水性聚氨酯木器漆的研究現狀

魏珺誼，丁澤強，黃學敏

（華陽集團碳基合成材料研發中心，山西 太原 030002）

0 引言

進入21 世紀，房地產業的飛速發展促進了家裝行業的發展。作為主要的裝修裝飾材料，木器漆被廣泛用在家具、櫥柜、地板、鉛筆涂料等產品中，對木材起保護、裝飾作用的同時還能增加視覺享受，其消費量在很多國家均居工業涂料之首，產量占本國涂料總量的10%左右。目前常用的聚氨酯和硝基木器漆多為溶劑型涂料，基于其極佳的硬度和漆膜豐滿度以及優異的耐化學性和快干性備受消費者青睞，占據了木器涂料的主要市場，但由于其大多使用苯、甲苯、二甲苯等有機溶劑導致VOC 超標，造成資源浪費和環境污染。近年來，隨著人們生活質量的提高和環保意識的增強，加上世界各國環保條例對VOC 排放量及有害溶劑含量的嚴格限制，溶劑型涂料的發展受到了制約，木器涂料水性化發展已成為必然趨勢。以水為分散介質、無溶劑揮發、綠色環保的水性涂料應運而生，并被成功應用于建筑裝潢和家庭裝修中[1]。

水性聚氨酯木器漆以聚氨酯樹脂為主要成分和成膜物，除了環保性，同時具備施工性好、高固含、豐滿度佳、漆膜硬度高、高度的耐耗性及耐撞擊性等優點，是目前水可稀釋的最現代化、性能優異的環保型木器涂料，已成為水性涂料中發展最快的涂料產品[2]。

1 水性聚氨酯木器漆的制備

水性聚氨酯的制備方法分為外乳化法和內乳化法[3]。外乳化法先由多異氰酸酯和多元醇加入擴鏈劑合成一定分子量的預聚體，再加入乳化劑在高速攪拌下強制乳化制得。由于在生產過程中需要添加大量乳化劑并在水中強力攪拌、擴散，得到的聚氨酯乳液不僅粒徑分布不均、穩定性較差，成膜性能也會受到影響，目前已很少使用。內乳化法也叫自乳化法，原理是在聚氨酯鏈段上引入親水基團，以利于在水中分散，無需外加乳化劑即可分散成穩定乳液，是目前市場上生產水性聚氨酯樹脂的主要方法。根據不同的擴鏈反應條件，內乳化法可分為丙酮法、預聚體法、熔融分散法和保護端基法等，丙酮法和預聚體法是最常用的方法。

丙酮法又叫溶劑法，是指在丙酮存在下，聚氨酯預聚體和親水擴鏈劑進行擴鏈反應，生成較高分子量的聚氨酯預聚體，然后使其分散于水中形成乳液，再通過減壓蒸餾脫除丙酮即得水性聚氨酯乳液。丙酮法在制備過程中需要大量丙酮等有機溶劑，增加了能耗較高的蒸餾步驟，且溶劑回收率低、難以重復使用，但易于操作，成品質量好且乳液成膜性能好，仍然是實際生產過程中最常用的方法之一[4]。

預聚體法又叫乳化法，采用帶不同電荷的親水基團的小分子化合物作為親水擴鏈劑，先合成帶有-NCO 端基的預聚體，在外力攪拌下將預聚體分散于含有多元胺的水中，進一步擴鏈提高分子量。預聚體法反應進程難以控制，需要嚴格控制預聚體黏度和親水基團數量來保證預聚體在水中的分散性，但工藝較為簡單，且無需大量耗費丙酮等有機溶劑，是實現環境保護和經濟效益的雙贏方法。

2 水性聚氨酯木器漆的改性研究

由于水性聚氨酯結構中引入了親水集團，在耐水性、耐溶劑性、硬度與豐滿度等方面與溶劑型聚氨酯木器漆存在很大差距，嚴重限制了其使用范圍。為了進一步提升其綜合性能，往往需要進行一系列改性。常用的改性方法有環氧樹脂改性、有機硅改性、丙烯酸酯改性和納米材料改性等[5]。

2.1 環氧改性

環氧樹脂具有附著力強、耐化學性好、固化硬度高等特征，并且結構中的多羥基組分可以與異氰酸酯直接發生反應，接入聚氨酯主鏈形成部分交聯網狀結構，使漆膜的拉伸強度、耐水和耐溶劑性得到增強。孫等[6]以環氧樹脂E-20 為改性劑首先合成了環氧樹脂改性多元醇，將多元醇引入水性聚氨酯制備體系制得環氧改性水性聚氨酯，對比發現，改性后的材料硬度、附著力和耐水性等性能均明顯提高。李海濤等[7]以蓖麻油和環氧樹脂E44 為交聯劑，采用預聚體分散法合成了環氧樹脂蓖麻油雙重改性水性聚氨酯，實驗發現，環氧樹脂和蓖麻油的加入提高了聚氨酯的熱穩定性，得到的乳液顆粒大小均勻，涂膜的熱穩定性高、機械性能增強、吸水率降低。王海峰等[8]合成了雙酚F環氧樹脂改性水性聚氨酯涂料，環氧基的開環反應與苯環的剛性使得改性后水性聚氨酯涂膜的耐沖擊性、鉛筆硬度等和附著力提高，當環氧樹脂添加量為6%～8%時，水性聚氨酯乳液的性能最佳。

