探析水性聚氨酯材料性能的影響因素及改性

戴淄岳 刁春莉

摘 要：聚氨酯主要是指分子主鏈上包含很多氨基甲酸酯基團的高分子聚合物。聚氨酯鏈段結(jié)構是最具有代表性的多嵌段共聚物結(jié)構，硬段與軟段相互交替出現(xiàn)。而水性聚氨酯材料是一種常見的材料，其性能較多，質(zhì)量可靠，廣泛應用于某些特殊的行業(yè)，比如：航天行業(yè)、工業(yè)等等。本文主要分析了水性聚氨酯材料性能的影響因素及改性，以供大家參考。

關鍵詞：水性聚氨酯材料；性能；影響因素；改性

聚氨酯彈性體是一種具有鮮明特征、性能良好的熱塑性樹脂，水性聚氨酯材料只是作為其中的一種類型，雖然起步時間晚，但是發(fā)展速度快，綜合性能顯著提升，現(xiàn)階段已經(jīng)語句溶劑型類似的品質(zhì)。溶劑型聚氨酯材料在施膠中經(jīng)常需要添加許多有機溶劑以減少粘度，以便于使用。有機溶劑具有易燃、易爆等特征。多年來，隨著各個國家環(huán)保法對VOC含量的限制及人們節(jié)能環(huán)保意識的加強，水性聚氨酯材料得以快速發(fā)展，通過合理利用改性手段提升其使用性能，成為目前聚氨酯樹脂的主要發(fā)展趨勢之一。

1 水性聚氨酯合成方式對性能產(chǎn)生的影響

水性聚氨酯材料的制備方式可以分為兩種，一是外乳化法，二是內(nèi)乳化法。后者需要增添外加乳化劑強制乳化，乳液穩(wěn)定性相對較差，而且小分子乳化劑殘留會直接影響聚氨酯質(zhì)量。[1]當前，應用最普遍的方法是內(nèi)乳化法，即在聚氨酯分子鏈段中融入親水性成分，不需要添加乳化劑就可以形成穩(wěn)定乳液的方式。

可用于聚氨酯水性化的親水集團可以分為三大類，分別是非離子型、陽離子型和陰離子型，其在產(chǎn)物性能上存在一定的差異。通常，陰離子型有兩類，分別是磺酸型和羧酸型。前者可以使用二羥甲基丙酸進行制備，其特征是分子量較小，而且因為位阻作用大多數(shù)羧基都能夠保留，所以具有相當高的乳化效率。后者，主要依靠融入SO3-Na+基團來獲取親水性，成品的耐水性能超出羧酸型，但是我國幾乎不會采用。由于DMPA制備具有良好的水性聚氨酯性能，應用也是最普遍的。陽離子型利用N- 甲基二乙醇胺獲取親水性，因為陽離子水性聚氨酯性質(zhì)并不是穩(wěn)定的，對電解質(zhì)是非常敏感的，所以相關研究和應用是很少的，但是其對包含陰離子的基質(zhì)具有優(yōu)異的粘結(jié)性能。非離子型和兩性離子型應用較少。

按照不同的擴鏈反應歷程，內(nèi)乳化法可以分為三大類，分別是丙酮法、酮亞胺連氮法和預聚體分散法。[2]其中，丙酮法制成的水性聚氨酯乳液具有穩(wěn)定性的特征，相對分子量較高而分布范圍窄，所以其具有較好的力學性能。然而需要消耗許多有機溶劑，成本較高，效率較低，而且受到反應速率的影響，通常只是適用于制備線性聚合物。

2 水性聚氨酯分子結(jié)構對性能產(chǎn)生的影響

2.1 軟段對性能的影響

聚氨酯彈性體的軟鏈段對材料的彈性有重要影響，而且對其拉伸和低溫性能有較大的貢獻。相對于聚醚型聚氨酯彈性體而言，聚酯型聚氨酯彈性體具有良好的耐水解性。 聚醚軟段的玻璃化轉(zhuǎn)變溫度是較低的，所以低溫應用范圍更加廣泛。而聚醚或聚酯軟鏈段的規(guī)整度能夠提升其結(jié)晶度，所以可以對材料的抗拉強度進行改善，同時也可以添加聚合物的滯后特點。

2.2 微相分離結(jié)構的影響

聚氨酯的特殊性主要來自于其顯著的微相分離結(jié)構，與大分子鏈的硬段聚集成晶區(qū)是不同的，起到物理建聯(lián)的重要作用，提升體系的耐磨性能。軟段基質(zhì)與硬段微區(qū)存在氫鍵等多種形式的結(jié)合，所以可以起到活性填料的作用。導致聚氨酯微相分離的影響因素有多種，主要包括軟硬嵌段的化學結(jié)構、分子量以及軟硬段間相互作用等等。在相互分離的微相中還存在鏈段之間的混合，從而造成軟段玻璃化溫度的提升和硬段玻璃化溫度的降低，并且降低材料的耐熱性能。

3 水性聚氨酯材料改進探究的進展

水性聚氨酯最早是由化學家 Schlack 提出的，在后來的30年里，并沒有引起人們的高度重視。 自從20世紀80年代后，隨著環(huán)保主張的不斷普及推廣，水性聚氨酯的需求越來越多。特別是最近幾年，由于水性聚氨酯改性技術的進步，產(chǎn)品性能得到大幅度提升，使用范圍越來越廣。當前，水性聚氨酯改性探究的熱點主要體現(xiàn)在以下兩個方面：

3.1 共聚改性

聚氨酯化學性質(zhì)是非常活潑的，在催化劑作用下，丙烯酸酯類單體與氨基甲酸酯中 -NH-基團能夠共聚，形成丙烯酸酯共聚物，產(chǎn)品自身的物理性能有所提升，此種類型的改性產(chǎn)品不管在國外，還是在國內(nèi)，都已經(jīng)是普及的。并且水性聚氨酯還能與環(huán)氧樹脂、乙烯基樹脂實現(xiàn)共聚改性。而環(huán)氧樹脂具有良好的強度和粘結(jié)力。通過利用改性PU體系獲取較好的韌性。國外有些國家開始將VER改性聚氨酯彈性體應用于高抗沖擊材料中。

3.2 本體改性

聚氨酯彈性體的組成結(jié)構是復雜化的，原料類型多樣化，突破普通的組合，經(jīng)常會得到性能差異較大的材料。相對于國內(nèi)而言，國外這些原料配套完善、研究應用相當多。比如：利用聚碳酸酯二醇獲取強度高、耐水性好的材料，利用聚四氫呋喃醚二醇獲取良好的低溫使用性能。

4 結(jié)語

國外經(jīng)過長期的發(fā)展，水性聚氨酯配套原料類型是相對齊全的，質(zhì)量具有穩(wěn)定性的特征，其產(chǎn)品性能良好 ，當前，我國水性聚氨酯材料性能仍舊是單一的，品種以 MDI與 PPG的組合為主，產(chǎn)品價格高和需求少阻礙了我國水性聚氨酯材料的研究與應用 ，因此我國相關研究和產(chǎn)品開發(fā)迫切需要提升。

參考文獻：

[1]王寅，傅和青，顏財彬，余榮民，夏建榮.納米材料改性水性聚氨酯研究進展[J].化工進展，2015，34（02）：463-469.

[2]王學川，任靜，強濤濤.一種磺酸型水性聚氨酯擴鏈劑的合成、表征及應用[J].化工學報，2015，66（02）：834-842.