綠色涂料水性聚氨酯漆的研究

摘 要 該文綜述了水性聚氨酯漆的發展歷史和特性，闡明了發展水性聚氨酯漆的價值和意義。并且對近幾年國內外水性聚氨酯漆丙酮法、預聚體混合法、熔融分散縮聚法、酮亞胺/酮聯氮法、保護端基乳化法進行了綜合說明。另外對水性聚氨酯漆所存在的問題進行了總結，并闡述了環氧樹脂、有機硅氧烷、丙烯酸酯類及含乙烯基的單體等對水性聚氨酯漆進行改性。最后對水性聚氨酯漆進行了展望并闡述拉在汽車上、在木器家具上和皮革涂飾的應用。

關鍵詞 水性聚氨酯 合成 改性 應用

一、環保與水性涂料

雖著涂料工業的發展，涂料的花色、品種、功能越來越多，分工也越來越細，但在涂料的制造和施工過程中因有機溶劑的大量排放而對環境造成巨大的污染。為限制有機溶劑的排放，涂料的固體化、無溶劑化、水性化已呈發展趨勢，業內人士廣泛贊同的“4E”涂料（Economy，Efficiency，Ecology，Energy）即指上述涂料。其中，涂料的水性化是近年來發展十分迅速的一個領域，已有不少成熟的產品和技術在廣泛使用。

1、水性涂料存在的問題

水性涂料的優點是顯而易見的，但也存在著一些問題。與有機溶劑相比，水的蒸發熱較高，這就要求用其他手段來幫助水的蒸發。對于低溫和高濕這兩種特殊情況，水的蒸發就更慢了，因此干燥時間長，而助溶劑的加入則更使其雪上加霜。由于助溶劑在幫助成膜和提高涂膜性能方面是相當多的水性涂料不可缺少的組分，故除去助溶劑并不是一件容易的事情。

2、水性聚氨酯涂料的發展現狀

聚氨酯是氨基甲酸酯樹脂的簡稱，其分子中含有特征單元結構氨基甲酸酯（-NH-CO-）。聚氨酯應用十分廣泛，作為涂料具有良好的耐磨性、耐腐蝕性、耐化學品性、硬度大、高彈性等優點。

3、水性聚氨酯涂料的合成

水性聚氨酷的制備方法通常可分為外乳化法和內乳化法兩種.外乳化法是指采用外加乳化劑，在強剪切力作用下強制性地將聚氨酯粒子分散于水中的方法，但因該法存在乳化劑用量大、反應時間長以及乳液顆粒粗、最終得到的產品質量差、膠層物理機械性能不好等缺點，因而目前生產基本不用該法。內乳化法又稱自乳化法，是指在聚氨酯分子結構中引人親水基團無需乳化劑即可使自身分散成乳液的方法，因此成為目前水性聚氨酷生產和研究采用的主要方法.內乳化法又可分為丙酮法、預聚體混合法、熔融分散法、酮亞胺/酮聯氮法、保護端基乳化法。

二、水性聚氨酯涂料的改性

1、丙烯酸酯類及含乙烯基的單體改性

丙烯酸酯類化合物（簡稱PA）及含乙烯基的單體對水性聚氨酯的改性可分為物理改性和化學改性。物理改性主要是將丙烯酸酯類或乙烯基酯類乳液和水性聚氨酯乳液進行物理共混，以提高水性聚氨酯材料的物理機械性能。采用此種方法要求改性所用的丙烯酸乳液的離子穩定性及對溶劑的親和性好，否則可能會發生破乳。化學改性是將PA 加入PU 乳液中，再通過引發劑進行自由基聚合而制得的復合乳液（PUA）。復合乳液中的核3殼結構為一種較特殊的結構，其形成機理是PU親水性離子基團分布在PU 微膠粒表面，使PU不但形成一種高穩定性、高分散性的膠體體系，而且具有很好的親水性能。當發生聚合時，由于含極性基團的PU大分子對水和乳化劑的親和性使含極性基團的PU 大分子始終朝向水和乳化劑的一方，即朝外，表面富集離子基團的PU 微粒因此由內向外遷移；PA具有一定的疏水性，其微粒剛好呈反方向由外向內溶脹到PU微粒內發生聚合，因此形成以PU 為殼、PA 為核的核-殼結構的乳膠粒。如果親水性基團連接PA 基團上，則形成以PU為核、PA為殼的核殼結構。

2、環氧樹脂改性

環氧樹脂（EP）材料具有高模量、高強度和耐化學性好等優點，由于環氧樹脂含有活潑的環氧基團，可直接參與水性聚氨酯的合成反應。常見環氧改性的水性聚氨酯是將環氧樹脂與聚氨酯反應后部分形成網狀結構，以提高水性聚氨酯涂膜的機械性能及耐熱性、耐水性和耐溶劑性等綜合性能。

3、有機硅氧烷改性

有機硅樹脂表面能較低，具有耐高溫、耐水性、耐候性及透氣性好等優點，已廣泛用于聚氨酯材料的改性。近年來有許多關于用聚硅氧烷改性聚氨酯制取低表面能材料的報道。采用有機硅氧烷改性方法通常有2種，其一用含羥基或胺基的硅氧烷樹脂改性，其二是用帶乙烯基的硅氧烷單體進行改性。

4、多元改性的方法

除了上面3種經常使用的改性方法外，還有采用多元改性的方法，schipper 等開發的聚氨酯“丙烯酸酯”醇酸樹脂三元共聚物為基體的改性的水性聚氨酯涂料兼具三種樹脂的優勢，具有很好的戶外耐光性，流動性以及耐刮傷性能。Li Y L 等的研究表明，隨著聚硅氧烷含量的增加，材料的表面能降低的同時，相分離的程度也逐漸加劇，使得材料力學性能大大下降。李永清等以TDI聚醚二元醇為主要原料制得NCO封端的預聚體，并按一定比例引入環氧樹脂，氨丙基聚硅氧烷，多元胺固化劑，混合均勻。由于聚硅氧烷（ 聚氨酯鏈與環氧樹脂交聯鏈纏結互穿，起到強迫互容的作用，從而降低了相分離的程度，于是得到一種新的PDMS＼PU＼EP 互穿聚合物網絡（IPN ），制得的聚硅氧\"聚氨酯\"環氧三元共聚物具有很好的拉伸強度、疏水性能以及較低的表面張力。張曉鐳等采用丙烯酸樹脂（PA或PAr）、有機硅對水性聚氨酯進行改性，合成了一種有機硅丙烯酸酯聚氨酯聚合物。對各種合成條件，如反應溫度、NCO＼OH 比值、引發劑濃度、-COOH 用量、有機硅用量等因素對反應的影響進行了分析。

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作者簡介：李娜，性別女，民族漢