2.2 有機硅改性

有機硅材料獨特的分子結構賦予其耐高低溫、耐候性、耐腐蝕性、低表面能性等優良特征，常作為偶聯劑用于聚氨酯材料的改性。將聚氨酯與有機硅氧烷結合起來，在聚氨酯分子中引入憎水基團，大大降低了膜的表面張力和表面能，對材料的力學性能影響不大，卻有效提高了涂膜的硬度、穩定性、耐老化性、抗磨性和耐水性等。M.M.RAHMAN 等[9]以硅烷改性的乙二胺（TMSiP-EDA）為擴鏈劑和改性劑，特種異氰酸酯H12MDI、聚冰乙酸二元酸PTMG、DMPA 為原料，制得一系列有機硅改性水性聚氨酯乳液。對比發現，經TMSiP-EDA 改性的水性聚氨酯涂層的楊氏模量及拉伸性能分別提高了700%及32%，并且其防污性能及耐腐蝕性能獲得了明顯提升，在海水中浸泡數月沒有顯著改變。

2.3 丙烯酸酯改性

丙烯酸酯樹脂耐光性、耐候性好、硬度高、成本低，也作為水性涂料使用，但常規的丙烯酸樹脂存在成膜溫度高、膠膜硬度低、抗回粘性差、耐水性、附著力差等缺點。丙烯酸酯改性水性聚氨酯結合了水性聚氨酯的高硬度、柔韌性、耐磨性和丙烯酸樹脂對顏料的潤濕性及優異的耐化學品性等優良性能，在降低成本的同時還可改善聚氨酯的硬度和耐水性，可用于制備中高檔水性木器漆。常用的改性方法有物理共混、核-殼聚合、雙鍵共聚、互穿網絡等，其中互穿網絡的改性效果更加明顯。朱萬章[10]通過分子內交聯制備了核-殼結構的丙烯酸改性聚氨酯分散體，利用該分散體制造的水性木器漆有較好的柔韌性、耐水性、耐溶劑性等性能。李珩等[11]采用聚四氫呋喃二醇、IPDI、DMPA 等為主要原料，全氟辛基乙基丙烯酸酯（FA）為改性劑，合成了含氟丙烯酸酯改性水性聚氨酯。研究結果表明，隨FA 含量增加，乳液粒徑增大，膠膜接觸角變大，吸水率變小，拉伸強度變大，斷裂伸長率變小，耐熱性能提高，當FA 加入量為40%時，WPUFA整體性能最佳。

2.4 納米材料改性

納米材料的特殊性質賦予其屏蔽輻射、耐磨、導電、隔熱等性能，常用于水性聚氨酯的共混改性當中，可制備出力學強度高、耐熱性強、同時具有超疏水性、導電等特殊功能的水性聚氨酯膜。其中，氧化鋁、二氧化硅、二氧化鈦、氧化鋅、碳酸鈣、蒙脫土等是常用的納米材料改性劑。Li 等[12]以十六烷基三甲氧基硅烷，四乙氧基硅烷和納米SiO2為原料制備出納米二氧化硅懸浮液，后將水性聚氨酯與納米二氧化硅懸浮液依次噴涂于基材表面，實驗發現，聚氨酯樹脂使納米SiO2很好的附著于基材表面，形成的涂層具有超疏水性及自修復功能，經測定，涂層水解觸角可達163.9°。Lanqing Peng[13]等以硅鎂土為改性劑制備了新型水性聚氨酯/硅鎂土納米復合材料。硅鎂土與預聚體發生交聯反應產生AT-NCO 鍵合起到化學改性的作用，改性后的AT-NCO 均勻分散到水性聚氨酯中，提高了漆膜的耐熱性、拉伸強度等性能。

3 結語

隨著人們環保意識的增強，綠色及可再生涂料的發展已經成為常態，傳統的易揮發有機溶劑型涂料受到巨大挑戰。具有良好低溫成膜性、高物理使用性能、低VOC 排放量、耐高溫性的水性聚氨酯涂層逐步占領行業高端水平，在涂料領域內具有廣闊的應用前景，是目前水性木器漆研發的一個重點和熱點。經過幾十年尤其是近10 年的發展，水性聚氨酯應用于木器涂裝已經十分成熟，但仍存在性能方面的缺陷，難以在短時間內實現大規模市場推廣。提高水性聚氨酯木器漆的綜合性能，縮短與溶劑型木器涂料的市場差距，進而更好地滿足人類需求仍是涂料領域研究的熱點與難點。