水性聚氨酯

水性聚氨酯涂料

摘要：本文介绍了水性聚氨酯涂料的组成、结构以及特性，然后讲述了水性聚氨酯的应用，最后展望了该涂料的发展趋势。

关键词：水性聚氨酯，组成，特性应用，展望

水性聚氨酯包括聚氨酯水溶液, 水分散液和水乳液, 是以水为介质的二元胶态体系。它不含或含很少量的有机溶剂, 其粒径小于0.1 nm, 具有较好的分散稳定性, 不仅保留了传统的溶剂型聚氨酯的一些优良性能, 而且还具有生产成本低、安全不燃烧、不污染环境、不易损伤被涂饰表面、易操作和改性等优点 , 对纸张、木材、纤维板、塑料薄膜、金属、玻璃和皮革等均有良好的粘附性。水性聚氨酯涂料将聚氨酯涂膜的硬度高、附着力强、耐腐蚀、耐溶剂好等优点与水性涂料的低VOC含量相结合，符合发展涂料工业的“三前提”（资源，能源，无污染）及“四E原则”（经济 ECONOMY，效率EFFICIENCY，生态ECOLOGY，能源ENERGY）

1 聚氨酯防水涂料的组成、结构

1.1 组成

目前我国市场上双组分聚氨酯防水涂料的预聚体组分(常称甲组分), 其组成相差不大, 基本上都以甲苯二异氰酸(TDI)与聚醚多元醇(简称聚醚)的多种型号混合物加成聚合而成(又称逐步聚合, 它既不是缩合, 也有别于聚合)。为获得合理的抗拉强度和延伸率, 预聚体的- NCO质量分数w-NCO 值应该控制在4%～5%.由于不少生产企业在选材、设备及工艺控制上还达不到反应的严格要求, 反应最终产物的游离TDI 含量w-NCO 在0.5%以上( 优良的反应在0.1%以下), 故这些厂家预聚体的w-NCO 实际控制在(5 土O.5)%左右, 产品组分的差异多数发生在乙组分的组成上:主剂分别采用与一NCO 反应的聚醚、含芳香烃的焦油类物质或带有结晶水的无机化合物及它们的混合物; 助剂有固化剂摩卡(MOCA), 它具有对称的芳环结构及邻位氯原子, 前者的刚性以及与其它基团反应生成的脲键的极性吸引力使聚氨酯具有很高的机械强度,后者的空间位阻和吸电子效应降低了胺基的反应速率, 使双组分涂料有足够的施工时间;增塑剂二丁酯、蒽油类可调整产品的抗拉强度及延伸率;填料不仅可以降低成本, 而且可以改善产品的高低温性能、施工性及储存稳定性;有的产品还加人催化剂以提高冬季成膜性。由此可见, 我国目前商品聚氨酯防水涂料的质量主要取决于乙组分的组成。

1.2 结构及其与老化的关系

聚氨酯的- NCO 基虽然可以与很多活泼基团反应, 但对于防水涂料而言, 具有应用价值的以含有- OH.- NH2 活泼基团的物质为主。聚氨酯分子结构中除氨酯键外, 还存在原料引人的醚键、酯键、不饱和双键基团及反应可能形成的脲基、缩二脲、脲基甲酸酯等链节。化学结构上的差异势必反映在性能上:

1)芳香族氨酯键裂解温度低, 例如酚封闭的芳香族氨酯键裂解温度仅120℃, 而醇封闭的脂肪族氨酯键裂解温度可达250℃, 这就是聚醚聚氨酯防水膜可以作非外露型防水材料的主要原因;

2)芳香族氨酯键遇胺转化为脲, 性脆而延性差;

3)芳香族氨酯键遇醇而醇解, 进一步受紫外线照射或受热会分解;

4)芳香族氨酯键的抗碱性大大低于脂肪族氨酯键, 而目前的建筑物基层以水泥为主, 这对芳香族氨酯键是不利的。由于煤焦油中的活泼氢基本上都以芳香族基团出现, 故焦油聚氨酯防水涂料的抗老化性极差是由先天性的缺陷所造成的。

