涂料用水性聚氨酯研究進展

徐東峰，黃東平

(紅寶麗集團股份有限公司，江蘇　南京　210000)

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涂料用水性聚氨酯研究進展

徐東峰，黃東平

(紅寶麗集團股份有限公司，江蘇南京210000)

介紹了水性聚氨酯(WPU)涂料的主要種類和各種水性聚氨酯涂料適合應用的領域，綜述了近年來市場上常用水性聚氨酯涂料合成和改性方法，分別介紹了環氧樹脂改性，有機硅改性和納米材料改性方法，對各項改性方法的特點和改性過程進行了總結，最后通過分析水性聚氨酯涂料的性能特點和應用現狀，結合目前國內水性聚氨酯的發展水平，提出了未來水性聚氨酯涂料的研究方向。

水性聚氨酯涂料；應用領域；改性方法

隨著社會文明的迅速發展，人們的環保意識不斷增強，也更加重視環境保護，各國嚴格限制揮發性有機溶劑的排放，由此人們開發了WPU涂料。WPU涂料是指以水作為溶劑，溶解或分散的聚氨酯樹脂于水中而形成的一種涂料。WPU涂料也被稱為水基聚氨酯或水性聚氨酯，WPU涂料是基本介質為水的高分子化合物溶液，具有不易燃，低氣味，無污染，節約能源和施工方便的優點，逐漸受到人們的關注。水性聚氨酯的軟硬度可通過聚氨酯鏈段結構來調節，具有耐低溫性，良好的柔韌性等優點，使其應用更加廣泛。

1　WPU涂料的合成方法

水性聚氨酯制備方法有外乳化法和內乳化法。外乳化法也稱強制乳化法，此方法是早期的制作方法，需要在乳化劑、高剪切力的條件下將聚氨酯預聚體強制乳化，最終形成水性聚氨酯乳液。最早的水性聚氨酯產品主要外乳化法制備，但在反應中乳化劑用量多且反應時間長，獲取的乳液粒徑過大，導致聚氨酯乳液性能差且不穩定，目前工藝中很少使用。內乳化法或自乳化法是通過將親水基團直接導入分子鏈[1]，促使分子部分有著親水性并實現整個分子分散于水中，此方法避免了外乳化法性能差與不穩定等缺點，目前使用廣泛。其中最主要的方法為丙酮法，丙酮法應用范圍廣，產品質量好，粒子大小有著較大的可變范圍，目前絕大多數水性聚氨酯乳液為此法制備。

2　WPU涂料的應用

制備涂料用WPU時，聚氨酯樹脂中羧酸或胺基含量、基團成鹽的比例、乳化前預聚體異氰酸指數、聚氨酯分子中的硬段含量、交聯程度等都會對乳液穩定性及聚醚的性能都有較大影響[2]。水性聚氨酯除了具有軟硬度等性能可調性、柔韌性好及粘羧強度大等優點，還具有優異的耐磨、耐熱、耐疲勞、耐化學腐蝕性。WPU涂料主要分為防腐涂料、防水涂料、抗沖擊涂料和功能性涂料。

2.1防腐涂料

由于水性聚氨酯具有耐酸堿、耐磨損、低溫固化等一系列的優點[3]，人們將水性聚氨酯引入了防腐蝕涂料行業，涂防腐涂料以防腐蝕的方法具有成本低、施工方便、易于配合其他防腐措施的優點，具有良好的發展前景。WPU涂料具有保護和裝飾的功能，主要應用于墻面涂料，工業設施等，具有高耐久、抗磨耗、抗沾塵特點，在美化設施的同時，延長了其使用壽命，降低了維修成本。建筑物墻面及工業設施需經常暴露在大氣和雨雪及紫外線環境中，WPU涂料的耐候性、隔熱性和防水性完全能夠滿足使用需要，作為墻面保護涂料，聚氨酯涂料的耐堿、耐刷洗和耐沾污的特點，使其可以被直接涂裝于水泥材料的基底上，施工方便。

