CN105111724A - 一种高防水透湿tpu薄膜及其制备方法 - Google Patents
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Abstract
本发明主要涉及一种高防水透湿TPU薄膜及其制备方法。所述TPU薄膜按重量份数主要由以下原料制备得到：聚氨酯40-80、聚酰胺16-25、聚乙二醇10-30和催化剂3-10。本发明将聚乙二醇引入软段相，大大的提高了TPU薄膜的韧性和强度；同时聚酰胺和聚乙二醇使得TPU薄膜的相容性更好，增加了TPU薄膜的微多孔结构，在协同增加薄膜防水透湿性能的同时，还提高了薄膜的机械性能；本申请的TPU薄膜具有良好的透湿性能，还具有良好的力学性能，制备方法简单，便于推广应用。
Description
技术领域
本发明属于聚合物薄膜材料领域，涉及一种防水透湿TPU薄膜及其制备方法，特别涉及一种高防水透湿TPU薄膜及其制备方法。
背景技术
随着技术的进步，主要的防水透湿薄膜材料有：微孔薄膜和亲水性薄膜。其中，微孔薄膜是一层很薄的高分子聚合物薄膜，上面有大量的细小且相通的微孔，在微孔薄膜中，水滴束缚在孔洞中，并受表面张力固定；孔洞越小，需要越多的外力以破坏表面张力使水滴溢出孔洞；因此，微孔薄膜的防水能力与孔的直径成反比，透湿性与孔的直径和多孔性成正比，与薄膜的厚度成反比；因此，防水性能越好的微孔薄膜，其透湿性越差。亲水性薄膜是由单一组分的共聚物构成，无孔，它能阻止水滴通过，起到防水作用；由于其具有亲水性，可以和水分子作用，借助氢键和其它分子间作用力，在高湿度一侧吸附水分子，通过高分子链上亲水基团传递到低湿度一侧解吸，从而达到透湿的效果；亲水性薄膜的透湿性能取决于薄膜的厚度及它们的化学组成和结构，对温度和湿度很敏感。水蒸汽从湿度高的一面向湿度低的一面传递，薄膜越薄，透湿性越好；但是，其不适用于恶劣环境下使用。
热塑性聚氨酯弹性体具有耐磨、柔韧以及高弹性，而且透湿性和防水性能优异，已广泛应用于服装行业，主要用于织物品贴合中，可达到不允许雨水等液体通过，但能保证水蒸气自由透过的效果，即具有“可呼吸性”。
CN101358020A公开了一种无孔透湿防水改性聚醚酯功能薄膜材料及其制备方法，采用聚醚酯、聚酰胺、亲水性聚合物、乙烯-醋酸乙烯酯共聚物、抗氧剂和加工助剂制成，所制得的薄膜熔点低(120℃左右)，湿阻抗大，低温性能不好，复合后的泼水加工性不好。
CN104448788A公开了一种防水透湿型热塑性聚氨酯薄膜及其制备方法，所述防水透湿型热塑性聚氨酯薄膜包括按质量百分比组成的下列成分：80％-85％的热塑性聚氨酯、8％-10％的爽滑剂和7％-10％的雾面剂；其中，所述热塑性聚氨酯的制备原料包括：聚四亚甲基醚二醇58-63份、甲苯二异氰酸酯30-35份、乙二醇乙醚醋酸酯5-8份和二醋酸二丁基锡1-3份。所制得的薄膜虽然具有一定的透湿性，但机械性能下降。
发明内容
本发明的目的在于提供一种高防水透湿TPU薄膜及其制备方法，所述TPU薄膜具有良好的防水透湿性能。
为达此目的，本发明采用以下技术方案：
一方面，本发明提供了一种防水透湿TPU薄膜，其特征在于，所述TPU薄膜按重量份数主要由以下原料制备得到：
聚酰胺可以增加TPU薄膜的分散度，使其内部结构变松散，微隙增大，增加TPU薄膜的防水透湿性能；聚乙二醇能够增加膜的孔隙，使得膜的通透性增加，不仅如此，聚乙二醇引入软段相，大大的提高了TPU薄膜的韧性和强度；同时聚酰胺和聚乙二醇使得TPU薄膜的相容性更好，在协同增加薄膜防水透湿性能的同时，还提高了薄膜的机械性能。
