疏水改性乙氧化聚氨酯(HEUR)聚合物作為一類常用的水性高分子增稠助劑,已被廣泛用于調(diào)控各種高檔水性涂料、乳液、油墨、粘合劑等體系的流變性能。迄今為止,人們對HEUR聚合物在水溶液中的聚集行為、締合機(jī)理進(jìn)行了深入的研究,并詳細(xì)探討了HEUR聚合物分子量、分子量分布、親水PEG鏈長、末端疏水鏈種類、疏水鏈支化度以及外部環(huán)境(光、溫度、表面活性劑等)等因素對HEUR在溶液中的聚集行為、流變性能的影響。然而,目前報道的HEUR聚合物增稠劑均是非反應(yīng)型的。當(dāng)其作為流變助劑應(yīng)用于水性涂料、油墨等產(chǎn)品時,這些游離的HEUR助劑容易從最終的固化漆膜中遷移和滲透而影響漆膜的性能。
圖1 (a) 封端劑C18-GMA-OH以及(b)聚合物acrylic-HEUR,C18-HEUR的合成路線。
針對以上問題,任碧野教授課題組提出了反應(yīng)型HEUR增稠劑的概念,并通過分子結(jié)構(gòu)設(shè)計,制備了一種攜帶長鏈烷基和甲基丙烯酸酯側(cè)基的新型封端劑,成功制備了兼具高效增稠和可聚合特性的丙烯酸酯類型的HEUR增稠劑(acrylic-HEUR,圖1)。該增稠劑不僅在水溶液和乳液中具有很好的增稠效率,而且可以有效參與乳液中UV樹脂的共聚交聯(lián)反應(yīng)(圖2),從而有望降低其在固化漆膜中的遷移和滲透行為,具有很好的工業(yè)化應(yīng)用前景。
圖2 Acrylic-HEUR聚合物在UV乳液中的增稠過程及參與乳液中UV樹脂的光引發(fā)共聚反應(yīng)示意圖。
原位1H-NMR、動態(tài)光散射(DLS)、及原位紫外光固化流變測試結(jié)果表明該acrylic-HEUR聚合物具備高聚合活性(圖3、圖4);穩(wěn)態(tài)和振蕩剪切流變測試結(jié)果表明acrylic-HEUR具有與普通非反應(yīng)型HEUR聚合物相似的流變學(xué)特征(牛頓流體行為、剪切增稠、高剪切速率變稀、有限松弛時間、Maxwellian松弛行為)并在純水溶液或水性乳液中均顯示出高效增稠效率,如3wt%濃度水溶液的零切粘度可以達(dá)到75 Pa.s;用于47%固含聚氨酯丙烯酸酯乳液時,添加量為0.3 wt%時可以使乳液零切粘度從1.2 Pa.s提高到約170 Pa.s,提高約141倍,與普通非反應(yīng)型C18-HEUR增稠劑的增稠效率相當(dāng)。最后,對反應(yīng)型acrylic-HEUR和非反應(yīng)型C18-HEUR增稠后的UV乳液體系光固化流變測試結(jié)果表明該acrylic-HEUR聚合物減緩了乳液的應(yīng)力松弛過程并提高了固化乳液的剪切彈性模量(圖5),證明其能有效參與乳液中UV樹脂的共聚交聯(lián)反應(yīng)。該工作為高效增稠劑及高反應(yīng)活性HEUR締合型增稠劑的制備及其在UV水性體系的應(yīng)用提供了有益的借鑒。
圖3 (a) 紫外引發(fā)acrylic-HEUR聚合反應(yīng)原位核磁;(b) 紫外光輻射下0.3 g/L的acrylic-HEUR稀溶液中膠束及其聚集體松弛時間分布;(c) acrylic-HEUR膠束內(nèi)甲基丙烯酸酯光引發(fā)聚合反應(yīng)對膠束和聚集體松弛行為的影響。
圖4 (a-c) 不同濃度的acrylic-HEUR溶液的紫外流變測試結(jié)果,其中淺綠色區(qū)域代表UV燈處于On模式;(d-f) 光固化前后不同濃度的acrylic-HEUR溶液的掃頻測試。
圖5 添加不同含量acrylic-HEUR(a)及C18-HEUR(b)聚合物的聚氨酯丙烯酸酯乳液的穩(wěn)態(tài)剪切粘度圖;(c)增稠后的乳液體系零/低切粘度與添加量的關(guān)系圖;(d) 添加0.3 wt% Acrylic-HEUR的乳液在多重交替剪切作用下的粘度圖; (e )兩種HEUR增稠后的乳液在紫外光固化條件下的剪切彈性模量變化; (f) 增稠乳液固化后的應(yīng)力松弛行為;(g) 初始應(yīng)力松弛一半時需要的時間。
以上成果近期發(fā)表在Macromolecules上(Macromolecules, 2020, DOI: 10.1021/acs.macromol.0c00982)。論文的第一作者為華南理工大學(xué)材料科學(xué)與工程學(xué)院博士研究生關(guān)濤,通訊作者為任碧野教授和博士后杜柱康。特別感謝華南理工大學(xué)孫尉翔老師課題組在流變測試方面給予的大力支持。
原文鏈接:https://pubs.acs.org/doi/10.1021/acs.macromol.0c00982
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