2.2防水涂料

防水是人們的生活中一項重要的工作，聚氨酯防水涂料具有優越的附著力，并且容易進行修補，防水耐腐蝕等性能均高于傳統涂料，相較于其他材料，水性聚氨酯的機械性較好，有著極高的粘著性。因此被廣泛的運用在建筑防水層。經過改性的水性聚氨酯涂料的粒徑減小，表面張力下降，聚氨酯涂膜的耐水性，耐熱性，粘附性和機械性能顯著改進，能夠滿足現代防水涂料多樣化需求。除此之外，水性聚氨酯還被用作涂層劑，用來制備防水透氣的功能性濕織物。相比之傳統的涂層劑，水性聚氨酯涂層劑所作織物具有柔韌性強、耐磨損性強等特點，并且綠色無污染，富有彈性。建筑防水涂料在使用時，WPU涂料形成致密均勻的涂膜，能夠有效防止滲漏，被廣泛用于屋頂和地下管道工程等場合。

2.3抗沖擊涂料

抗沖擊涂料可直接應用于水泥基地面，隨著工業生產要求的提高，WPU涂料被應用于工業生產有著嚴格的要求的場合，如低VOC，耐磨損，維修方便等。WPU涂料因其優異的性能，可用于衛生間和車庫等地面的防水及裝飾;它與水泥地面具有良好的粘結，施工后地坪整體性較好，WPU涂料在涂層固化后，涂層的彈性好，手感舒適，適用于會議室和高檔地板裝修等場合。唐進偉等合成了一種水性濕固化聚氨酯樹脂，該樹脂是經六亞甲基二異氰酸酯單體加聚后改性而成，該樹脂既具備單組分水性涂料施工便捷、成本較低的特點，又具有較好穩定性和膠膜耐水性及耐老化等性能。

2.4功能性涂料

2.4.1防火涂料

如今有機材料已經被廣泛的用于建筑物中，有機物的可燃性也使人們更加重視建筑物防火工作。防火涂料，因此也得到了快速的發展，防火涂料具有裝飾性和阻燃性，常常被用于易燃的建筑構件的表層上，以此提高有機材料的耐火能力。通過加入鹵素、氮、磷等元素于聚氨酯鏈段中[4]，并且加入合適的助劑協同，可以使WPU涂料具有一定的阻燃性。

2.4.2防霉涂料

防霉涂料通常被用于潮濕和溫暖的環境中，抑制建筑物表面的霉菌生長，同時具有裝飾的作用。由于WPU涂層本身是高分子材料和水等的混合物，具備微生物的生長條件，使其非常容易遭受微生物的感染，受到感染后的涂料會發生質變，不僅失去了其綠色環保的性能，還會對環境以及人體造成巨大的危害。因此，在水性聚氨酯中引入合適的殺菌劑可以防止微生物的滋生，保護涂料的性能不受影響。制備防霉殺菌的涂料時，有兩種方式可以選擇，一種是物理方法，直接將殺菌劑加入到WPU涂料中，既可以達到制備防霉殺菌涂料的效果，并且制備方式又簡單易行，常用的防霉殺菌劑為銀、納米TiO2和納米ZnO等無機抗菌劑[5]。第二種方法是化學方法，將有抗菌基團的有機高分子化合物將抗菌基團以共價鍵的形式結合在不溶性載體上，制備過程復雜，成本較高。

3　WPU涂料改性方法

3.1環氧樹脂改性

環氧樹脂具有環氧基和羥基的官能團可參與合成反應[6]，同時具有高彈性模量，高強度，耐熱性，耐化學性等優點，能夠提高剛度和耐腐蝕能力。應用環氧樹脂共混改性時，WPU和環氧樹脂之間并沒有形成化學鍵，主要依靠WPU分子的包覆作用和羧基的穩定作用，隨著環氧樹脂的量劇增，其穩定作用越來越小。化學共聚改性WPU，環氧樹脂直接參與合成WPU涂料，通過化學共聚法能夠得到性能更優異的WPU涂料。黎兵等從環氧樹脂-聚氨酯二元共聚和環氧樹脂-丙烯酸-聚氨酯三元共聚兩個大方向介紹了環氧樹脂改性水性聚氨酯,并對環氧樹脂改性水性聚氨酯材料在膠黏劑和涂料領域的研究進展做了詳述。劉斌等則合成了一系列不同EP含量的WPU，探討了不同環氧樹脂含量對獲得WPU分散體涂膜的耐水性、耐溶劑性及力學性能。

