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8-萘酰亚胺(DHHNA)作为扩链剂引入聚氨酯链段中

作者:admin    来源:未知    发布时间:2018-12-25 12:36    浏览量:

  :将荧光染料4-二甲胺基-N-(2-羟基-1-羟甲基乙基)-1,8-萘酰亚胺(DHHNA)作为扩链剂引入聚氨酯链段中,再用丙烯酸羟乙酯封端,与2-羟基-4-丙烯酸酯基二苯甲酮(HAB)共聚制备得到荧光耐紫外丙烯酸改性聚氨酯(PUH)。

  通过傅里叶变换红外光谱(FT-IR)、1HNMR核磁共振谱、UV-Vis吸收光谱、荧光发射光谱、凝胶渗透色谱(GPC)、热重分析(TG)等方法分析验证了PUH的结构、荧光性能以及热学性能。结果表明:PUH荧光性能优于DHHNA单体,且热学性能良好,适合作为颜料用于粉末涂料。

  在应用测试中,将PUH作为荧光颜料用于热固性聚酯粉末涂料的制备.其耐溶剂性、迁移性、耐高温性、耐紫外性均显著优于商品化荧光颜料HK-17。最终经过筛选,DHHNA添加量为2.5%、HAB添加量为4%制得的PUH性能最优。

  粉末涂料由于无VOC排放的环保优势逐渐获得关注,而目前使用的荧光颜料大多是将染料混入树脂中粉碎得到的-类荧光树脂颜料。随着行业需求的提高,聚合型颜料凭借其卓越的相容性和耐迁移性,越来越受到重视。

  聚合型颜料是将染料分子键合到高分子体系中,这类聚合物作为颜料使用具有很高的生理安全性,可用于婴幼儿用品和食品包装的着色。而目前将荧光小分子键合到聚氨酯中的研究国内外已有报道,Wang等将3-氨基-N-乙基咔唑修饰上双键后.与丙烯酸改性的聚氨酯共聚得到-种水性荧光聚氨酯并将其用于纤维染色。

  基于此,若使染料直接参与热塑性聚氨酯的聚合,其产物可用作高端荧光颜料用于粉末涂料中。

  随着气候变化,紫外线辐照的强度逐渐增强,很多室外用品都要求具备优良的耐紫外性。由于具有二苯甲酮结构的紫外吸收剂可以形成独特的分子内氢键,吸收紫外光后,氢键可以通过分子内热运动的断裂来完成能量转化。将二苯甲酮高分子化可用于化妆品、涂料等领域,如Tang等报道了一种二苯甲酮衍生物和葡萄糖衍生物共聚得到的高分子紫外吸收剂,扩大了紫外吸收范围。但将二苯甲酮键合进入高分子链段用于颜料领域尚未有报道。

  商品化荧光颜料存在耐迁移性差、耐紫外老化能力弱的缺点。因此,研发制备同时具有耐紫外性和耐迁移性的荧光颜料具有重要意义。鉴于此,本文将实验室自制的含有双羟基的荧光染料4-二甲胺基-N-(2-羟基-1-羟甲基乙基)-1,8-萘酰亚胺(DHHNA)作为扩链剂引入聚氨酯后,将实验室自制的2-羟基-4-丙烯酸酯基二苯甲酮(HAB)用丙烯酸改性的方法引入到聚氨酯末端,得到了黄色荧光的丙烯酸改性聚氨酯(PUH)体系,考察了PUH的荧光特性和热学性能。将其用于聚酯粉末涂料中,与商品颜料在耐溶剂性、耐迁移性、耐紫外性以及耐高温性上进行了对比。

