关于纳米材料改性水性聚氨酯的探讨

关于纳米材料改性水性聚氨酯的探讨

王舒正

关键词：纳米材料；水性聚氨酯；纳米蒙脱土；纳米二氧化硅

前言：水性聚氨酯是以水代替有机溶剂作为分散介质的新型聚氨酯体系，也称水分散聚氨酯、水系聚氨酯或水基聚氨酯。水性聚氨酯以水为溶剂，无污染、安全可靠、机械性能优良、相容性好、易于改性等优点。这是其应用范围广泛的基础，也是对其进行改性的基础之一。本文以纳米材料改性水性聚氨酯作为讨论重点，针对相关内容进行简述，以期为后续工作提供一定参考。

1.纳米材料与水性聚氨酯

1.1纳米材料

纳米材料是一种新型材料，其是指在三维空间中至少有一维处于纳米尺寸(0.1-100nm)或由它们作为基本单元构成的材料，这大约相当于10~100个原子紧密排列在一起的尺度。由于其体积非常小，在各需要极小型材料的领域中得到了广泛应用，包括天然纳米材料应用、磁性材料应用、纳米陶瓷材料应用、纳米传感器等。纳米材料大致可分为纳米粉末、纳米纤维、纳米膜、纳米块体等四类，其中纳米粉末开发时间最长、技术最为成熟，是生产其他三类产品的基础。就改性水性聚氨酯而言，可以应用纳米技术和纳米材料联合其他物质进行，现有研究已经一定程度上验证了相关工作的可行性。

1.2水性聚氨酯

聚氨酯树脂的水性化已逐步取代溶剂型，成为聚氨酯工业发展的重要方向。水性聚氨酯可广泛应用于涂料、胶粘剂、织物涂层与整理剂、皮革涂饰剂、纸张表面处理剂和纤维表面处理剂。在持续的研究和实际应用的联合推动下，水性聚氨酯衍生出了很多类型。按期外观，可以大致分为聚氨酯水溶液、聚氨酯乳液、聚氨酯分散液，其中聚氨酯乳液及聚氨酯分散液的应用较为广泛，通常所说的水性聚氨酯即是指聚氨酯乳液和聚氨酯分散液。

水性聚氨酯在实际应用中具有无污染、安全可靠的特点，同时其机械性能优良、相容性也优于大部分水溶材料，最重要的是其易于改性，这使其应用范围大为扩大。

2.无机纳米材料改性水性聚氨酯

2.1纳米蒙脱土

纳米形式存在的蒙脱土可以用于水性聚氨酯的改性。纳米蒙脱土是一种含水土矿物质，通常由氧化硅和氧化铝组成，分子结构为层状，其独特的结构特征是其用于水性聚氨酯改性的基础条件，换言之，应用纳米蒙脱土改性水性聚氨酯实际上是一种物理变化。

具体而言，应用纳米蒙脱土进行水性聚氨酯改性时，纳米蒙脱土的层状结构在物理作用下被剥离，作为一种高分子材料，纳米蒙脱土和水性聚氨酯的相互作用的面积在微观层面上大为增加，作用力也因此显著提升，水性聚氨酯的力学性能以及热稳定性得到强化，水分则开始向纳米蒙脱土的层状结构中聚集，这种聚集的程度取决于纳米蒙脱土和水性聚氨酯的比例，两种材料不断产生作用，但纳米蒙脱土中的水分如果过多，可能导致其与水性聚氨酯的物理分离，具体进行反应前，可以先对纳米蒙脱土进行改善，从而使水性聚氨酯的亲水性下降，完成改性。经过研究发现，当纳米蒙脱土与水性聚氨酯比例为1:0.9时，改性的效果最佳[1]。

2.2纳米二氧化硅

纳米二氧化硅的电绝缘性和抗腐蚀性优良，作为纳米材料，其广泛应用于绝缘电气材料制造等领域，应用纳米二氧化硅对水性聚氨酯进行改性，生成的复合材料抗老化能力和力学性能均得到强化。具体进行工作时，首先要对纳米二氧化硅进行改性作业，对象为其表面，目的是降低羟基的含量，之后进行复合。该过程中，纳米二氧化硅会不断强化水性聚氨酯的磁学、光学、力学等性能，而改性作业降低了其表面能，使以纳米形式存在的纳米二氧化硅可以均匀的与水性聚氨酯产生反应，充分对其进行改性，其改性规律为，纳米二氧化硅的粒子含量越大，生成的复合材料物理性能越优越，尤其是拉伸强度、热稳定性，亲水性则显著下降。此外，为防止纳米二氧化硅分子出现团凝，应控制纳米二氧化硅和水性聚氨酯的比例，保证二者比例在1:1.2之间为宜。

3.天然纳米材料改性水性聚氨酯

3.1纤维素纳米晶体

纤维素纳米晶体是一种自然物质，广泛存在于自然界中，其分子结构十分致密，甚至强于大部分人工制造的高分子材料，应用纤维素纳米晶体对水性聚氨酯进行改性，具有来源广泛、复合物可降解等优势。具体进行复合时，首先要对纤维素纳米晶体进行改性，降低其表面的自由能，之后对二者进行复合。自由能降低后，纤维素纳米晶体表面的羟基与水性聚氨酯的相互作用可以得到有效的控制，相容性得以提升。纤维素纳米晶体的分子团进入水性聚氨酯内部，吸取水分，随着反应的持续进行，复合材料渐渐生成，直到纤维素纳米晶体的分子团均匀分布在水性聚氨酯周围、内部，反应结束。应用纤维素纳米晶体对水性聚氨酯进行改性后，新生成的复合材料力学性能综合提升超过60％，是目前较为理想的改性手段，同时复合材料的热稳定性也得到提升，能够适应更多的工作环境[2]。

3.2淀粉纳米晶体

淀粉纳米晶体是以晶体形式存在的淀粉纳米，和纤维素纳米晶体相同，其属于一种天然高分子材料，不同之处在于淀粉纳米晶体的结构十分规整、排列有序，其物理性能的特点是刚度大、阻隔性能良好、结构高度致密，应用淀粉纳米晶体对水性聚氨酯进行改性，生成的复合材料刚度得以提升，其生物相容性也更好。具体进行复合时，淀粉纳米晶体的活性分子、小分子团会在水性聚氨酯周围快速生成中、大型分子团，每个分子团的活性都会在小分子团的基础上大幅增加，水性聚氨酯的亲水性也因为淀粉纳米晶体分子团的存在而快速降低，反映完成后，新复合材料的刚度提升超过40％。需注意的是，应用淀粉纳米晶体进行改性，淀粉纳米晶体的使用率应控制在水性聚氨酯的30％以下，避免分子团的聚集影响复合效果。

总结：通过研究纳米材料改性水性聚氨酯内容，了解了相关基本情况，目前来看，无机纳米材料和天然纳米材料均可用于水性聚氨酯的改性，无机纳米材料包括纳米蒙脱土、纳米二氧化硅等，天然纳米材料包括纤维素纳米晶体、淀粉纳米晶体等，应用上述材料对水性聚氨酯进行改性，可以不同程度提升其性能。后续工作中可加以利用。

参考文献：

[1]张照,曾明,胡章润,古良鸿,毛宏萍,彭娅.纳米材料改性水性聚氨酯研究进展[J].广州化工,2017,45(08):4-6+24.

[2]叶青萱.纳米材料改性聚氨酯近期进展[A].中国聚氨酯工业协会.中国聚氨酯工业协会第十七次年会论文集[C].中国聚氨酯工业协会:,2014:10.