سنتز پوشش‌های پلی‌یورتانی پراکنه آبی نانواندازه خودرنگ با اندازه ذرات و رنگ تنظیم‌پذیر: آنیونومر دربرابر کاتیونومر

نوع مقاله: پژوهشی

نویسندگان

اصفهان، دانشگاه اصفهان، دانشکده شیمی، گروه شیمی پلیمر، صندوق پستی 73441-81746

چکیده

 فرضیه: با توجه به خواص بی‌نظیر و کاربردهای زیاد پلی‌یورتان‌ها در صنایع مختلف از قبیل پوشش‌ها و چسب‌ها و از ‌سوی دیگر افزایش نگرانی‌های زیست‌محیطی درباره کاهش ترکیبات فرار در تولید یا کاربرد محصولات، پلی‌یورتان‌های پایه‌آبی توجه زیادی را جلب‌ کرده‌اند.
روش‌ها: در این پژوهش، پلی‌یورتان‌های خود‌رنگ پایه‌آبی بر پایه‌ ایزوفوران دی‌ایزوسیانات و هگزامتیلن‌دی‌ایزوسیانات (PEG-400) و دی‌ال ‌آزو با استفاده از دی‌متیلول‌پروپیونیک‌ اسید (DMPA) یا N-متیل ‌دی‌اتانول‌آمین (NMDA) به‌عنوان گروه یون‌کننده‌ سنتز ‌شدند. سپس به‌ترتیب با اضافه‌کردن تری‌اتیل‌آمین یا یدومتان، به آنیونومر یا کاتیونومر مربوط تبدیل ‌شدند و با افزودن آب، پراکنه ‌آبی تهیه شد. پس از آن، اثر نوع گروه یون‌کننده و موقعیت آن (قطعه‌ داخلی (C) یا بیرونی (T))، درجه خنثی‌سازی و مقدار جامد سامانه‌ها بر گرانروی و پایداری پراکنه، رنگ و اندازه‌ ذرات پراکنه بررسی‌ شد. همچنین خواص گرمایی، شکل‌شناسی، مقاومت به خراش و مهاجرت رنگینه فیلم‌های پلیمری، ‌مطالعه‌ شد. بررسی‌های لازم ‌درباره فیلم‌های پلیمرها یا پراکنه‌ آبی آن‌ها با روش‌های گرانروی‌‌سنجی چرخشی، پراکندگی‌ نور دینامیکی (DLS)، طیف‌سنجی‌های زیرقرمز تبدیل فوریه (FTIR) و رزونانس مغناطیسی هسته (NMR)، پراش پرتو X، تجزیه دینامیکی-مکانیکی گرمایی (DMTA)، تجزیه گرما‌وزن‌سنجی (TGA) و گرماسنجی پویشی تفاضلی (DSC) انجام شد.
یافته‌ها: نتایج نشان‌داد، آنیونومرها با تولید رنگ نارنجی تا قرمز شرابی، با ازدیاد مقدار جامد، افزایش گرانروی و کاهش اندازه‌ ذرات را نشان دادند. با کاهش درجه خنثی‌سازی، کاهش گرانروی و افزایش اندازه ‌ذرات دیده شد. پلیمرهای DMPA-T، با مقدار جامد بیشتر دارای پایداری پراکنه بیشتر و اندازه ذرات کوچک‌تری نسبت به DMPA-C بودند. کاتیونومرها با تولید رنگ قرمز جگری تا بنفش‌ تیره، برای نمونه‌های NMDA-C اندازه‌ ذرات کوچک‌تر و پایداری گرمایی بیشتری نسبت ‌به NMDA-T نشان‌ دادند. به‌طورکلی، آنیونومرها پایداری پراکنه بیشتر، اندازه ‌ذرات کوچک‌تر، جذب آب بیشتر، مقاومت به خراش و پایداری گرمایی بیشتری نسبت به کاتیونومرها نشان ‌دادند. T%5 نمونه‌های DMPA-T و DMPA-C به‌ترتیب 271 و 250 بود.