本发明中，所述的高防水透湿性指的是透湿量高于8500g/m2·24h的TPU薄膜。
所述聚氨酯的重量份数为40-80，例如可以是40、41、43、45、48、50、51、53、55、56、58、60、63、65、66、68、70、72、73、75、76、78或80。
所述聚酰胺的重量份数为16-25，例如可以是16、17、18、19、20、21、22、23、24或25。
所述聚乙二醇的重量份数为10-30，例如可以是10、12、13、15、16、18、19、20、21、22、24、25、26、28或30。
所述催化剂的重量份数为3-10，例如可以是3、4、5、6、7、8、9或10。
优选地，所述聚氨酯为通过聚醚多元醇、二异氰酸酯和扩链剂制备得到。
本发明中，所述聚氨酯的制备过程为已有技术，所属领域的技术人员可以根据已有技术中公开的聚氨酯制备方法完成本发明聚氨酯的制备。
优选地，所述聚氨酯包括软段相和硬段相，其中，所述软段相主要为聚醚多元醇，所述硬段相主要为二异氰酸酯。
优选地，所述软段相与硬段相的质量比为(6-10)：1，例如可以是6:1、7:1、8:1、9:1或10:1，优选为(6-8)：1。
本发明中，软段相的相对含量增加，能增加薄膜的防水透湿性能。
优选地，所述聚醚多元醇为聚氧化丙烯二醇、聚四氢呋喃二醇或四氢呋喃-氧化丙烯共聚二醇中的任意一种或至少两种的混合物。
优选地，所述聚乙二醇的数均分子量为1000-4000，例如可以是1000、1001、1002、1200、1400、1500、1600、1800、2000、2100、2200、2500、2600、2800、3000、3100、3200、3500、3600、3800或4000，优选为2500-4000。
本发明中，增加聚乙二醇含量或增大聚乙二醇数均分子量，聚氨酯弹性体的透湿量都会增大。
优选地，所述催化剂为有机锡、有机铋或有机锌中的任意一种或至少两种的混合，优选为辛酸亚锡、二辛酸二丁锡或二月桂酸二丁锡中的任意一种或至少两种的混合物。
优选地，所述二异氰酸酯为2,6-甲苯二异氰酸酯、2,4-甲苯二异氰酸酯、二苯基甲烷二异氰酸酯、1,5-萘二异氰酸酯、苯二亚甲基二异氰酸酯、3,3’-二甲基-4,4-联苯二异氰酸酯、三苯基甲烷三异氰酸酯或对苯二异氰酸酯中的任意一种或至少两种的混合物，优选2,4-甲苯二异氰酸酯。
优选地，所述扩链剂为乙二醇、1,3-丙二醇、1,4-丁二醇、2,3-丁二醇或1,5-戊二醇中的一种或至少两种的混合物。
优选地，所述TPU薄膜还包括引发剂和稀释剂。
优选地，所述引发剂为自由基引发剂，优选为偶氮二异丁腈。
优选地，所述稀释剂为甲苯、丁酮或二甲基甲酰胺中的任意一种或至少两种的混合物。
优选地，所述引发剂的质量为聚氨酯质量的1-5％，例如可以是1％、1.5％、2％、2.5％、3％、3.5％、4％、4.5％或5％。
优选地，所述稀释剂的质量为聚氨酯、聚酰胺和聚乙二醇总质量的1-5％，例如可以是1％、1.5％、2％、2.5％、3％、3.5％、4％、4.5％或5％。
另一方面，本发明提供一种制备如第一方面所述的防水透湿TPU薄膜的制备方法，所述方法包括如下步骤：
(1)按配方量称取各组分，并混合均匀；
(2)将步骤(1)得到的混合物干燥，再挤出得到TPU薄膜。
优选地，步骤(2)所述的干燥时间为3-5h，例如可以是3h、3.5h、4h、4.5h或5h。
