基于二硫键的自修复水性聚氨酯的制备与性能研究

doi:10.19491/j.issn.1001-9278.2022.06.008

中国塑料 ›› 2022, Vol. 36 ›› Issue (6): 46-53.DOI: 10.19491/j.issn.1001-9278.2022.06.008

基于二硫键的自修复水性聚氨酯的制备与性能研究

陈亮¹, 张萍波¹(), 蒋平平¹, 包燕敏², 高学文², 夏嘉良²

^1.合成与生物胶体教育部重点实验室，江南大学化学与材料工程学院，江苏无锡 214122
^2.江苏彩华包装集团公司，江苏昆山 215321

收稿日期:2022-01-14 出版日期:2022-06-26 发布日期:2022-06-27
通讯作者: 张萍波（1981-），女，副教授，从事绿色合成与催化转化的研究工作，pingbozhang@126.com
E-mail:pingbozhang@126.com

Preparation and properties of self⁃healing waterborne polyurethane based on disulfide bonds

CHEN Liang¹, ZHANG Pingbo¹(), JIANG Pingping¹, BAO Yanmin², GAO Xuewen², XIA Jialiang²

^1.Key Laboratory of Synthetic and Biological Colloids，Ministry of Education，School of Chemical and Material Engineering，Jiangnan University，Wuxi 214122，China
^2.Jiangsu Caihua Packaging Group Company，Kunshan 215321，China

Received:2022-01-14 Online:2022-06-26 Published:2022-06-27
Contact: ZHANG Pingbo E-mail:pingbozhang@126.com

摘要/Abstract

摘要：

以芳香二硫化合物2，2'?二氨基二苯二硫醚（AD）为原料，制备了一种自愈性水性聚氨酯（WPU）材料。利用全反射傅里叶变换红外光谱仪、拉曼光谱仪、热失重分析仪、粒径分析仪、热台偏光显微镜和接触角仪对改性材料进行了结构表征与性能测试，探讨了聚氨酯材料的热稳定性、表面疏水性、自修复性能的变化。另外，通过拉伸测试，定量评价了材料的拉伸性能和自愈合效率。结果表明，AD成功引入到WPU分子链中；随着AD含量的增加，改性材料的热稳定性逐渐下降；表面疏水性提升，样品WPU?3的静态接触角达到了81.2 °；拉伸强度由WPU?0的1.1 MPa增至WPU?3的5.6 MPa；同时，在中等愈合温度（80 ℃）下，样品WPU?1加热3 h后可以使拉伸应变的愈合效率达到81 %左右。

关键词: 自修复, 水性聚氨酯, 动态二硫键, 修复效率

Abstract:

A series of self?healing waterborne polyurethane materials （WPUs） was prepared using a aromatic disulfide compound， 2，2'?diaminodiphenyldisulfide （AD）， as a raw material. The resulting WPUs were characterized using FTIR spectrometer， Raman spectrometer， thermogravimetric analyzer， particle size analyzer， hot?stage polarized light microscope， and contact angle meter. Their thermal stability， surface hydrophobicity and self?healing properties were investigated together with its tensile properties and self?healing efficiency evaluated quantitatively though a tensile experiment. The results showed that AD was successfully introduced into the molecular chain of WPUs. The thermal stability of WPUs decreased gradually with an increase in AD content， and its surface hydrophobicity increased as well. The sample WPU?3 presented a static contact angle of 81.2 ° and tensile strength of 5.6 MPa. However， WPU?0 only has tensile strength of 1.1 MPa. On the other hand， WPU?1 has a tensile strain healing efficiency of 81 % after heating for 3 h under a moderate healing temperature of 80 ℃.

Key words: self?healing, waterborne polyurethane, dynamic disulfide bond, healing efficiency

中图分类号:

TQ323.8

陈亮, 张萍波, 蒋平平, 包燕敏, 高学文, 夏嘉良. 基于二硫键的自修复水性聚氨酯的制备与性能研究[J]. 中国塑料, 2022, 36(6): 46-53.

CHEN Liang, ZHANG Pingbo, JIANG Pingping, BAO Yanmin, GAO Xuewen, XIA Jialiang. Preparation and properties of self⁃healing waterborne polyurethane based on disulfide bonds[J]. China Plastics, 2022, 36(6): 46-53.

图/表 12

样品编号	IPDI/g	PTMG/g	DMPA/g	AD/g	TEA/g	EDA/g	H₂O/g
WPU⁃0	2.22	5.90	0.43	0.00	0.32	0.05	35.72
WPU⁃1	2.22	5.14	0.40	0.24	0.30	0.05	33.44
WPU⁃2	2.22	4.47	0.37	0.45	0.28	0.05	31.44
WPU⁃3	2.22	3.69	0.35	0.69	0.26	0.05	29.10

表1 水性聚氨酯的合成配方表

Tab. 1 Formulation of waterborne polyurethane

图1 水性聚氨酯的合成过程

Fig.1 Synthesis process of waterborne polyurethane

图2 改性水性聚氨酯涂膜的 FTIR谱图

Fig 2 FTIR spectra of modified waterborne polyurethane coating

图3 WPU?1的Raman光谱

Fig.3 Raman spectra of WPU?1

图4 改性聚氨酯乳液的粒径分布

Fig.4 Particle size distribution of modified polyurethane emulsion

图5 AD改性WPU膜的TG曲线

Fig.5 TG curves of AD modified WPU films

样品	T_{5 %}/℃	T_{50 %}/℃	250 ℃残碳率/%	500 ℃残碳率/%
WPU⁃0	267.33	404.66	96.57	2.13
WPU⁃1	238.33	403.66	93.99	2.02
WPU⁃2	231.66	396.67	92.68	1.88
WPU⁃3	140.00	341.00	74.91	2.12

表2 AD改性聚氨酯膜的热性能数据

Tab.2 Thermal properties of AD modified polyurethane films

图6 改性WPU膜的应力?应变曲线

Fig.6 Stress?strain curves of modified WPU films

图7 改性WPU膜的水接触角

Fig.7 Water contact angle of modified WPU films

图8 改性WPU在70℃不同时间下放大50倍的显微镜照片

Fig.8 Micrographs of modified WPU magnified 50 times at 70℃ for different times

图9 WPU?1被切断在70 ℃下愈合 24 h的照片，然后在显微镜放大50、100倍以及自修复机理图

Fig.9 Photographs of WPU?1 being cut and healed at 70 ℃ for 24 h， and then magnified 50 and 100 times under the microscope and the self?healing mechanism

图10 WPU?1在不同温度不同时间下的应力?应变曲线以及其对应的愈合效率

Fig.10 Stress?strain curves of WPU?1 at different temperature and time and its corresponding healing efficiency

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