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[学位]

羟基丙烯酸树脂体系的固化反应活性及其表征方法的研究

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Author:

马晓阳 (马晓阳.)

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学位论文库

Abstract:

汽车涂料的涂装过程需要经历多道高温烘烤的工序,这些工序是造成涂装能耗、降低涂装效率的主要原因。解决这一问题的主要方案是开发能够在低温下快速干燥的汽车涂料。然而,由于当前行业所采用的表征汽车涂料干燥速度的方法精度不高、人们对影响汽车涂料干燥速度因素的认识不够深刻,使关于低温快速干燥的汽车涂料的研究缺乏坚实的基础理论指导和清晰的研究思路。这对开发低温快速干燥的汽车涂料造成了极大的障碍。为解决汽车涂料干燥速度的表征方法以及相关基础理论的问题,本论文以汽车涂料中被广泛采用的丙烯酸聚氨酯涂料体系为例,主要开展了以下研究工作:研究了丙烯酸聚氨酯涂料干燥速度的表征方法,探讨了利用摆杆硬度描述涂层干燥速度的可行性;通过分析丙烯酸聚氨酯涂料固化过程中摆杆硬度的变化规律,从硬度的角度出发建立了分析涂层干燥速度的基础理论,结合Fox方程和Arrhenius方程分析了影响丙烯酸聚氨酯涂料干燥速度的主要因素,并提出制备低温快速干燥的丙烯酸聚氨酯涂料应当遵循的基本原则;研究了含仲胺基化合物的引入对丙烯酸聚氨酯涂料干燥速度的影响;通过单体组成的优化显著提高了羟基丙烯酸树脂的固化反应活性。通过以上研究,本论文主要得到以下结论:1)提出摆杆硬度可直接反映丙烯酸聚氨酯涂层的粘弹性,是高分子动态力学性能的表现之一,并建立了摆杆硬度与涂层结构的关联性。通过研究涂层的摆杆硬度与玻璃化转变温度的关系,发现当涂层处于粘流态时,摆杆硬度趋近于零;涂层处于高弹态时,摆杆硬度随着玻璃化转变温度的升高呈线性增长;当涂层处于玻璃态时,摆杆硬度趋于稳定。2)跟踪丙烯酸聚氨酯涂层固化过程中摆杆硬度的变化规律发现,与工业上常用的“可抛光时间”和“铅笔硬度”等干燥速度表征方法相比,摆杆硬度具有更高的精度。涂层固化过程中摆杆硬度的变化可以划分为三个阶段(慢增长、速增长和稳定阶段),分别对应于涂层固化过程中溶剂的挥发阶段、固化反应的热力学控制阶段和固化反应的动力学控制阶段。3)采用凝胶化理论对丙烯酸聚氨酯涂料体系的固化反应进行分析,发现固化产物的分子量和交联密度取决于羟基丙烯酸树脂和多异氰酸酯固化剂所含有的官能团的相对含量。只有当羟基和异氰酸根的摩尔比在合适的范围内时,体系才能生成交联网络结构;当两者的摩尔比为1:1时,获得的固化产物交联密度最高。4)以涂层固化过程中摆杆硬度的变化规律为出发点,建立了分析丙烯酸聚氨酯涂料干燥速度的基础理论,提出了开发低温快速干燥的丙烯酸聚氨酯涂料应遵循的基本原则。通过分析涂层固化过程中摆杆硬度的变化规律,认为涂层的干燥速度取决于初始硬度和固化反应速度两个方面。分别采用Fox方程和Arrhenius方程对这两个方面进行深入分析,可以全面深刻地揭示影响涂料干燥速度因素的作用机理。提出欲制备可低温快速干燥的丙烯酸聚氨酯涂料,应当设法提高涂层的初始硬度、降低固化反应的活化能或提高固化反应的碰撞因子。5)通过引入具有高反应活性的仲胺基化合物降低了固化反应的活化能,显著加快了丙烯酸聚氨酯涂料的干燥速度。研究发现,仲胺基化合物PAE-1420与异氰酸酯反应的活化能(21.84kJ?mol-1)显著低于羟基丙烯酸树脂(44~47kJ?mol-1)。仲胺基化合物PAE-1420的加入量在20~30wt%时,所制备的改性丙烯酸聚氨酯涂料具有合适的适用期、较快的干燥速度以及优异的漆膜性能。6)提出非功能性单体的空间位阻对丙烯酸树脂的固化反应活性有重要影响。凝胶时间、反应转化率和凝胶分率的研究结果均表明,羟基丙烯酸树脂的固化反应活性随着玻璃化转变温度的升高呈现出先升高后降低的趋势,这可归因于非功能性单体的空间位阻效应。研究发现,采用侧基较小的单体(如苯乙烯)制备的丙烯酸树脂固化反应活性更高,采用侧基较大的单体(如丙烯酸丁酯)制备的丙烯酸树脂反应活性则较低。采用碰撞理论进行分析,结果表明非功能性单体的空间位阻影响了反应的空间因子,进而影响了固化反应速率。通过单体组成的优化制备了具有高反应活性的羟基丙烯酸树脂,加快了丙烯酸聚氨酯涂料的固化速度。

Keyword:

摆杆硬度 丙烯酸树脂 单体组成 反应活性 仲胺基团

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Basic Info :

Degree: 工学博士

Mentor: 井新利

Year: 2014

Language: Chinese

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WoS CC Cited Count: 8

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