  DHHNA、HAB:实验室自制;聚己二酸-1,4-丁二醇酯二醇(PBA1000):工业级,济宁百川化工有限公司;异佛尔酮二异氰酸酯(IPDI)、二月桂酸二丁基锡:分析纯,上海阿拉丁试剂有限公司;1,4-丁二醇:分析纯,上海泰坦化学有限公司;丙烯酸羟乙酯:98%,上海迈瑞尔化学有限公司:偶氮二异丁腈:分析纯,上海迈瑞尔化学有限公司:商品化荧光颜料HK-17:工业级,黄山加佳化学有限公司:聚酯树脂(CE2098):工业级,浙江天松新材料有限公司;三缩水甘油基异氰尿酸酯(TGIC):工业纯,黄山华惠精细化工有限公司;流平剂等助剂:宁波南海化工等。

  首先取5gPBA1000油浴加热抽线ml四氢呋喃,开启磁力搅拌,加入2.355gIPDI,滴加催化剂二月桂酸二丁基锡1-2滴,80℃下反应2h,继续加入0.225gDHHNA染料反应1h后,加入0.325g1,4-丁二醇反应1h,继续加入0.156g丙烯酸羟乙酯封端反应1.5h,最后加入一定量甲醇确保无残留异氰酸酯基团。降温至70℃后,加入0.360gHAB,缓慢滴加溶于四氢呋喃(THF)的偶氮二异丁腈(AIBN)5mg,氮气氛围下反应24h。

  结束后用石油醚沉淀3次,洗去未反应的小分子,置于聚四氟乙烯磨具中,40℃烘箱中干燥成弹性体。同样的方法可得到不同DHHNA质量分数和HAB质量分数的荧光聚氨酯。编号PUH-2.5%/4%对应DHHNA染料质量分数为2.5%、HAB质量分数为4%的样品。合成过程如图1所示。

  熔点采用SGWX-4型显微熔点仪(上海精密科学仪器有限公司)进行测定。绝对荧光量子产率(QY)使用FLS980荧光光谱仪(英国爱丁堡公司)进行测定。相对分子质量及分布使用Agi1ent1100凝胶渗透色谱仪(美国Agi1ent公司)进行测定,以四氢呋喃为淋洗液,流速为1.0mL/min,校正标准样使用单分散聚苯乙烯。

  热重和DSC分别使用Q5000IR热重分析仪和DSCQ2000差示量热扫描仪(美国TA公司)进行测定,升温速率均为10℃/min。

  将制得的粉末涂料喷涂制板,于200℃固化10min后在恒温室放置24h,进行后续测试。

  耐迁移性测试:参考BSEN14469-3:2004中颜料试验,将样板与含5%钛白粉的PVC片以1kg/cm3的压力在温度80℃条件下紧密贴合放置24h后,用测色仪判定灰卡等级。5级表示无迁移,1级表示迁移严重。

  耐溶剂性测试:将PUH使用索氏提取器用乙醇回流萃取6h。用UV-Vis吸收光谱法测定萃取液中荧光染料的质量.该质量与乳胶膜对应合成配方中所用染料的质量比为萃取率。

  耐紫外性测试:将已着色的样板放置在ZW-P紫外老化箱(奥贝斯设备有限公司)中,紫外波长280~310nm,温度60℃,辐照时间240h。辐照结束后,使用测色仪对辐照前后样板测色,取样并使用荧光分光光度计测试前后荧光强度变化。

  耐高温性测试:将荧光颜料置于180℃烘箱中6h,冷却至室温后再进行粉末涂料以及涂层的制备并测色。

  本研究将含有双羟基的荧光染料DHHNA作为扩链剂引入聚氨酯后,又将HAB用丙烯酸改性的方法引入到聚氨酯末端.得到了黄色荧光的丙烯酸改性聚氨酯PUH体系。

  以样品PUH-2.5%/4%为例,测定了PUH的红外光谱和1HNMR谱图,如图2和图3所示。

  如图2所示,纯聚氨酯PU-0/0的红外光谱有5个明显的特征峰。3369cm-1处较宽的吸收峰归属于N-H基团;2952cm-1叫处的吸收峰归属于IPDI上的-CH3不对称伸缩振动峰;在1720cm-1处的较为尖锐的峰归属于-NCO与-OH反应生成的氨基甲酸酯中C=O的吸收峰;在1520cm-1处的峰归属于氨基甲酸酯的吸收峰;在1130-1245cm-1之间的吸收峰归属于聚酯二元醇链段中酯基C--O基团伸缩振动峰。PUH与纯聚氨酯的红外光谱基本一致,表明了聚氨酯的特性.但由于DHHNA和HAB添加量较低,FT-IR光谱识别度不足。