优选地，所述干燥温度为100-120℃，例如可以是100℃、101℃、102℃、105℃、106℃、108℃、110℃、112℃、113℃、115℃、116℃、118℃或120℃。
优选地，步骤(2)所述的挤出在流延机中进行，所述挤出温度为180-240℃，例如可以是180℃、181℃、185℃、190℃、195℃、200℃、205℃、210℃、215℃、220℃、225℃、230℃、235℃或240℃，优选为200-240℃。
与现有技术相比，本发明具有如下有益效果：
(1)本发明将聚乙二醇引入软段相，大大的提高了TPU薄膜的韧性和强度；同时聚酰胺和聚乙二醇使得TPU薄膜的相容性更好，增加了TPU薄膜的微多孔结构，在协同增加薄膜防水透湿性能的同时，还提高了薄膜的机械性能；
(2)本发明的TPU薄膜具有高防水、高透湿性能，透湿量在9000g/m2·24h以上，耐水压达到6000mmH2O，润湿张力在50Mn/cm；
(3)本发明的TPU薄膜具有良好的透湿性能，还具有良好的力学性能，制备方法简单等优点。
具体实施方式
为更进一步阐述本发明所采取的技术手段及其效果，以下通过具体实施方式来进一步说明本发明的技术方案，但本发明并非局限在实施例范围内。
实施例1
制备高防水透湿TPU薄膜：
(1)合成聚氨酯：将聚醚多元醇、二异氰酸酯和扩链剂混合后制备成聚氨酯；其中，所述软段相与硬段相的质量比为6：1；
(2)按下述配方量称取各组分，并混合均匀；
(3)将步骤(1)得到的混合物在100℃的干燥器中干燥5h，再送到流延机中180℃挤出得到TPU薄膜。
所述薄膜按重量份数主要由以下原料制备得到：
其中，所述偶氮二异丁腈的质量为聚氨酯质量的1％，所述甲苯为聚氨酯、聚酰胺和聚乙二醇总质量的1％，所述聚乙二醇的数均分子量为1000。
实施例2
制备高防水透湿TPU薄膜：
(1)合成聚氨酯：将聚醚多元醇、二异氰酸酯和扩链剂混合后制备成聚氨酯；其中，所述软段相与硬段相的质量比为10：1；
(2)按下述配方量称取各组分，并混合均匀；
(3)将步骤(1)得到的混合物在120℃的干燥器中干燥3h，再送到流延机中240℃挤出得到TPU薄膜。
所述薄膜按重量份数主要由以下原料制备得到：
其中，所述偶氮二异丁腈的质量为聚氨酯质量的5％，所述甲苯为聚氨酯、聚酰胺和聚乙二醇总质量的5％，所述聚乙二醇的数均分子量为4000。
实施例3
制备高防水透湿TPU薄膜：
(1)合成聚氨酯：将聚醚多元醇、二异氰酸酯和扩链剂混合后制备成聚氨酯；其中，所述软段相与硬段相的质量比为7：1；
(2)按下述配方量称取各组分，并混合均匀；
(3)将步骤(1)得到的混合物在110℃的干燥器中干燥4h，再送到流延机中200℃挤出得到TPU薄膜。
所述薄膜按重量份数主要由以下原料制备得到：
其中，所述偶氮二异丁腈的质量为聚氨酯质量的3％，所述甲苯为聚氨酯、聚酰胺和聚乙二醇总质量的3％，所述聚乙二醇的数均分子量为2500。
实施例4
制备高防水透湿TPU薄膜：
(1)合成聚氨酯：将聚醚多元醇、二异氰酸酯和扩链剂混合后制备成聚氨酯；其中，所述软段相与硬段相的质量比为9：1；
(2)按下述配方量称取各组分，并混合均匀；
(3)将步骤(1)得到的混合物在110℃的干燥器中干燥4h，再送到流延机中210℃挤出得到TPU薄膜。
所述薄膜按重量份数主要由以下原料制备得到：
其中，所述偶氮二异丁腈的质量为聚氨酯质量的4％，所述甲苯为聚氨酯、聚酰胺和聚乙二醇总质量的2％，所述聚乙二醇的数均分子量为3000。
实施例5
制备高防水透湿TPU薄膜：
