩定性差別不大，其中，以WPU-3的性能為相對最好，分解速度相對最快時，溫度高達338.7 ℃，這可能是隨著磺酸基團含量的增加，破壞了軟段的規整性所致。

從圖4中的TG曲線還可以看到：在＜250℃區間，各配方的WPU都有少量失重，這主要是膠膜中未反應的小分子硬段和不規整的鏈段分解所造成的。隨著溫度繼續上升，250～450 ℃內的失重主要是由于WPU中軟段和不規則硬段的分解所致。由此TG曲線表明，不同比例的改性WPU均顯示出良好的耐熱穩定性。

圖2 FT-IR譜圖Fig.2 Infrared spectra（a：改性PBA；b：PBA）

2.5 復合軟段及其相應WPU的DSC測試

圖3 反應過程中WPU紅外光譜圖隨反應時間變化Fig.3 Infrared spectrum change of WPU with reaction time during reaction

圖4 不同比例WPU的TG和DTG曲線Fig.4 TG and DTG curves of WPUs with different ratio

聚合物的結晶不僅與大分子鏈段有關，同時也受到鏈段鄰近結構的影響。本研究分別在PCL軟段中加入0、3%、5%、7%和9%的改性PBA組成復合軟段，測試了其DSC曲線，結果如圖5a所示。由圖5a可知：在40～60 ℃范圍均出現結晶熔融峰，隨著改性PBA的含量增加，峰面積逐漸減小，結晶性下降。

圖5 復合軟段和WPU的DSC曲線Fig.5 DSC curves of composite soft segment and WPU

含不同復合軟段WPU的DSC曲線如圖5b所示。由圖5b可知：結晶熔融峰面積明顯小于相應的復合軟段，這是由于WPU中的復合軟段和硬段之間具有較強的相互作用力，體系中較多硬段穿插至軟段的連續相中，從而有效降低了WPU的微觀相分離程度。

2.6 TEM測試

圖6為WPU乳液粒徑的TEM圖，由圖6可知：WPU乳液的平均粒徑為10～50 nm，分布較為均勻。

圖6 WPU乳液的TEM圖Fig.6 TEM image of WPU emulsion

表6 WPU-5的理化性能與國家標準對比Tab.6 Comparison of physical and chemical properties of WPU-5 with national standards

2.7 相對最佳配方產品性能測試結果與國標對比

綜合以上測試結果認為，WPU-5配方的各項理化與力學性相對最好，與國家標準（GB/T 30779—2014《鞋用水性聚氨酯膠粘劑》）中規定的各項指標作對比，結果如表6和表7所示。

由表6、表7結果表明：磺化PBA加入量占復合軟段比例為5%的WPU產品各項理化性能和力學性能都遠優于不添加的WPU之國家標準要求。

3 結論

本研究合成了一種高固含量的復合軟段WPU乳液，其主要原料中軟段是由改性PBA和PCL共同組成的復合軟段，與硬段IPDI、親水擴鏈劑DMPA和中和劑TEA反應制備而成。結果表明，改性PBA占復合軟段比例為5%時，固含量可達51.9%，初粘強度為2.87 N/mm，剝離強度為6.00 N/mm，耐熱穩定為4.88 N/mm，耐熱老化為4.73 N/mm，耐水為4.51 N/mm，蠕變性為3.7 mm，剪切強度為38.86 MPa，斷裂伸長率為557%。其各項性能均較大的優于國家標準。

另外，傳統的WPU制備工藝由于預聚體黏度較大，需要加入大量的丙酮等溶劑來稀釋，在乳化完成后須將所加入的溶劑蒸餾出來。本研究采用無溶劑法制備WPU，預聚體黏度適中，無需加入溶劑直接乳化，是一項有價值的新型WPU膠粘劑的技術和工藝路線。