水系ポリウレタンバインダーの研究経過と分析

現在、包装・印刷業界では、二軸延伸ポリプロピレン（BOPP）フィルム、ポリエチレン（PE）フィルムなどの印刷・包装用フィルム基材の第一位はポリオレフィンフィルムであり、次にポリエチレンテレフタレートグリコールが続いている。エステル（PET）フィルム、ナイロン（PA）フィルムなど。水系ポリウレタンの分子鎖は極性基を多く含み、表面張力が高くなります。したがって、WPU インクは、PET や PA などの極性の高い基材の表面コーティングに適しています。重要な印刷基材としての BOPP は表面エネルギーが低いため、WPU は表面が濡れにくく、印刷品質が低下します [2-4]。

BOPP フィルム基材への WPU インキの塗布性を向上させるために、現在主に採用されている方法は、印刷前にフィルムにコロナ処理やコーティング処理などの表面処理を施し、カルボキシル基や水酸基などの極性基を付与する方法です。グループが表面に導入されます。、BOPP フィルムの表面張力を高め、それによって WPU インクの濡れ性と密着性を向上させます。第二に、シリコーン、塩素化ポリプロピレンなどの接着促進剤を水性インクに添加すると、水性インクの接着力が低下する可能性があります。表面張力。3 番目は、WPU の分子構造を慎重に設計して、分子鎖内の極性基の含有量と表面張力を低減し、BOPP フィルム上での印刷品質を向上させるという目標を達成することです。これは現在、より研究されている方法の 1 つです。

シリコーンは、表面エネルギーが低く、生体適合性が高く、熱安定性が高く、耐酸素性があるという利点があり、ポリウレタン材料の改質に広く使用されています[5]。リーら。[6] は、ポリオルガノシロキサンを使用した WPU エマルジョンのブレンド改質とその場改質を研究し、物理的ブレンド法の使用により WPU の表面エネルギーをより効果的に低減できることを発見しました。含フッ素化合物の低い表面エネルギーを利用して、水系ポリウレタン分子に含フッ素基を導入することで、水系ポリウレタンの表面エネルギーを効果的に低減し、疎水性を向上させることができます。たとえば、Xu et al. [7] ドデカフルオロヘプチルメタクリレート (DFHMA) を水酸化修飾して EDFHMA を合成し、その後アルコール化ラクチドと反応させてフッ素含有グリコール (PLPF) を合成し、その後ヘキサメチレンジオールと反応させてイソシアネート (HDI) 反応によってポリウレタンを調製しました。対照群と比較して、EDFHMA を含む WPU の表面エネルギーは 20 mN/m 近く減少しました。さらに、関連する研究では、長い脂肪側鎖を WPU 分子鎖にグラフトすると WPU の表面張力も低下し、WPU のフィルム形成プロセス中に長い脂肪側鎖がフィルム表面に凝集するため、有益であることが示されています。低極性物質との相互作用に影響します。同様の相溶性効果が BOPP フィルムでも発生し、BOPP フィルム表面への WPU の接着力が向上します。これに基づいて、Zhang et al。[8] は、BOPP フィルム印刷に適した WPU ラテックスを調製するために、長分岐脂肪族鎖を持つ液体ポリエステル ポリオール BY3003 を使用しました。BY3003 は、従来の WPU ラテックスの表面張力が 55 mN/m を超えるのに対し、製造されたラテックスの表面張力は 43 mN/m を超えません。したがって、これらのラテックスから作られたインクの T 剥離強度は 0.8 N/15 mm を超えます。

さらに、後鎖延長の程度、ジメチロール酪酸含有量、および NCO/OH モル比も、WPU のラテックスおよびフィルムの特性、特に対応するインクの T 剥離強度に大きな影響を与えます。これらの要素を最適化することにより、表面張力が 39.6 mN/m と低く、BOPP フィルムに対する接着堅牢度が 95% を超え、対応するインクの T 剥離強度が 2.05 N/m という高い水性ポリウレタンエマルションが得られました。 15mm [8] 。

インクジェット印刷は欠かせない出力手段となり、出力デバイスや印刷インクに関する研究も深まり続けています。インクの印刷適性は、粘度、粒子サイズ、表面張力などの転写特性と湿潤特性に関係し、コーティング特性は機械的特性、硬度、耐老化性に関係します。優れた性能の WPU インクを得るために、Wang らは、[9] は、WPU をシードとして使用した乳化重合法を使用して、異なるメチルメタクリレート (MMA) 含有量のコアシェル WPUA エマルジョンを合成しました。WPUA 中の MMA 含有量が増加すると、WPUA の平均粒子サイズと接触角が増加し、WPUA コーティングの耐熱性と硬度が向上します。ベース樹脂として WPUA エマルジョンを使用して調製されたインクジェット印刷インクは、良好な印刷適性を示します。インら。[10] は、イソホロン ジイソシアネート (IPDI)、ポリオール、ジメチロール酪酸 (DMBA)、および 3,5-ジメチルピラゾール (DMP) を原料として使用し、一連のブロック水ベース ポリウレタン (BWPU) を合成しました。DMP 終端処理された BWPU は、優れたインクジェットの流暢性と色堅牢度を備えており、デジタル インクジェット印刷の産業用途において大きな可能性を秘めています。

