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有机硅改性水性聚氨酯

2021-10-12

有机硅改性水性聚氨酯

  有机硅在分子链中同时含有—Si—O—Si—结构和有机基团,因此其兼有无机和有机材料的双重优点。高键能和低表面能的Si—O键使其具有良好的氧化稳定性和耐水性,同时有机基团的存在又使其具有良好的加工性能。其与高分子具有良好的相容性,并且一般含有高活性的官能团,能通过化学反应接枝到水性聚氨酯上,这使得其对水性聚氨酯耐水性、耐热性等的改善更持久[4]。一般可分为硅烷偶联剂改性、聚硅氧烷改性和多面体低聚倍半硅氧烷(POSS)改性。


硅烷偶联剂改性水性聚氨酯

  硅烷偶联剂一般由含有官能团的碳主链非水解基团和Si—O—R等可水解基团两部分组成,其中Si—O—R基团经过水解缩聚可在分子链间形成—Si—O—Si—的交联结构,对水性聚氨酯的力学性能带来极大的改进[5]。

  Meera等[6]通过3-氨丙基三乙氧基硅烷(APTMS)对蓖麻油基水性聚氨酯进行改进。试验结果表明:聚氨酯-硅氧烷网络结构的确形成,并且随着硅烷比重从0增加到5%,水性聚氨酯的交联密度显著增加,水性聚氨酯的拉伸强度由13.4 MPa增加到25.9 MPa,玻璃化转变温度(Tg)和热稳定性也得到提高。

Li等[7]通过3-(甲基丙烯酰氧基丙基)三甲氧基硅烷(MAPTS)和二乙醇胺(DEA)之间的迈克尔加成合成了侧链上含硅烷的二醇(DEA-Si),将其和异佛尔酮二异氰酸酯(IPDI)、2,2-二羟基甲基丁酸(DMBA)、1,4-丁二醇(BDO)反应合成了具有梳形结构的硅改性水性聚氨酯。试验结果表明柔性链段中的Si元素易于迁移到聚合物-空气界面,对复合膜的表面疏水性和耐水性带来很大提高。随着DEA-Si含量由1.2%增加到16.5%,复合膜的表面接触角由74.0°增加到99.3°,吸水率由60%降到5%。其解决了只在PU预聚物两端引进硅基团会限制烷氧基硅烷在聚合物链上掺入量的问题,从而引入更高含量的硅,对水性聚氨酯的性能带来更大的改善。

  Fu等[8]通过3-巯基丙基三甲氧基硅烷(MPTS)和蓖麻油(CO)之间的巯基-烯点击反应合成了新型硅烷化蓖麻油(MSCO),将其用作功能性多元醇以制备一系列生物基聚水性氨酯/硅氧烷(SiPU)杂化涂层。MSCO将植物油和硅烷相结合,得到了一种具有硅烷优点的新型多元醇,其提高了硅烷的相容性,使得硅烷的引入更方便,同时简化了试验步骤,节省了费用。与没有MSCO的蓖麻油基涂料相比,SiPU薄膜交联密度跟大,表现出更好的机械性能和热性能,耐水性也有很大提高。


聚硅氧烷改性水性聚氨酯

  含有羟基或氨基的聚硅氧烷在分子链上含有大量重复的—Si—O—Si—结构,其分子具有良好的柔顺性和稳定性。通过其改性水性聚氨酯,能够赋予WPU更好的低温柔顺性、力学性能和高温稳定性,并且对其介电性能和生理惰性等也有改善[9]。

  Yang等[10]用羟基封端的聚二甲基硅氧烷(PDMS)和聚(1,6-己基碳酸酯)二醇(PHC)等与异氰酸酯反应制备了硅改性聚酯型水性聚氨酯。试验结果表明PDMS的掺入增加了水性聚氨酯的韧性,并使其力学强度得到极大提高。并且相比普通的聚醚型水性聚氨酯,其生物稳定性更好,更耐水解,在生物医用方面更具前景。

  Tugui等[11]用氨基封端的聚二甲基硅氧烷(BTAD)和聚醚二醇(PTMG)等与异氰酸酯反应制备了聚氨基甲酸酯-脲-硅氧烷(PUUS),再将聚合物与不同分子量的PDMS合成互穿网络(IPN),用原硅酸四乙酯(TEOS)进一步化学交联。试验结果表明聚硅氧烷对水性聚氨酯的力学性能和电学性能有重大影响,通过调控合适的比例,可获得低杨氏模量、低塑性变形、高断裂伸长率、高击穿强度和高介电常数的特性,使其具有优异的电刺激响应能力,可作为一种优异的介电弹性体应用于机电转化器中。


POSS改性水性聚氨酯

  POSS是一种具有三维立体结构的有机/无机杂化材料,通常是由Si—O—Si—键构成的无机笼状结构和环绕四周的有机基团组成。通过其中高反应活性官能团可接枝到水性聚氨酯上,可使水性聚氨酯具有良好的力学性能,乃至抗原子氧化性、耐烧蚀性、阻燃性等[12]。

  Chen等用APTMS和氨基丙基异丁基POSS(ALPOSS)共同改性水性聚氨酯。试验结果表明:含有ALPOSS纳米晶体的的引入能增加其微相分离层度,增加了其交联结构 ,2种共同作用使复合膜的强度、模量和韧性都得到极大的提高,并且还得到了表面疏水、低介电常数和损耗的优点;除此之外POSS在高温下极其稳定,不易燃烧、氧化、分解,这些使得聚氨酯的优异性能能在很宽的温度范围内保持良好。


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