2 水性聚氨酯的特性

聚氨酯材料因其独特的化学结构具备许多独特的性能：

1）聚氨酯中含有很强极性和化学极性的异青蒜根（-NCO）和氨酯基团（-NHCOO-），与含有活泼氢的材料，如泡沫塑料、木材、皮革、纸张、陶瓷等多孔和金属、玻璃、橡胶、塑料等表面光洁的材料都有优良的粘合力。而聚氨酯与被粘材料之间产生的氢键作用使分子内聚力增强，使得粘合更加牢固。并且抗磨性、耐冲击性好。脂肪族聚氨酯水分散体户外耐久性好，综合性能接近于溶剂型聚氨酯涂料。

2）聚氨酯水分散体树脂的分子结构和大小根据性能要求，可在较大范围内调节。

通过调节聚氨酯分子中软、硬段的比例及结构，可以制成不同硬度和伸长率的材料，从而满足不同的需要。

3）容易通过交联反应进行改性，以提高耐溶剂和抗化学品性，改进耐水性。也提高涂膜光泽，以及对颜料（包括金属颜料）的良好适应性。所含羟基官能团可以使用一些交联剂和固化剂，以进一步改进涂膜性能。和其他水分散体如丙烯酸、乙烯类、醇酸树脂等混合性好，为改进性能提供了更好的途径。4）水性聚氨酯大大减少了VOC，接近环境友好型涂料，是在水中完成反应的聚合物，不存在游离异氰酸酯，毒性小。

5）和其他乳胶涂料相比，低温成膜性好，不需要成膜助剂，也不需要增塑剂。6）水性聚氨酯涂料气味小，使用方便，残料易清洗，无污染等。

7）水性聚氨酯涂膜高耐磨，高光泽，黏结力强。

2 水性聚氨酯涂料的应用

不同类型的多异氰酸酯和多羟基化合物反应,可以制得不同性能的涂料, 以满足各应用领域的需求。聚氨酯涂膜具有一系列优良的特性, 最突出的优点是耐磨性, 耐化学品性, 良好的韧性、弹性和对基材的粘接性, 能在室温或低温固化, 因此聚氨酯涂料在各领域得到了广泛应用, 被认为是综合性能最好的涂料品种

随着无毒、无公害、性能好的WPU 涂料的研制成功, 其应用领域将不断扩大。例如, 荷兰Stahl 公司已拥有40 余种皮革用WPU 涂饰剂系列产品。由于WPU 的渗透性比溶剂型聚氨酯的渗透性小得多, 故在薄层织物上用作涂饰剂可保持织物

的柔软性, 改善织物的耐磨性、抗皱性、回弹性、耐水性、耐热性及耐洗涤性等。在汽车工业中, 车体零部件、内外饰件, 特别是各种塑料件使用的涂料, 车身表面涂装使用的涂料( 即汽车漆) 以及修补车身的修补漆等, 都广泛采用了WPU

涂料。WPU 涂料的另一大应用领域是木器漆, 它不仅柔韧性、耐磨性、低温成膜性和丰满度好, 而且强度大、不回黏。此外, 建筑涂料可能是未来WPU 涂料的最大应用领域之一, 尤其是和丙烯酸乳液混用, 可以满足建筑涂料对弹性、耐沾污性、耐候性以及成本合理的要求。

3 水性聚氨酯的应用

3. 1 木器涂料

木器漆一般要求美观并有良好的耐磨性、耐沾污性。水性聚氨酯具有耐磨性、柔韧性、附着力强等特点，木器漆已成为水性聚氨酯涂料的重要应用领域，具有广阔的发展前景。瞿金清等采用水性聚氨酯分散体和丙烯酸乳液复配制备水性木器涂料,通过正交实验优选了水性聚氨酯木器涂料配方，性能测试结果表明,研制的水性聚氨酯丙烯酸复合木器涂料具有干燥速度快，硬度高和耐水性好等优点。侯孟华等通过高分子反应得到WPU预聚体，再将此预聚体在低浓度的氨基硅烷偶联剂溶液中扩链，制得一种氨基硅烷偶联剂改性的聚氨酯水乳液，以此乳液再配