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行业动态

采用分散体稳定理论对水性聚氨酯分散体一些现象的解释

文字:[大][中][小] 手机页面二维码 2021/2/5     浏览次数:    
1. 水性聚氨酯微乳液低温黏度剧烈上升现象

      合成粒径小于 100 nm 的水性聚氨酯分散体,属于热力学稳定的微乳液,理论上应该是永久稳定的,但这类分散体也会产生动力学上的絮凝不稳定现象。此类分散体在低温时体系黏度激烈上升,远超出分散体流变学理论计算的温度与黏度关系的预测值,这种现象的合理解释是分散体在低温由于布朗运动的减弱出现了絮凝现象,大量粒子由弱的引力相互作用聚集而增加体系黏度。

2. 聚氨酯分散体粒径与粒径分布的变化

      实验发现水性聚氨酯分散体粒径小于 100 nm 时,粒径分布非常窄,几乎接近单分散,而粒径超过 100 nm,粒径越大其粒径分布也越宽,且粒径分布常出现双峰现象。合理的解释是粒径小于 100 nm 时,分散体属于微乳液范畴是一类热力学稳定体系,而热力学稳定的分散体的粒径分布从理论上推导就是单分散的。粒径超过 100 nm 时,粒径分布较宽及出现双峰现象,可能与分散过程的不均匀性有关,但也和分散体的动力学稳定有关。研究发现粒径大于 100 nm 的水性聚氨酯分散体在储存过程中分散体粒径会随储存时间的延长而变大,粒径分布也会随储存时间的延长而变化。有些分散体在合成出来时其粒径分布为单峰,随着储存时间的延长逐步出现双峰,且粒径大的分布峰随储存时间的延长逐步增大,小粒子逐步消失。这种粒径及粒径分布的变化是两个分散体粒子经碰撞凝结形成一个大的分散体粒子即分散体动力学慢凝结所致。前面理论已阐述了小粒子的碰撞概率较高,且小粒子与大粒子碰撞形成凝结的概率也大,因此在水性聚氨酯分散体储存时小粒子消失速度较快。储存一定时间后,体系中将有凝结形成的粒子及原有未凝结的粒子,当两种粒子独立形成分布时就出现了双峰现象。

3. 聚氨酯分散体分层现象

      当平均粒径大于 100 nm 的分散体低温长时间储存时,有可能产生分层现象,粒径大的粒子沉降到分散体底部,从肉眼上就可以观测到分层的出现,分散体底部粒径较大,浊度较高,分散体上部粒径较细,浊度较低。这种分层现象无疑是沉降造成的,同时分散体的絮凝也会加速沉降的形成。理论已阐明大粒子易形成絮凝,絮凝形成的粒子聚集团块更加速形成沉降。温度可以改变分散体的沉降速度,储存温度高布朗运动加强,当布朗运动使分散体均一性大于沉降时,沉降就不会发生,温度高时形成絮凝的可能性也下降,絮凝引起的加速沉降也会减缓。

4. 水性聚氨酯分散体的耐电解质性能

      在水性聚氨酯分散体中加入电解质会压迫双电层使粒子相互作用的位垒降低,粒子间碰撞凝结的概率提高,分散体出现不稳定现象。特别是羧酸型聚氨酯分散体添加Ca2+、Mg2+、Zn2+等与羧基能形成沉淀的离子时,离子与羧基形成不能电离的盐,双电层彻底被破坏,聚氨酯分散体表现出快凝结。

5. 水性聚氨酯分散体的热稳定性

      有时我们检验水性聚氨酯分散体的稳定性采用一种所谓的热老化实验,将分散体放入 60 ℃的恒温烘箱中,观测分散体储存变化,通常观测到的实验现象是随着存放时间的增加,分散体浊度增加,说明平均粒径增加,到一定时间可以观测到分散体分层破乳现象。通常以 60 ℃的恒温烘箱中 7 d 未分层破乳就认为分散体具有良好的稳定性。

      采用这种聚氨酯分散体的热不稳定性检验分散体稳定性的实验实质上是不全面的,实际上实验检验的是分散体的抗凝结性能而不是分散体全部的稳定性能。分散体粒子在高温下,粒子布朗运动增加,粒子获得更大的动能,其碰撞速度和碰撞形成凝结的概率都上升。粒子碰撞凝结形成大的粒子,使得分散体粒径增加,粒径增加又会加速沉降最终形成分层破乳。

      非离子型水性聚氨酯分散体对温度更加敏感,这是由于其他原因造成的,凝结也在其中起到一定作用但不是关键因素。非离子型聚氨酯分散体通常是采用聚乙二醇链段作为亲水功能链段,实质上聚乙二醇链段本身亲水性不高,聚乙二醇链段只有与水分子形成氢键缔合后的水合聚乙二醇链段才具有良好的亲水性,也就是说非离子型聚氨酯分散体中起稳定作用的功能链段不是聚乙二醇链段而是水合聚乙二醇链段。高温会破坏水与聚乙二醇链段与水的缔合,使亲水的水合聚乙二醇链段失去亲水性造成分散体凝聚。

6 结语

      胶体分散体的稳定理论还处于发展之中,分散体粒子间作用极为复杂,目前理论还是一种理想状态下的简化。还达不到定量解释分散体稳定。但在定性的层面,现有分散体稳定理论无疑是正确的。水性聚氨酯分散体作为一种特殊分散体,其稳定与常规胶体有共性的地方,但由于聚氨酯分散体粒子结构的特殊性它与常规分散体在稳定方面还存在个性的地方。目前对水性聚氨酯分散体稳定的理论研究还未深入,本文仅仅是采用现有理论对水性聚氨酯分散体稳定方面的一些现象进行分析和解释。期望本文对读者在处理水性聚氨酯稳定性问题时能起到一点参考作用。

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