3.2有機硅改性

有機硅化合物結構中含有元素硅，屬于半有機、半無機結構的高分子化合物，因而具有良好的耐水性、耐候性、透氣性及低表面能等優點，有機硅改性水性聚氨酯的類型主要有四種類型：第一種類型為有機硅氧烷改性；第二種類型為有機硅氧烷-環氧樹脂復合改性；第三種類型為有機硅氧烷-丙烯酸酯復合改性；第四種類型為無機硅納米材料改性。周亭亭等分別對這四種類型改性的方法和特點進行了詳細的介紹[7]，并指出有機硅改性WPU涂料是一類具有很好發展前景的高分子涂料，它可以在粘合劑，高彈性纖維，選擇透過性薄膜以及防護涂料中應用，特別指出用羥基封端的聚硅氧烷改性水性聚氨酯的發展潛力更大。

3.3納米材料改性

納米材料因其自身的量子尺寸效應、宏觀量子隧道效應和表面效應[8]，在對WPU進行改性時，可以顯著改善WPU的耐熱性和力學性能，并賦予其良好的殺菌、阻燃等功能。常用的納米粒子有SiO2、TiO2、ZnO、碳納米管和石墨烯等。王煥等介紹了水性聚氨酯/蒙脫土納米復合材料的研究進展，指出蒙脫土由于特殊的晶體結構，使其具有較大的表面活性、較高的陽離子交換能力、強烈改變流體流動特性的能力，蒙脫土改性的水性聚氨酯與常用的水性聚氨酯相比，具有高的強度、彈性模量和韌性等。

4　WPU涂料未來研究方向

WPU涂料具有綠色環保、性能優越的特點，水性聚氨酯制備技術層出不窮，在各個領域都得到了廣泛應用，但是聚氨酯的制備過程中存在著很多的難題，想要使WPU涂料完全取代傳統聚氨酯涂料，仍有較多技術難題需要攻克。

4.1開發新型添加劑

WPU涂料是通過引入添加劑制備而成的，添加劑的加入能夠有效的改善水性聚氨酯的性能，因此，新型添加劑的開發就具有十分重要的意義，從而制備出性能突出的WPU涂料，滿足人們對涂料的功能性需求。

4.2探索新型聚氨酯分子結構

通過水性聚氨酯本身結構的改性及在聚氨酯分子鏈上嵌入其他分子鏈段，來改善WPU涂料的防水性能、剛性等，在保持水性聚氨酯本身優良性能的基礎上，對相對傳統涂料劣勢性能方面進行改進。

5　結　語

本文主要介紹了幾種常見的WPU涂料，并根據水性聚氨酯在涂料領域的應用和特點提出改性方法。目前世界各國都在積極研究WPU涂料的性能以及應用發展方向，期望其帶來更多的社會價值和經濟價值。

[1]Athawale V D，Kulkarni M A．Polyester polyols for waterborne polyurethanes and hybrid dispersions[J].Prog.Org.Coat.，2010，67(1):44-54.

[2]趙雨花，亢茂青，王心葵.軟段含離子基團的陰離子型 水性聚氨酯膠粘劑的研究[J].中國膠粘劑，2006,15(5):5-8.

[3]黃先威，肖鑫，劉方，等.環氧樹脂改性水性聚氨酯的研究[J].聚氨酯工業，2005，20(2)：20-23．

[4]李建宗，李士杰.聚氨酯乳液的應用及研究進展[J].聚氨酯工業，1997,12(4):11-14.

[5]吳建芬，孫建中.顧培韻，等.水性聚氨酯研究進展[J].高分子通報，1994,9(3):156-161.

[6]孫寧，程蘭蘭.水性聚氨酯的改性研究進展[J].聚氨酯工業，2006,21(4):7-11.

[7]周亭亭，楊建軍，吳慶云，等.有機硅改性磺酸型聚氨酯/丙烯酸酯復合乳液的制備[J].應用化學，2013，30(2):143-147

[8]周銘，周海清.水性聚氨酯研究進展[J].涂料工業，2001,31(2):30-33.

Research Progress on Waterborne Polyurethane Coatings

XU Dong-feng，HUANG Dong-ping

(Nanjing Hongbaoli Company Limited，Jiangsu Nanjing 210000，China)

The main types and application of waterborne polyurethane(WPU)coatings were introduced.In recent years，progress of synthesis and modification technology of waterborne polyurethane was reviewed.Modification methods mainly included epoxy resin modification,silicone modification and nano material modification.The characteristics of the modified method were evaluated.At last,the research directions of waterborne polyurethane coatings were put forward by analyzing the characteristics and application of water borne polyurethane coatings.

waterborne polyurethane coating; application direction; modification

徐東峰(1987-)，男，工程師，主要從事聚氨酯合成及應用。

TQ323.8

A

1001-9677(2016)06-0018-03