生物基聚氨酯透明防污涂层的制备及性能研究

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表面污染不仅影响制品的美观和性能,而且清除污渍费时费力,特别是化学清洁剂的使用会损伤材料表面并污染环境。涂层是保护材料表面最简便、经济的方法之一,特别是聚氨酯涂层,因可通过软硬段结构和比例调控其性能,使其具有优异的机械性能和耐腐蚀性能广泛应用于各个领域。但传统聚氨酯涂层大都以石化产品为原料制得,且因硬段和软段相分离导致涂层透明度欠佳。本研究从可持续发展出发,直接以未改性的蓖麻油为生物质多元醇制备聚氨酯涂层,同时以环境友好聚二甲基硅氧烷(PDMS)为抗污剂,利用共价接枝使PDMS在涂层内部形成均匀分布的微相分离“纳米池”,通过PDMS分子链段从涂层内部向表面迁移,实现涂层的防污。本论文详细研究了溶剂型蓖麻油基聚氨酯透明防污涂层的制备工艺,并对其水性化工艺进行了探究。论文主要工作如下:(1)溶剂型蓖麻油基聚氨酯透明防污涂层的制备。以蓖麻油(CO)为生物质多元醇、六亚甲基二异氰酸酯三聚体(HDIT)为多异氰酸酯、单端羟基的PDMS(PDMS-OH)为抗污剂、丁酮和碳酸二甲酯为溶剂,通过两次预反应和高温固化工艺,制备了一系列高硬度蓖麻油基聚氨酯透明防污涂层。结果表明:涂层表面光滑平整;涂层透光率>98%;涂层机械性能优异,涂层硬度可通过R值(n-NCO:-OH)调节,当R值1.8时,涂层硬度可达7 H。(2)研究了溶剂型蓖麻油基聚氨酯透明防污涂层的表面润湿性能和防污性能。结果表明:R值增加,水接触角(WCA)增大、水滑动角(WSA)减小且接触角滞后值(Δθ)减小;涂层中PDMS含量越高,WCA越大,WSA和Δθ值越低。水基污染物(水、咖啡、牛奶、茶水、墨水、指纹液等)可从涂层表面快速滑落且不留痕迹;油基污染物(十六烷)由于其与PDMS的相容性,虽能快速滑落但会留痕;油性马克笔划涂后的油基墨迹,可在涂层表面快速收缩并可轻松擦除干净;涂层经过数千次摩擦仍能保持防污性能。此外还选取人工血液和人工组织液两种模拟人体环境的液体进行滑动性能表征,结果显示出与水基和油基模拟污染液体相似的规律,证明其在生物医用材料表面防护领域有一定的发展潜力。涂层表面硅元素含量远高于理论值的XPS测试结果,验证了低表面能PDMS接枝链可从涂层内部迁移至涂层表面,从而赋予涂层优异防污性能。(3)研究了溶剂型蓖麻油基聚氨酯透明防污涂层的防腐性能。分别进行去离子水及3.0 wt%Na Cl溶液浸泡、极化曲线以及电化学阻抗谱图研究三种方法,结果显示:随着PDMS的引入防腐性能有明显提升。其中奈奎斯特图的曲线圆弧半径越大,表明具有更优异的防腐性能,测试结果表明R值为1.5、PDMS用量是4.0 wt%时制备的涂层(PU1.5-PDMS4.0),其电容圆弧半径大小分别是马口铁基材本身的10倍和PU1.5的4倍,等效电阻值明显增大。当在盐水中浸泡29天后,其电容圆弧半径大小与马口铁基材本身相似,说明此时腐蚀介质到达基材表面,进一步表明涂层有一定的长期耐腐蚀性。(4)探究了蓖麻油基聚氨酯透明防污涂层的水性化制备工艺。以2,2-二羟甲基丙酸(DMPA)或N-甲基二乙醇胺(MDEA)为亲水性扩链剂及自乳化剂,分别制备了阴离子型和阳离子型两种类型的WPU-g-PDMS分散体,并对分散体的成膜工艺进行了探索。探究结果显示:当原料中基团的摩尔配比-NCO(HDIT):-OH(CO):-OH(DMPA或MDEA)为2.20:1.00:1.19、PDMS引入量为3.0 wt%时,通过直接分散法,可得到稳定的WPU-g-PDMS分散体。通过滚涂成膜工艺,可得表面较均匀、铅笔硬度达6 H的聚氨酯涂层。PDMS的引入可有效增强涂层表面疏水性能和防污性能。高温固化可促进PDMS链段更快从涂层内部向表面迁移。
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