Page 109 - 《精细化工》2020年第5期

第 5 期 王伟烽，等: 纳米 SiO 2 改性水性聚脲的制备与性能 ·959·

从图 4 可以看出，经过改性的水性聚脲涂膜的
分解温度比未改性的提高了 10 ℃左右。当质量保
留率为 90%时，未改性的水性聚脲的分解温度为
261.4 ℃，而经纳米 SiO 2 改性的水性聚脲的分解温
度则为 271.7 ℃；当质量保留率为 10%时，经过改
性的水性聚脲涂膜的分解温度同样比未改性的提高
了 10 ℃左右。当质量保留率为 50%时，改性的水
性聚脲相比未改性的水性聚脲分解温度也提高了
10 ℃左右；当涂膜的质量几乎不再分解时，未改性

图 3 纳米 SiO 2 含量对改性水性聚脲涂膜力学性能的影响 的水性聚脲涂膜质量保留率为 0.96%左右，而经过
Fig.3 Effect of nano-SiO 2 content on the mechanical 改性的涂膜则还剩余 3.64%左右，热稳定性明显改
properties of the modified waterborne polyurea films
善。这主要是因为纳米 SiO 2 具有优异的耐热性，硅
从图 3 可以看出，随着纳米 SiO 2 含量的增加， 氧键（—Si—O—Si—）具有非常高的键能，另外，
纳米 SiO 2 表面的羟基（—OH）和聚脲分子中的异
涂膜的拉伸强度先升高然后又降低，断裂伸长率却
持续不断下降。这是因为纳米 SiO 2 粒子属刚性粒子， 氰酸根（—NCO）反应也能形成比较稳定的化学键。
化学键强度大，是良好的分散体，通过 KH550 接入 因此，改性的水性聚脲受热分解时需要吸收更多的能
到聚脲分子链中，并且分布均匀，可以降低应力集 量，故热分解温度升高。此外，纳米 SiO 2 具有较好
中，另外聚脲分子链中存在的 Si—O—Si 键，具有 的阻碍传热的性能，进一步延缓了改性水性聚脲涂
很高的键能，化学键的强度比较大，因此可以显著 膜的分解。
提升聚脲的拉伸强度。但当纳米 SiO 2 过量时，未反 2.6 水性聚脲乳液的 TEM 分析
水性聚脲乳液的 TEM 图见图 5。
应的纳米 SiO 2 会发生团聚现象，从而导致纳米 SiO 2

跟聚脲之间的相容性变差，所以改性水性聚脲的拉伸
强度呈先上升后下降的趋势。另外，由于纳米 SiO 2
属刚性粒子，水性聚脲的断裂伸长率会随着纳米 SiO 2
含量的增加而降低。当纳米 SiO 2 含量为 2.0%时，改
性水性聚脲的拉伸强度可达 29.7 MPa，断裂伸长率
可达 265%，远大于有机硅改性水性双组分聚氨酯的
拉伸强度（8.7 MPa） [11] 。
2.5 涂膜 TGA 分析

图 4 中曲线 a 为未改性涂膜的热失重曲线；曲 图 5 未改性水性聚脲（a）和改性水性聚脲（b）的 TEM 图
线 b 为质量分数 2.0%纳米 SiO 2 改性后的涂膜热失重 Fig. 5 TEM images of (a) unmodified waterborne polyurea
曲线。 and (b) modified waterborne polyurea

从图 5 可以看出，未改性的水性聚脲乳胶粒子
间隙较大，经纳米 SiO 2 改性后，乳胶粒子间隙变小，
半径变大，表明纳米 SiO 2 已经成功接入到聚脲分子链

中。从图 5 还可以看出，存在于水性聚脲中的纳米 SiO 2
的分散性较好，没有出现团聚现象。
2.7 水性聚脲薄膜断面的 SEM 分析
不同水性聚脲薄膜断面的 SEM 图见图 6。
从图 6 可以看出，未改性的涂膜截面比较光滑。
当加入 2.0%纳米 SiO 2 后，涂膜中出现很多小白点，

并且分散良好，说明纳米 SiO 2 与聚脲分子的相容性
图 4 未改性和 2.0%纳米 SiO 2 改性涂膜的 TGA 曲线
Fig. 4 TGA curves of unmodified and 2.0% nano-SiO 2 良好。当加入 3.0%纳米 SiO 2 后，涂膜中出现了白色
modified coating films 块，表明纳米 SiO 2 发生了团聚，分散性变差。