کلیدواژه‌ها


عنوان مقاله [English]

Synthesis of Self-Colored Nano-Sized Water-Dispersion Polyurethane Coatings with Tunable Particle Size and Color: Anionomer vs. Cationomer

نویسندگان [English]

  • Fatemeh Rafiemanzelat
  • Vahdat Adli
Organic Polymer Chemistry Research Laboratory, Department of Chemistry, University of Isfahan, Isfahan, 81746-73441,
چکیده [English]

Hypothesis: Due to the outstanding properties of polyurethanes (PUs) and their widespread uses in various industries such as coatings, adhesives, and on the other hand, increasing the environmental concern to reduce VOC during production or application of  products, waterborne PUs have attracted much attention.
Methods: In this study, a group of self-colored-PUs based-on isophorone and hexamethylene diisocyanate, PEG-400 and an azo-diol were synthetized. Dimethylol propionic-acid (DMPA) and N-methyl-diethanolamine (NMDA) were used as internal ionic groups, and then converted to the corresponding anionomer or cationomer using triethylamine or iodomethane, and finally dispersed in water by addition of water (PUDs). The effect of the anionizing group type and location (inner block (C) or outer block (T)), degree of neutralization and solid content of PUDs was studied on their dispersion viscosity and stability, color and particle size. The thermal properties, morphology, scratch resistance, and color migration of polymer films were studied. These studies were performed by rotational viscometry, DLS, FTIR and NMR spectroscopy, XRD, DMTA, TGA and DSC techniques.  
Findings: The results indicate that anionomers are orange to reddish-fire-brick, and show increased viscosity and reduced particle size by increasing solid content. They showed decreased viscosity and increased particle size by reducing the degree of neutralization. Polymers with DMPA-T block, in higher solids content, have higher dispersion stability and smaller particle size than polymers with DMPA-C block. The cationomers are reddish-brown to dark-magenta. Cationomers with NMDA-C block exhibited smaller particle size and thermal stability than polymers with NMDA-T block. Generally, anionomers exhibited greater dispersion stability, lower particle size, and higher water absorption, scratch resistance and thermal stability than cationomers. T5% of PUD-DMPA-T and PUD-DMPA-C were 27°C and 250°C; respectively.  

کلیدواژه‌ها [English]