積層造形技術としても知られる 3D プリンティングは、現在のインテリジェント生産における最も代表的な成形技術です。加工性が強く、効率が高いという利点があります。さまざまなニーズに合わせてカスタマイズが可能で、複雑な構造の装置の加工に適しています。製造業だけでなく、航空宇宙、海洋機器の製造、生物医学の分野でも幅広い応用が期待されています。従来のポリウレタンと比較すると、ほとんどの WPU は機械的特性、レオロジー特性、熱安定性、導電性が劣っており、湿気の多い環境での加水分解強度も劣っています。上記の欠点を克服するために、通常、カーボン ナノチューブ、粘土、グラフェンなどの無機フィラーが WPU マトリックスに導入されて有機-無機ハイブリッドが形成され、それによって性能が向上します [11-13]。

バディロら。[14-15] は、レオロジー調整剤としてセルロース ナノクリスタル (CNC) をその場で添加することにより、直接描画 3D における新しいポリカプロラクトン - ポリエチレン グリコール (PCLPEG) 水性ポリウレタン尿素 (WBPUU) インクの性能を向上させました。印刷技術における特性。3D 構造の印刷適性と形状の忠実性を向上させるとともに、得られる部品の機械的安定性と熱的安定性を向上させることができます。

チェンら。[16] は、印刷適性を改善するためにセルロース ナノフィブリル (CNF) を使用して WPU (WPUCNF) を修飾する in-situ 合成法を開発しました。乳化プロセス中に CNF を添加すると、WPU ナノ粒子のサイズが小さくなり、懸濁液の粘度が増加します。さらに、追加の CNF を添加して WPUCN/CNF 複合インクを調製しました。このインクは、ハニカム、木の杭、人間の耳などのさまざまな形状の印刷構造で優れた印刷適性を示しました。

高い融点や遅い分解速度などのポリウレタン固有の欠点により、3D プリンティング組織工学への応用が妨げられています。これを考慮して、Feng et al. [17] は、水ベースのグリーンケミカルプロセスを使用して、3D 印刷可能なアミノ酸修飾生分解性水ベースポリウレタン (WBPU) を開発しました。親水性鎖延長剤の含有量を制御することにより、印刷されたブロックの劣化が制御可能になり、酸性生成物の蓄積が生じなくなります。組織工学のための生物学的代替材料として使用できることが想定されています。

現在、3D プリンティング方法は静的なオブジェクトのみを作成でき、固有または外部特性の機能的変更は含まれません。一方、4D プリンティングは、熱などの外力に応答するアクティブな構造を備えた材料を作成するための 3D プリンティング技術の使用として定義されています。磁気とか光とか。刺激を受けると、材料は時間の経過とともに変化し、印刷された 3D 形状が変化します。4D プリンティングに使用されるポリマー材料には、主に 2 種類あります。それは、応答性ハイドロゲルと形状記憶ポリマー (SMP) です。さまざまな SMP の中でも、ポリウレタンは 4D プリンティングの優れた候補となるさまざまな特性を示します。たとえば、2019 年に Su らは、[18] は、カルボキシメチルセルロース (CMC) と酸化ケイ素 (SiO2) のナノ粒子をコーティングに添加することにより、4D プリンティング前駆体として水ベースのポリウレタンコーティングベースの複合材料の形成を研究しました。

熱溶解積層モデリング (FDM) は、3D プリンターで使用されるラピッド プロトタイピング手法です。優れた総合特性を備えたWPU素材を調製し、FDM印刷製品の表面保護に使用します。WPU メンブレンの機械的特性と防水性を同時に改善するために、Zhang Jing らは、[19] は、その場重合と表面フッ素化を使用して、ハロイサイト ナノチューブ/水ベースのポリウレタン (AHNT/WPU) 複合膜を調製しました。水接触角が増加しました。114.5°と大きいため、より優れた疎水性を示します。FDMの表面にWPU複合膜を形成。実験結果は、サンプルの防水性と機械的特性を向上させることができ、明らかな表面保護効果があることを示しています。

最近、Zheng Ling ら。[20]は、シランカップリング剤KH550を使用してカーボンブラック(CB)を共有結合官能修飾し、KH550修飾CBを得て、KH550/CB/WPU複合材料を調製した。CB の添加により、WPU の熱安定性が大幅に向上します。3D 印刷インクの調製では、変性 CB 含有量が 3% になるように選択されました。他の非 3D プリンティング製品と比較して、その導電特性は 1 ～ 2 桁向上しました。

さらに、従来の線状高分子と比較して、ハイパーブランチポリマーの三次元球状構造は末端基が豊富で粘度が低いため、より多くの修飾部位を提供できるため[21]、光学用途に広く使用されています。硬化コーティング、3Dプリント用感光性樹脂などの分野。張東斉ら。[22]は、16個の末端ヒドロキシル基を有する多分岐ポリエステルポリオールを無水コハク酸でエステル化し、イソシアネートエチルアクリレートのイソシアネート基と反応させて二重結合を導入することにより、多分岐水性ポリウレタンアクリレートを調製した。次に、それをマトリックス樹脂として使用し、反応性希釈モノマーであるアクリロイルモルホリンおよびポリエチレングリコールジアクリレートと配合することにより、一連の 3D プリンティング用水性感光性樹脂を調製しました。準備された 3D 印刷デバイスは、より優れた印刷特性を備えています。正確さ。