Einbringen von Organosilicium-Modifikationen in wasserbasierte Polyurethane

Aufgrund ihrer dendritischen Struktur und Eigenschaften weisen hyperverzweigte Polymere zahlreiche Hohlräume, Verzweigungspunkte und eine nahezu sphärische Architektur auf. Die Herstellung hyperverzweigter Polymere ist unkompliziert und erfordert keine Reinigung. Ihre direkte Verwendung als Werkstoffe wird jedoch durch das Fehlen von Molekülkettenverschlingungen erschwert. Um diese Einschränkung zu überwinden, bietet das Aufpfropfen von linearem Polyurethan auf hyperverzweigte Polymere einen doppelten Vorteil: die Verbesserung der mechanischen Eigenschaften und die Nutzung der verzweigten Struktur und der engen Wasserstoffbrückenbindungen hyperverzweigter Polymere.

Zunächst wurde hyperverzweigtes Polyurethan (HPU) mit terminalen Tibiagruppen aus Toluol-2,4-diisocyanat (TOI) und Diethanolamin (DEOA) als Ausgangsmaterialien und DMAC als Lösungsmittel synthetisiert. Anschließend wurden unter Verwendung von Polycarbonatglykol (CPCDL) und TOI als Ausgangsmaterialien ein lineares Oligomer (A2) mit einer Isocyanat-Endgruppe hergestellt. Durch Reaktion dieser Komponenten wurde ein hyperverzweigtes Polyurethan mit Isocyanat-Endgruppen erzeugt und anschließend durch Zugabe eines geeigneten Silan-Haftvermittlers (KH550) ein Hybrid-Polyurethan generiert.

Im letzten Schritt wurde das nicht umgesetzte Isocyanat unter Umgebungsbedingungen nass ausgehärtet, wodurch ein Hybrid-Polyurethanfilm entstand. Dieses Produkt wird als HPU-KH550-n bezeichnet. Dabei steht HPU für das hyperverzweigte Polyurethan, KH550 für das Silan-Haftmittel und n für das Molverhältnis von KH550 zu Isocyanat.

Die Analyse funktioneller Gruppen, Wasserstoffbrückenbindungen, thermogravimetrischer Eigenschaften und des mechanischen Verhaltens mittels Infrarotspektroskopie zeigte, dass die zahlreichen funktionellen Gruppen, wie z. B. leichte Gruppen, Aminoestergruppen und Pulsgruppen, innerhalb der hyperverzweigten Polyurethanstruktur die Bildung multipler Wasserstoffbrückenbindungen innerhalb des Moleküls begünstigten. Die Konzentration des Silan-Haftvermittlers hatte einen deutlichen Einfluss auf die thermischen und mechanischen Eigenschaften der Polymere. Die Polymerkomponenten wiesen mit steigendem KH550-Gehalt eine erhöhte Wärmebeständigkeit auf, wobei die Zersetzung bei 200 °C einsetzte und die maximale Gewichtsverlustrate bei 362 °C erreicht wurde. Die Zugfestigkeit des Polymers nahm jedoch mit steigendem KH550-Gehalt allmählich ab und erreichte 44 MPa bei einem Verhältnis von n(NCO):n(NCO) = 0.30.

Organosilicium-modifiziertes wasserbasiertes Polyurethan Die Synthese umfasst zwei Hauptschritte. Zunächst wird ein Polysiloxan-Polyurethan-Blockcopolymer synthetisiert und anschließend in Wasser dispergiert. Die Siloxan-Hydrolyse-Kondensationsvernetzung verbessert die Eigenschaften des wasserbasierten Polyurethans und führt zu einer vernetzten, wasserbasierten Polyurethandispersion. Je nach Zugabereihenfolge der Siloxanmonomere oder Polysiloxanoligomere lässt sich dieses Verfahren in ein einstufiges und ein schrittweises Zuführungsverfahren unterteilen.

Das einstufige Zuführungsverfahren beinhaltet die gleichzeitige Zugabe der Hauptrohstoffe und der Organosiliciummonomere oder Polysiloxanoligomere in den Reaktor während der Präpolymersynthese. Die Präpolymerisationsreaktion dauert 5–6 Stunden, wobei Aceton zur Viskositätsreduzierung zugesetzt wird. Sobald der Gehalt an -NCO-Gruppen den theoretischen Wert erreicht hat, wird die Temperatur gesenkt, ein Lösungsmittel zur Viskositätsreduzierung zugegeben und nach gründlichem Mischen ein neutralisierendes Salzungsmittel hinzugefügt. Anschließend wird destilliertes Wasser zur Dispersion zugegeben, und die Kettenverlängerung mit Ethylendiamin (EDA) führt zur Herstellung einer aminosiloxanmodifizierten, wasserbasierten Polyurethan-Kompositlösung.

Es ist wichtig zu beachten, dass diese Vorgehensweise keine stabile Lotion ergibt. Die resultierende Lotion weist ein milchiges Aussehen mit großer Partikelgröße und unzureichender Filmbildung auf.