水性PU材料之結構與物性及機能性應用

刊登日期:2015/7/5
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為提高紡織品之附加價值,透過後整理加工賦予紡織品高機能性及高官感性的產品開發為當前重要課題。其中,在織物的塗佈加工上,聚氨基甲酸酯(Polyurethane;PU)為不可欠缺的加工材料。
 
過去傳統使用的溶劑型PU為分散及工程上之操作,必須使用大量溶劑,但有機溶劑易燃易爆、易揮發、氣味大,且於硬化過程中溶劑將大量釋出,造成空氣及生態環境污染,影響公共安全及操作人員之健康。近十多年來,由於保護地球環境輿論壓力與日俱增、環保意識抬頭、溶劑價格高漲及工業安全備受重視,部分先進國家已制定了消防法規及溶劑法規,限制VOC(Volatile Organic Compound)之含量,因此溶劑型PU發展已受限制,水溶性PU之製備及親水化之改質研究應運而生。
 
PU就軟鏈段種類不同可分為酯型及醚型,另就硬鏈段種類不同亦可分芳香族型及脂肪族型。構造不同影響PU成型物的物性甚鉅,將各聚醇類型之特性歸納為表一。一般而言,聚酯型PU具較佳之耐熱性、斷裂強伸度及濕式成型性;聚醚型PU則具有較低之低溫可撓性、初期彈性模數,其中尤以Polytetramethyleneglycol(PTMG)系PU具最佳之鏈可撓性,同時具有防黴等特性。
 
PU在紡織品塗佈加工之應用可分為三方面,織物透濕防水、人工皮革及各種特殊機能產品之應用(生醫材料等);織物透濕防水及合成皮革用PU又可分為濕式成型用油性PU、乾式親水型PU、W/O乳化型PU及高透濕PU接著劑等。
 
表一、軟硬鏈段類型對PU性質之影響
 
PU構造對成型材料物性之影響 
1. 硬鏈段構造之影響
探討二異氰酸鹽種類對PU成型材料性質之影響中發現,MDI、TDI等芳香族型Diisocyanate比脂肪族型Diisocyanate具有較大之立體障礙(Steric Hindrance),故芳香族系列材料具有類似橡膠之彈性強度,惟光安定性較差、易產生黃變現象;相反的,HDI、IPDI及H12MDI等脂肪族Diisocyanate則具有較佳之光安定性,但其活性低,故於合成時須添加觸媒進行反應。
 
2. 軟鏈段構造之影響
Polytetramethylene Adipate Diol(PBA)、PTMG、Polycaprolactone Diol(PCL)、Polypropylene Glycol(PPG)、Polyisobutylene Glycol(PIB)、Polybutadiene Glycol(PBD)及Polydimethyl Siloxane Diol(PDMS)等聚醇化合物為軟鏈段,探討PU成型材料之S-S Curve、熱學性質及相分離等,發現非極性之軟鏈段會降低PU材料強度。固定軟鏈段種類,探討軟鏈段分子量及含量對其成型材料S-S Curve、Tg及動態黏彈等物性之影響,發現軟鏈段含量達40~60%時,PU材料具有最理想之機械性質。以混合聚二醇化合物為軟鏈段,進行成型材料物性之研究,發現混合聚二醇化合物系PU亦會生成部分相混合,且於低溫下具較高之模數及較佳之溶劑抵抗性。
 
3. 鏈延長劑構造之影響
以Diamine及Diol為鏈延長劑,比較其PU成型材料之物性,發現Diamine會促進軟硬鏈段之Domain間相分離程度增大,且Hard Domain間之界面(Interface)厚度增加,具有較佳之物性及較高之Tm,而Diol則……以上內容為重點摘錄,如欲詳全文請見原文
 
作者:張昌榮、劉瑞珍、張芬梅/工研院材化所
本文節錄自「工業材料雜誌」343期,更多資料請見下方檔案。 

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