(1)合成聚氨酯：将聚醚多元醇、二异氰酸酯和扩链剂混合后制备成聚氨酯；其中，所述软段相与硬段相的质量比为8：1；
(2)按下述配方量称取各组分，并混合均匀；
(3)将步骤(1)得到的混合物在110℃的干燥器中干燥4h，再送到流延机中190℃挤出得到TPU薄膜。
所述薄膜按重量份数主要由以下原料制备得到：
其中，所述偶氮二异丁腈的质量为聚氨酯质量的4％，所述甲苯为聚氨酯、聚酰胺和聚乙二醇总质量的2％，所述聚乙二醇的数均分子量为3500。
对比例1
制备方法同实施例5；
所述薄膜按重量份数主要由以下原料制备得到：
聚氨酯60
聚乙二醇23
二月桂酸二丁锡5，
其中，所述偶氮二异丁腈的质量为聚氨酯质量的4％，所述甲苯为聚氨酯和聚乙二醇总质量的2％，所述聚乙二醇的数均分子量为3500。
对比例2
制备方法同实施例5；
所述薄膜按重量份数主要由以下原料制备得到：
聚氨酯60
聚酰胺21
二月桂酸二丁锡5，
其中，所述偶氮二异丁腈的质量为聚氨酯质量的4％，所述甲苯为聚氨酯和聚酰胺总质量的2％，所述聚乙二醇的数均分子量为3500。
对比例3
制备方法同实施例5；
所述薄膜按重量份数主要由以下原料制备得到：
聚氨酯60
二月桂酸二丁锡5，
其中，所述偶氮二异丁腈的质量为聚氨酯质量的4％，所述甲苯为聚氨酯质量的2％，所述聚乙二醇的数均分子量为3500。
对比例4
制备方法同实施例5，其中，所述软段相与硬段相的质量比为5：1；
所述薄膜按重量份数主要由以下原料制备得到：
其中，所述偶氮二异丁腈的质量为聚氨酯质量的4％，所述甲苯为聚氨酯、聚酰胺和聚乙二醇总质量的2％，所述聚乙二醇的数均分子量为3500。
对比例5
制备方法同实施例5，其中，所述软段相与硬段相的质量比为4：1；
所述薄膜按重量份数主要由以下原料制备得到：
聚氨酯60
聚乙二醇23
二月桂酸二丁锡5，
其中，所述偶氮二异丁腈的质量为聚氨酯质量的4％，所述甲苯为聚氨酯和聚乙二醇总质量的2％，所述聚乙二醇的数均分子量为3500。
对比例6
制备方法同实施例5，其中，所述软段相与硬段相的质量比为4：1；
所述薄膜按重量份数主要由以下原料制备得到：
其中，所述偶氮二异丁腈的质量为聚氨酯质量的4％，所述甲苯为聚氨酯、聚酰胺和聚乙二醇总质量的2％，所述聚乙二醇的数均分子量为3500。
对比例7
制备方法同实施例5；
所述薄膜按重量份数主要由以下原料制备得到：
其中，所述偶氮二异丁腈的质量为聚氨酯质量的4％，所述甲苯为聚氨酯、聚酰胺和聚乙二醇总质量的2％，所述聚乙二醇的数均分子量为3500。
对比例8
制备方法同实施例5；
所述薄膜按重量份数主要由以下原料制备得到：
其中，所述偶氮二异丁腈的质量为聚氨酯质量的4％，所述甲苯为聚氨酯、聚酰胺和聚乙二醇总质量的2％，所述聚乙二醇的数均分子量为3500。
实施例1-5和对比例1-8制备的TPU薄膜的性能测试，结果如表1所示：
表1
从实施例1-5和对比例1-8可以看出，本发明的TPU薄膜的润湿张力、拉伸强度和断裂伸长率都在一个合适的范围内，具有优异的综合性能；与对比例1-6相比，本发明的TPU薄膜的机械性能有所提高，断裂伸长率和拉伸强度都相较于对比例有提高，不仅如此，本发明的TPU薄膜的润湿张力提高了25-50％，透湿量提高了13-80％，耐水压也提高了20％以上；
与对比例1-3相比，聚酰胺和聚乙二醇缺少任意一种，都会降低TPU薄膜的透湿性；与对比例4-6相比，聚氨酯的软硬段比例也会对TPU薄膜的透湿型产生影响，但软段比例下降时，TPU薄膜的透湿性能也下降，且聚乙二醇和聚酰胺的比例对TPU薄膜的透湿性也会产生影响，随着聚乙二醇和聚酰胺质量比的增大，TPU薄膜的透湿性也降低；与对比例7-8相比，当各组分的比例发生变化后，TPU薄膜的机械性能下降，透湿性下降。
