水性聚氨酯涂料技術研究進展

梁西振

（1.江蘇省地質礦產局第五地質大隊，江蘇徐州 221000；2.徐州大光涂料廠，江蘇徐州 221000）

隨著建筑行業的快速發展及人們環保意識不斷提高，環保節能發展成為現代建筑發展的一個重要方向。而建筑涂料作為建筑工程施工建設中的一種重要裝修材料，推動其環保、綠色發展具有重要意義。水性聚氨酯就是目前在建筑工程中使用較為廣泛的一種建筑涂料，其具有揮發性低、成本低廉、用量少且效果好等優點，因此應用于建筑工程中不僅能夠有效降低對環境的污染，而且大大降低建筑能源消耗，在推動建筑行業環保綠色化發展方面有重要意義。

1 水性聚氨酯概述

水性聚氨酯也稱水分散聚氨酯、水系聚氨酯或水基聚氨酯，是一種以水導體有機溶劑作為分散介質的新型聚氨酯體系，具有無污染、安全可靠、機械性能優良、相容性好及易于改性等優點，因此是目前建筑工程施工中應用最為廣泛的一種環保節能型涂料。水性聚氨酯涂料一般分為單組分和雙組分兩種，其中，單組分聚氨酯涂料可直接使用，具有較低的相對分子質量或交聯度。而雙組分聚氨酯涂料主要是在單組分涂料基礎上，通過在其中添加交聯固化劑的聚氨酯涂料，能夠進一步提高聚氨酯機械性能和耐化學性能。但不管是單組分聚氨酯涂料還是雙組分聚氨酯涂料，其成膜機理都是異氰酸酯（—NCO）與水在適當催化劑作用下發生聚合反應而固化成膜，而且由于水與異氰酸酯反應較慢，而在形成薄膜過程中水分揮發較快，因此水性聚氨酯涂料在使用中即使水量較大也能夠很好成膜，能夠有效保證施工質量。

水性聚氨酯作為一種新型環保涂料，其在建筑工程中應用具有突出優勢。首先，環保無污染。水性聚氨酯揮發性較低，在使用中可有效避免揮發性排放污染空氣的問題，有利于人體健康。其次，大多數水性聚氨酯樹脂都不含反應性NCO基團，而主要靠分子內極性基團產生內聚力和黏附力固化，具有較強耐化學性。此外，水性聚氨酯樹脂氣味小、施工操作方便，而且殘膠很容易清理，能夠大大提高施工效率及質量。另外，水性聚氨酯在柔韌性、抗沖擊性等方面優勢也很突出，能夠更好滿足現代建筑施工要求。

2 功能化水性聚氨酯涂料技術現狀

2.1 阻燃型水性聚氨酯涂料

為滿足生產和生活等領域對功能性水性聚氨酯涂料需求，相關工作研究人員經過多年研究，研制出了多種具有特殊性能的水性聚氨酯涂料，從而有效促進了水性聚氨酯涂料在各領域中的應用，而阻燃型水性聚氨酯涂料就是其中一種。消防性能是建筑工程的一個重要性能，隨著建筑工程大規模及高層化發展，對消防性能也提出了更高要求，阻燃型水性聚氨酯材料在這方面就發揮了充分優勢。通過在建筑材料表面涂上阻燃型水性聚氨酯涂料，不僅能夠延長材料使用壽命，而且能夠有效提高材料耐火性，從而提高建筑整體火災抵御能力。國外相關研究者通過在聚氨酯骨架中引入合成的一種反應性季戊四醇二羥乙基磷酸胺，成功制備了阻燃型水性聚氨酯。而且為進一步提高其力學性能，相關研究者又設計合成了一種含磷氮端羥基單體三磷酸，并將其加入阻燃型水性聚氨酯中。經測試顯示，含磷氮端羥基單體三磷酸與阻燃型水性聚氨酯的協同效應非常好，得到的阻燃型水性聚氨酯涂料在阻燃性能和力學性能方面都得到了大幅提升。隨著研究的不斷深入，國外相關研究者先后研制出了新型后擴鏈阻燃型水性聚氨酯涂料、添加了有機改性剝離蒙脫石含次磷酸鋁聚氨酯涂料、以磷基聚酯多元醇與異佛爾酮二異氰酸酯為原料的阻燃型水性聚氨酯涂料等類型涂料，它們都具有優異阻燃性能。國內學者過不斷研究，進一步提升了紫外光固化涂料性能，使其在具有揮發性有機物排放量低、能耗低、常溫固化快、循環時間段及性能優異等諸多優點基礎上，更是具備了優異的阻燃性能，從而大大降低了其潛在燃燒風險，應用于建筑施工中有利于建筑整體消防性能的提高。

2.2 防腐型水性聚氨酯涂料

防腐性能是衡量涂料品質的重要參數之一，水性聚氨酯防腐性能的提高一直都是涂料研究的一個重點。水性聚氨酯涂料以水為分散劑，其涂膜在耐化學性及耐溶劑性方面往往有所不足，因此需要通過改性來提高其防腐性能。近年來，對于水性聚氨酯在防腐性能方面的改性主要有以下方面。①利用生物大分子海藻酸鈉和木質素磺酸鹽分別對氧化鋅進行表面改性制備納米復合材料，然后采用溶液共混法將其分散于水性聚氨酯涂料中，從而得到2種耐腐性水性聚氨酯涂料。②通過在氮化硼（BN）納米片上引入羥基制備與水性聚氨酯具有良好界面相容性的BN 納米片水分散體（BN-OH），然后將其引入水性聚氨酯中制備復合涂層。研究分析證明，BN-OH在水性聚氨酯基體中能夠均勻分散，起到阻隔作用，進而有效抑制電解質參透，以此提高復合涂料防腐性能。③利用石墨烯來提升水性聚氨酯涂料防腐性能。石墨烯具有二維蜂窩狀點的結構，是抗腐蝕的理想材料。相關研究人員利用石墨烯制備的石墨烯基水性聚氨酯丙烯酸酯涂料就具有優異的耐腐蝕性能。④利用具有高親水性和良好相容性的聚乙烯醇提高水性聚氨酯涂料防腐性能。在以上各種改性后的復合涂料中采用溶液共混法將聚乙烯醇分散于水性聚氨酯體系中，就可以得到新型水性防腐涂料，這種復合體系具有更加突出的分散性和耐腐蝕性。