  • polyurethane anionomer
  • polyurethane cationomer
  • water dispersion
  • self-colored polymer
  • synthesis
  1. Su J., Zhang X., Dai J., and Zhang J., Synthesis and Characterization of New Self-Colored Blue Waterborne Polyurethane Based on a Colorant Diol as Chain Extender, J. Disp. Sci. Tech., 33, 1373-1378, 2011.
  2. Zhang J., Zhang X.Y., Dai J.B., and Li, W.H., Synthesis and Characterization of Yellow Water-Borne Polyurethane Using a Diol Colorant as Extender, Chin. Chem. Lett., 21, 143-145, 2010.
  3. Lee C.K., Davis D.A., White S.R., Moore J.S., Sottos N.R., and Braun P.V., Force-Induced Redistribution of a Chemical Equilibrium, J. Am. Chem. Soc., 132, 16107-16111, 2010.
  4. Mallakpour S., Rafiemanzelat F., and Faghihi K., Synthesis and Characterization of New Self-Colored Thermally Stable Poly(amide-ether-urethane)s Based on an Azo Dye and Different Diisocyanates, Dyes Pigm., 74, 713-722, 2007.
  5. Mishra V., Desai J., and Patel K.I., (UV/Oxidative) Dual Curing Polyurethane Dispersion from Cardanol Based Polyol: Synthesis and Characterization, Ind. Crops Prod., 111, 165-178, 2018.
  6. Patel C.J., Mannari V., Air-Drying Bio-based Polyurethane Dispersion from Cardanol: Synthesis and Characterization of Coatings, Prog. Org. Coat., 77, 997-1006, 2014.
  7. Rahman M.M., Zahir Md. H., and Kim H.D., Synthesis and Properties of Waterborne Polyurethane (WBPU)/Modified Lignin Amine (MLA) Adhesive: A Promising Adhesive Material, Polymers, 8, 318-329, 2016.
  8. Xiao Y., Fu X., Zhang Y., Liu Z., Jiang L, and Lei J., Preparation of Waterborne Polyurethanes Based on the Organic Solvent-Free Process, Green Chem., 2015, DOI: 10.1039/c5gc01197c.
  9. Li Y., Noordover B.A.J., van Benthem R.A.T.M., and Koning C.E., Bio-Based Poly(Urethane Urea) Dispersions with Low Internal Stabilizing Agent Contents and Tunable Thermal Properties, Prog. Org. Coat., 86, 134-142, 2015. 
  10. Sardon H., Irusta L., and Berridi M.J.F., Synthesis of Isophorone Diisocyanate (IPDI) Based Waterborne Polyurethanes: Comparison between Zirconium and Tin Catalysts in the Polymerization Process, Prog. Org. Coat., 66, 291-295, 2009.
  11. Hercule K.M., Yan Z., and Christophe M.M., Preparation and Characterization of Waterborne Polyurethane Crosslinked by Urea Bridges, Int. J. Chem., 3, 88-96, 2011.
  12. Athawale V.D. and Kulkarni M.A., Polyester Polyols for Waterborne Polyurethanes and Hybrid Dispersions, Prog. Org. Coat., 67, 44-54, 2010.
  13. Garcıa-Pacios V., Iwata Y., Colera M., and Martın-Martınez J.M.,  Influence of the Solids Content on the Properties of Waterborne Polyurethane Dispersions Obtained with Polycarbonate of Hexanediol, Int. J. Adhes. Adhes., 31, 787-794, 2011.
  14. García-Pacios V., Jofre-Reche J.A., Costa V., Colera M., and Martín-Martínez J.M., Coatings Prepared from Waterborne Polyurethane Dispersions Obtained with Polycarbonates of 1,6-Hexanediol of Different Molecular Weight, Prog. Org. Coat., 76, 1484-1493, 2013.
  15. Xiao-dong C. and Yu-hua Y., Preparation and Characterization of Aqueous Polyurethane Dispersions Derived from Anionic Polyester Diol, Adv. Mat. Res.,549, 17-20, 2012. 
  16. Jang J.Y., Jhon Y.K., Cheong I.W., and Kim J.H., Effect of Process Variables on Molecular Weight and Mechanical Properties of Water-Based Polyurethane Dispersion, Colloids Surf. A Physicochem. Eng. Asp., 196, 135-143, 2002.
  17. Yong Q., Liao B., Huang J., Guoa Y., Liang C., and Pang H., Preparation and Characterization of a Novel Low Gloss Waterborne Polyurethane Resin, Surf. Coat. Technol., DOI:org/10.1016/j.surfcoat.2018.01.012.
  18. Honarkar H. and Barikani M.,Nanoclay Dispersion and its Effect on Properties of Waterborne Polyurethanes, Iran. J. Polym. Sci. Technol. (Persian), 26, 393-401, 2014.
  19. Mao H., Wang C., and Wang Y., Synthesis of Polymeric Dyes based on Waterborne Polyurethane for Improved Color Stability, New J. Chem., DOI: 10.1039/C4NJ02222J.
  20. Standard Test Method for Abrasion Resistance of Textile Fabrics (Oscillatory Cylinder Method), Annual Book of ASTM Standard, D4157-02-2005.
  21. Lee S.K. and Kim B.K., High Solid and High Stability Waterborne Polyurethanes via Ionic Groups in Soft Segments and Chain termini, J. Colloid Interf.  Sci., 336, 208-214, 2009.
  22. Liu K., Zhang S., Su Z., and Ma G., Preparation and Characterization of Castor Oil-Based Cationic Waterborne Polyurethane, Adv. Mat. Res. 1090, 3-7, 2015.
  23. Nanda A.K., Wicks D.A., Madbouly S.A., and Otaigbe J.U., Effect of Ionic Content, Solid Content, Degree of Neutralization, and Chain Extension on Aqueous Polyurethane Dispersions Prepared by Prepolymer Method, J. Appl. Polym. Sci., 98, 2514-2520, 2005.
  24. Harjunalanen T. and Lahtinen M., The effects of Altered Reaction Conditions on the Properties of Anionic Poly(urethane-urea) Dispersions and Films Cast from the Dispersions, Eur. Polym. J., 39, 817-824, 2003.