  如图3所示,与纯聚氨酯PU的核磁谱图相比,PUH在δ=5.87-8.58之间分别归属于DHHNA和HAB在苯环上的氢,在δ=3.13处对应DHHNA二甲胺基上的氢,在δ=12.68处对应的是HAB苯酚上的氢,由于氢键的影响,有向低场移动的趋势。1HNMR谱图有效证明了PUH聚合物的成功合成。

  为了验证PUH聚合物的成功制备,实验进一步测试了PUH的相对分子质量,结果如表2所示。

  由表2可以看出:当不加入HAB改性时得到的荧光聚合物PUH的质均相对分子质量在11000左右、PDI=1.86;当使用HAB进行丙烯酸改性后PUH的质均相对分子质量提高至22000左右,原因推测是丙烯化改性可有效增大聚合物的相对分子质量。

  结合以上图谱可以得出,实验成功制备出了具有聚氨酯特征结构的PUH。且其相对分子质量达到高分子聚合物标准,核磁共振氢谱有效证明了分子链段中DHHNA和HAB的存在。

  从图4可以看出,HAB的最大吸收峰为290nm和328nm。而将HAB通过丙烯酸改性引入到聚氨酯体系后,谱图中清晰地出现了HAB的特征吸收峰,同时在412nm左右出现了DHHNA的紫外吸收峰,而且HAB和DHHNA两者吸收峰不重合,说明HAB的引入不会影响聚合物的荧光特性。

  为确定PUH颜料的荧光单体添加量,图5给出了在不添加HAB时,随DHHNA单体添加量的增加PUH聚合物荧光强度的变化曲线。

  从图5可以看出,随着荧光单体DHHNA用量的增加。荧光聚氨酯PUH的荧光强度出现先增大后减小的趋势,但所有的荧光聚合物荧光强度均高于单体DHHNA。因为随着荧光染料键合到聚氨酯中,聚氨酯特有的微相分离结构可以减少染料分子之间的碰撞导致的自猝灭效应,但随着其浓度逐渐升高,过高的浓度会使碰撞的几率增加,从而造成荧光强度下降。从图中可以看到当DHHNA浓度在2.5%时,PUH的荧光强度达到最大值。

  从图6可以看到,HAB通过丙烯酸改性键合到聚氨酯体系后,基本不影响PUH的荧光强度。

  实验还测定了PUH的绝对荧光量子产率QY,该数值代表了物质发射光子数和吸收光子数的比值.结果如表3所示。

  从表3可以看出,将DHHNA单体键合到聚氨酯体系中后,PUH的绝对荧光量子产率都有所提高.说明将荧光染料高分子化可有效提升荧光量子产率。

  为了考察实验产物是否可应用于颜料领域。而聚合物的热学性能代表了其加工性能,所以实验测定了PUH的热重曲线和DSC曲线所示。

  从图7可以得到.PUH-2.5%/0的热分解温度可观测到为295℃,而将HAB通过丙烯酸改性引人到聚氨酯体系后,PUH-2.5%/4%的热分解温度有所下降,但仍有265℃,可有效保证作为颜料着色时不会出现热分解情况。