2.3 防水型水性聚氨酯涂料

由于水性聚氨酯含有親水性軟段，這使得其在具備較好親水性的同時也較容易被水分破壞，從而降低其防水性能。目前對水性聚氨酯防水性能改性方面，一是利用十二烷基二芳基重氮甲烷改性水性聚氨酯涂料，從而增大涂料接觸角，降低涂料親水性來提高防水性；二是利用末端含有丙烯酸基團聚乙二醇大分子對水性聚氨酯進行改性，改性后的涂料具有較好耐水性和透氣性；三是制備環氧乙烷-環氧丙烷共聚物，然后將其與聚四亞甲基醚乙二醇混合制備水性聚氨酯涂料，該種涂料粒徑小，防水性能優異。另外，經過進一步改良的新型環保型十八胺氧化石墨烯改性水性聚氨酯丙烯酸乳液，不僅表面光滑，而且在防水性和機械性能方面也很優異，在實際應用中有很大優勢和前景。

2.4 防霉型及其他功能化水性聚氨酯涂料

水性聚氨酯涂料在空氣濕度較大的地方使用容易發生霉變，從而破壞涂料結構性能，因此提高水性聚氨酯防霉性能很重要。目前使用的防霉型水性聚氨酯涂料主要是添加了防霉變和抗菌藥劑的水性聚氨酯涂料，操作簡單且不會破壞涂料分子結構及性能。常用的防霉抗菌劑主要有含銀、納米TiO2和納米氧化鋅等原料的無機抗菌劑。另外，根據使用需要，導電型、環保型、減震型、生物降解型及自修復等功能化水性聚氨酯涂料也不斷研發，在很多領域都展示出了優異的性能。隨著研究的不斷深入，水性聚氨酯涂料種類還在不斷豐富，以更好滿足各領域實際使用需要。

2.5 光固化水性聚氨酯涂料

光固化水性聚氨酯涂料主要是利用紫外光輻射、電子束輻射的高強度輻射來促使低活性聚合物體系產生交聯固化。當前主要采用的是紫外光固化形式。首先采用不飽和聚酯多元醇來進行預聚物的制備，隨后采取普通方法將粒子基團引進，采用親水處理后獲得在主鏈上帶雙鍵的聚氨酯水分散體，隨后和溶解度較好的高活性三丙烯酸烷氧基酯單體、光敏劑等助劑混合來獲得光固化水性聚氨酯涂料。

2.6 室溫固化水性聚氨酯涂料

有時候無法使用加熱的方法來交聯部分熱敏基材與大型制件，此時則需要采用室溫交聯的水性聚氨酯涂料。美國AirProducts 和化學公司的相關研究報道中指出，有效結合水分散性多異氰酸酯，能夠對丙烯酸酯混合物或水性端羥基聚氨酯預聚物進行優化。該類水性聚氨酯涂料利用特別制作的多異氰酸酯交聯劑，通過親水處理后在部分不同類型的含羥基聚合物內來形成分散體，并且能夠和許多類型的含羥基聚合物水分散體構成可以在室溫固化的聚氨酯水性涂料。

2.7 第三代水性聚氨酯涂料（PUA）

相較于溶劑型產品來說，聚氨酯（PU）乳液與聚丙烯酸（PA）乳液具有無毒、無污染、不燃、安全、價格低等優勢。不過單純的聚氨酯（PU）乳液的自增稠性、穩定性以及膜的保光性較差，固含量高、無法廣泛運用等不足，單一的聚丙烯酸（PA）乳液的耐水性、耐磨性與耐化學品性較差。不過在性質上來說這二者有著互補的作用。第三代水性聚氨酯涂料則具有光亮、耐腐蝕、耐磨、彈性好、力學性能佳、耐水性、耐候性好等有優點，具備了以上二者的優點，是今后涂料發展的一個重要趨勢。

2.8 有機硅改性聚氨酯涂料

聚硅氧烷的化學結構較為特殊，所以其具有良好的化學穩定性、電絕緣性、耐高低溫、生物相容性、生理惰性以及憎水防潮性。有機硅改性聚氨酯屬于一類高級涂料，目前獲得了廣泛的關注與運用。例如，利用聚氨酯的共聚物與含聚硅氧烷一同制作的涂料具備潮態硫化的功能；采取環氧硅氧烷來與水基聚氨酯微凝膠發生有效交聯，實現膜的力學性能提升。

3 結束語

總而言之，在經濟快速發展的社會背景下，環境保護成為人們的共識，所以綠色環保涂料的研發必定是日后發展的主流趨勢。目前，雖然水性聚氨酯涂料在很多領域都得到了廣泛應用，且具有很大優勢，但整體而言，我國在水性聚氨酯涂料技術研究方面仍存在一些不足，如成膜時間過長、施工中易產生氣泡而形成縮孔、原材料成本高等。這些缺點不僅是影響水性聚氨酯整體性能提高的重要因素，而且也限制了水性聚氨酯涂料市場進一步拓展。但無論如何，水性聚氨酯都是一種具有優異性能的新型涂料，相信通過不斷研究，水性聚氨酯涂料技術將不斷得以提升，從而開拓更廣闊市場。