丙烯酸聚氨酯復(fù)合乳液（PUA）的成膜機(jī)理研究
PUA的應(yīng)用越來越廣，有必要進(jìn)一步深入了解。
丙烯酸聚氨酯復(fù)合乳液的成膜通過測(cè)定接觸角、原子力顯微鏡等，研究了核殼結(jié)構(gòu)水分散體的成膜情況，認(rèn)為成膜物表面主要組分是聚氨酯鏈段。
成膜包括以下過程：
隨著水分的揮發(fā)，分散體顆粒一方面和底材接觸并在底材上附著，另一方面顆粒粒子間的距離也逐漸減小；
當(dāng)水分基本揮發(fā)完后，分散體粒子緊密堆集在一起；
由于聚氨酯相和聚丙烯酸酯相間的不相容性，分散體粒子的聚氨酯部分將在干燥過程重新排列，一部分將向上運(yùn)動(dòng)，一部分將向下運(yùn)動(dòng)，最終形成一種三明治結(jié)構(gòu)。其結(jié)果是涂膜的一些表面性能與聚氨酯類似，如接觸角等，附著力也與聚氨酯類似，聚丙烯酸酯則在涂膜內(nèi)部起著填充作用。
丙烯酸聚氨酯復(fù)合乳液涂料施工在基材后，隨著水分大量蒸發(fā)，分散在水介質(zhì)中的膠粒粒子開始接觸，形成粒子堆積體，粒子之間的縫隙被水填滿；由于毛細(xì)管的作用力，縫隙間的水進(jìn)一步逸出，粒子發(fā)生形變，使不同粒子間的聚合物分子擴(kuò)散；當(dāng)熱力學(xué)和擴(kuò)散動(dòng)力學(xué)達(dá)到平衡時(shí)，便形成穩(wěn)定的聚合物膜。
丙烯酸聚氨酯粒子之間開始接觸時(shí)，粒子主要受到界面張力(Fs)、重力(G)、毛細(xì)管作用力(Fc)、粒子間同性電荷的排斥力(Fe)、范德華力(Fv)及形變恢復(fù)力(Fd)的影響，其中Fs、G、Fc、Fv有利于粒子聚集，而Fe、Fd對(duì)粒子聚集不利。要使粒子聚集，發(fā)生形變并最終成膜，前4項(xiàng)之和必須大于后2項(xiàng)之和。
Fs+G+Fc+Fv＞Fe+Fd
粒子成膜是首先從靠近基質(zhì)的一面開始，此時(shí)靠近基質(zhì)的粒子除了受上述幾種力的作用外，還受到基質(zhì)表面作用力的影響。極性基質(zhì)富含極性基團(tuán)(羥基、羧基等)，和極性較大的PU吸引力較強(qiáng)，導(dǎo)致聚氨酯相向基質(zhì)表面遷移。由于丙烯酸聚氨酯粒子具有黏彈性且粒子間的作用力首先發(fā)生在殼層上，并假定粒子核與殼之間只有分子之間作用力(Fv)且粒子體積很小，水對(duì)粒子的浮力可忽略不計(jì)，那么粒子在成膜過程中，由于所受的各種力不平衡，必然使核與殼之間發(fā)生極性形變，使核裸露。當(dāng)裸露的核相遇時(shí)，由于不存在電荷作用力和毛細(xì)管作用力，因此裸露的核會(huì)通過分子擴(kuò)散融合。核的裸露現(xiàn)象已由單層粒子的TEM照片得到證實(shí)。成膜的最后階段是上層粒子的凝結(jié)，由于最后的水分總是通過與空氣接觸的表面逸出，使得親水性的聚氨酯同時(shí)富集在成膜時(shí)與空氣接觸的表面上。
通過采用X射線光電子能譜(XPS)技術(shù)，對(duì)具有核殼結(jié)構(gòu)的PUA乳液的膜表面進(jìn)行研究，結(jié)果證明丙烯酸聚氨酯復(fù)合乳液膜的表面為富集聚氨酯相。采用衰減全反射-傅里葉變換紅外光譜法(ATR-FTIR)和光電子能譜(ESCA)技術(shù)，表征丙烯酸聚氨酯復(fù)合乳液在玻璃基材成膜后的表面結(jié)構(gòu)和組成，測(cè)定了不同液體在丙烯酸聚氨酯膠膜表面上的接觸角及丙烯酸聚氨酯涂膜的耐磨性。結(jié)果表明，丙烯酸聚氨酯乳液成膜時(shí)與空氣接觸面和與玻璃接觸面的表面組成和耐磨性，接近于聚氨酯的表面特性。研究還發(fā)現(xiàn)丙烯酸聚氨酯膜中聚氨酯和聚丙烯酸酯的組成呈“雙向梯度”分布，即在沿膜的兩個(gè)表面方向聚氨酯的含量逐漸增加，而丙烯酸的含量逐漸降低。