综上所述，本发明将聚乙二醇引入软段相，大大的提高了TPU薄膜的韧性和强度；同时聚酰胺和聚乙二醇使得TPU薄膜的相容性更好，增加了TPU薄膜的微多孔结构，在协同增加薄膜防水透湿性能的同时，还提高了薄膜的机械性能；本申请的TPU薄膜具有良好的透湿性能，还具有良好的力学性能，制备方法简单等优点。
申请人声明，本发明通过上述实施例来说明本发明的详细方法，但本发明并不局限于上述详细方法，即不意味着本发明必须依赖上述详细方法才能实施。所属技术领域的技术人员应该明了，对本发明的任何改进，对本发明产品各原料的等效替换及辅助成分的添加、具体方式的选择等，均落在本发明的保护范围和公开范围之内。
Claims (10)
1.一种防水透湿TPU薄膜，其特征在于，所述TPU薄膜按重量份数主要由以下原料制备得到：
2.根据权利要求1所述的TPU薄膜，其特征在于，所述聚氨酯主要由聚醚多元醇、二异氰酸酯和扩链剂制备得到；
优选地，所述聚氨酯包括软段相和硬段相，其中，所述软段相主要为聚醚多元醇，所述硬段相主要为二异氰酸酯；
优选地，所述软段相与硬段相的质量比为(6-10)：1，优选为(6-8)：1。
3.根据权利要求2所述的TPU薄膜，其特征在于，所述聚醚多元醇为聚氧化丙烯二醇、聚四氢呋喃二醇或四氢呋喃-氧化丙烯共聚二醇中的任意一种或至少两种的混合物。
4.根据权利要求1-4所述的TPU薄膜，其特征在于，所述聚乙二醇的数均分子量为1000-4000，优选为2500-4000；
优选地，所述催化剂为有机锡、有机铋或有机锌中的任意一种或至少两种的混合，优选辛酸亚锡、二辛酸二丁锡或二月桂酸二丁锡中的任意一种或至少两种的混合物。
5.根据权利要求2-4所述的TPU薄膜，其特征在于，所述二异氰酸酯为2,6-甲苯二异氰酸酯、2,4-甲苯二异氰酸酯、二苯基甲烷二异氰酸酯、1,5-萘二异氰酸酯、苯二亚甲基二异氰酸酯、3,3’-二甲基-4,4-联苯二异氰酸酯、三苯基甲烷三异氰酸酯或对苯二异氰酸酯中的任意一种或至少两种的混合物，优选2,4-甲苯二异氰酸酯；
优选地，所述扩链剂为乙二醇、1,3-丙二醇、1,4-丁二醇、2,3-丁二醇或1,5-戊二醇中的一种或至少两种的混合物。
6.根据权利要求1-4中任一项所述的TPU薄膜，其特征在于，所述TPU薄膜还包括引发剂和稀释剂；
优选地，所述引发剂为自由基引发剂，优选为偶氮二异丁腈；
优选地，所述稀释剂为甲苯、丁酮或二甲基甲酰胺中的任意一种或至少两种的混合物。
7.根据权利要求6所述的TPU薄膜，其特征在于，所述引发剂的质量为聚氨酯质量的1-5％；
优选地，所述稀释剂的质量为聚氨酯、聚酰胺和聚乙二醇总质量的1-5％。
8.一种制备如权利要求1-7中任一项所述的防水透湿TPU薄膜的制备方法，其特征在于，所述方法包括如下步骤：
(1)按配方量称取各组分，并混合均匀；
(2)将步骤(1)得到的混合物干燥，再挤出得到TPU薄膜。
9.根据权利要求8所述的制备方法，其特征在于，步骤(2)所述的干燥时间为3-5h；
优选地，所述干燥温度为100-120℃。
10.根据权利要求8或9中所述的制备方法，其特征在于，步骤(2)所述的挤出在流延机中进行，所述挤出温度为180-240℃，优选为200-240℃。
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