  从图8可以明显看到。未经过丙烯酸改性的PUH在44.28~46.20℃之间出现了聚氨酯软段的熔融峰,而硬段熔融峰高于150℃,经过丙烯酸改性后影响了聚氨酯的微相分离结构,在36.42~42.02℃之间出现了很强的熔融峰,同时在应用实验中,该样品在50℃左右即可完全熔化。这种独特的性能有助于作为颜料使用,极低的熔融温度有助于荧光聚合物良好地分散在着色物中。

  将PUH作为荧光颜料应用于粉末涂料的制备,并与商业化的荧光颜料进行性能对比,考察了PUH的应用效果。

  实验测试了不同荧光颜料着色热固性聚酯树脂粉末涂料涂层后的耐迁移性,结果如表5所示。

  从表5可得到,商品化荧光颜料HK-17着色涂层灰卡评级2.62,而实验中一系列荧光丙烯酸改性聚氨酯PUH着色后的涂层评级在4~5,耐迁移性优秀。

  实验用UV-Vis吸收光谱法定量测定萃取液中荧光染料的质量,从表6可得,荧光丙烯酸改性聚氨酯PUH耐溶剂性优秀,而商品化荧光颜料基本溶解于乙醇溶剂,耐溶剂性差。

  测试数据表示的是紫外照射后涂层和原涂层之间的变化情况。Dl+表示深浅;DC+表示色饱和度;DH+表示色调;DE+表示总色差,其数值为前三者的平方和,代表两者之间总的色彩差距,其数值越小,说明前后色彩变化越小。相对着色强度是一个半定量指标,指的是样品颜料和对比颜料染色深度对比的数值,是表示颜料着色能力的重要指标。

  从表7可以得出。经过较长时间紫外辐照后,商品化荧光颜料HK-17制备的涂层色差值超过5,肉眼可见出现了明显的变化,而实验合成的PUH涂层色差均小于HK-17,随着HAB通过丙烯酸改性引入聚氨酯后,总色差可明显降低至3以下,而相对着色强度随着HAB引入量的增加出现了下降的趋势,推测HAB的引入对着色强度有负面影响,综合考虑以上两点,PUH-2.5%/4%体系最优。

  从图9中可以直观地看到商品化颜料HK-17制备的涂层耐紫外性差,在长期的紫外辐照后,色差出现了明显的变化,日光下其荧光性能基本消失,而PUH涂层紫外辐照前后肉眼观测不出变化。

  从图10可以看出,经过紫外老化后,着色涂层的荧光强度均有所下降,商品化颜料HK-17着色粉末涂料涂层的最大荧光强度下降了64.4%,而PUH着色涂层经过紫外老化后最大荧光强度仅下降8.5%。耐紫外性优秀。

  实验考察了高温环境对PUH和商品颜料着色能力的影响,涂层的检测结果如表8所示。

  从表8可以看出,商品化颜料HK-17在180℃高温下烘烤6h后着色性能较差,总色差值较大,且相对着色强度下降较大,而PUH-2.5%/4%荧光颜料在180℃环境中,着色性能和正常情况下相差不大,说明PUH具有较好的耐高温特性,可使用的温度范围较大。

  利用分子中有双羟基的荧光染料DHHNA和含有活泼双键的紫外吸收剂HAB结构上的特点,将DHHNA作为扩链剂引入聚氨酯体系中,同时HAB通过丙烯酸改性引入到聚氨酯链段的末端,制备出荧光耐紫外丙烯酸改性聚氨酯PUH。通过FT-IR和1HNMR验证了结构;实验结果表明PUH荧光性能优于DHHNA单体,且热学性能良好,适合作为颜料用于粉末涂料行业。

  在应用测试中,以PUH为荧光颜料制备热固型聚酯树脂粉末涂料,涂层耐迁移性、耐高温性、耐紫外性均显著优于商品化荧光颜料HK-17涂层。其优异的性能有望在粉末涂料行业中推广使用。最终经过筛选,DHHNA添加量为2.5%、HAB添加量为4%时得到的PUH性能最优。

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