發泡劑對水性聚氨酯仿麂皮性能的影響

狄守月，王建明

（北京服裝學院材料科學與工程學院，北京 100029）

傳統的合成革涂層劑以溶劑型的聚氨酯（PU）為主，其中含有大量的DMF 等有害溶劑[1]，在生產過程中，水會將涂膜內的DMF 置換出來，對環境造成污染，并且DMF 在皮革中容易殘留，從而使產品存在安全問題[2-3]。隨著環保要求的提高，人們相繼開發了以水為溶劑的水性聚氨酯（WPU）涂層劑，水性聚氨酯具有無毒、無臭味、無污染、不易燃燒等優點，同時水性聚氨酯用作織物涂層具有成膜性好，遮蓋力強，黏結牢固，涂層光亮、平滑、耐曲折、易于清潔保養等特點，因此水性聚氨酯得到了廣泛應用[4-8]，目前誠遠皮革科技有限公司已經生產出水性家具革、水性PU革等，金山環材制作了干法和濕法水性PU 產品（如JT-18056、JT-18057）。為了增加水性聚氨酯合成革的透氣性、豐滿性、柔軟性，讓合成革和真皮有相似的手感，發泡層的存在尤為重要[9]。

發泡的方法可以分為化學發泡法和物理發泡法。化學發泡法又稱為熱分解發泡法，其原理是添加化學發泡劑的涂層在加熱干燥的過程中，發泡劑受熱分解產生氣體，從而在涂層中形成很多泡孔。物理發泡法，一種是加入主要成分為表面活性劑的發泡劑，降低表面張力，通過物理機械攪拌鼓入空氣，從而形成泡沫，然后再通過干燥，使其形成具有泡孔結構的發泡涂層；另一種是加入一種微小的球狀塑料顆粒，受熱時殼內氣體膨脹，微球體積增大，同時微球外殼不會破裂，仍保持一個完整的密封球體。物理發泡法可以避免有毒氣體的產生，不會對人體造成危害[4，10]。本實驗采用物理發泡法的第2種，雖然發泡層可以改變合成革的透氣性、柔軟性、豐滿性，從而提高合成革的手感，但是也會影響合成革的其他性能，如頂破強力、耐靜水壓等，因此需要控制發泡劑在溶液中的比例[11-12]。

制備不同發泡劑用量的WPU 溶液，在莫代爾基布上涂覆相同的量，烘干、焙烘制備不同發泡劑用量的仿麂皮。通過測定仿麂皮的靜水壓、透氣性、硬挺度、頂破強力來確定仿麂皮最佳的發泡劑用量。

1 實驗

1.1 材料與儀器

藥品：2426A 水性聚氨酯WPU（浙江德美博士達有限公司），Tx-31 發泡劑（東莞市鴻鼎化工有限公司），氫氧化鈉（分析純，國藥集團化學試劑有限公司）。

織物：莫代爾纖維針織布（商業用品，220 g/m2，樂信布業）。

儀器：Datacolor 500測色配色儀[Datacolor商貿（上海）有限公司]，OEM 電子精密天平[奧豪斯國際貿易（上海）有限公司]，BPG-9140A 電熱鼓風干燥箱（上海一恒科技有限公司），H22-X30電磁爐（杭州九陽生活電器有限公司），CAC150透氣度試驗機（英國Veri-Vide 公司），HDO26N電子織物強力儀（南通宏大實驗儀器有限公司），Y-014 Hydro Static Head Tester（Sdlatlas 公司），M003B 自動懸臂式硬挺度試驗機（錫萊-亞太拉斯有限公司），FFD-1定壓厚度測量器（深圳市鑫騰明計量儀器商行），JEOL JSM-6360LV 掃描電鏡（日本電子公司）。

1.2 水性聚氨酯仿麂皮的制備

基布的預處理：將莫代爾基布用NaOH 水溶液處理，以去除基布表面的油污。

涂料的制備：取300 g WPU置于燒杯中，加入不同質量的發泡劑（對WPU質量）、2%的增稠劑，將混合液在磁力攪拌上攪拌均勻，制得不同發泡劑用量的水性聚氨酯溶液。

仿麂皮的制備：準備3塊莫代爾基布（基布的尺寸大于19 cm×24 cm即可），準確稱取并記錄其質量；將WPU 溶液用刮刀通過全透網（規格19 cm×24 cm，見圖1）涂覆到基布上，放入70 ℃的電熱鼓風干燥箱中烘15 min；重復上述操作，直至3塊基布上有相同質量的WPU，然后在120 ℃焙烘，得到不同發泡劑用量的仿麂皮，記錄仿麂皮的質量。

圖1 全透網規格

1.3 測試

1.3.1 耐靜水壓

參照GB/T 4744—2013 靜水壓法，在Hydro Static Head Tester上測試。

1.3.2 硬挺度

參照GB/T 18318.1—2009 斜面法，在自動懸臂式硬挺度試驗機上測試。

1.3.3 透氣性

參照GB/T 5453—1997，在透氣度試驗機上進行測試，測試面積為20 cm2，壓強為200 Pa。

1.3.4 頂破強力

參照GB/T 19976—2005鋼球法，在電子織物強力儀上測試。實驗中采用的鋼球直徑為25 mm，試驗機的速度為300 mm/min。

1.3.5 仿麂皮的厚度

通過定壓厚度測量器，在2 kPa 的壓力下測量仿麂皮的厚度。

1.3.6 成膜性

配制不同發泡劑用量的WPU溶液，將發泡漿料均勻涂覆在規格為80 mm×30 mm×4 mm的聚四氟乙烯凹槽中，干燥后測定膜的厚度，膜的厚度與玻璃板凹槽深度的比值，即為涂層的成膜數值。

1.3.7 表觀形貌

通過掃描電鏡拍攝仿麂皮的表觀圖和截面圖。

2 結果與討論

2.1 發泡劑用量對仿麂皮耐靜水壓、硬挺度、透氣性的影響

按1.2 的實驗工藝制備仿麂皮，測不同發泡劑用量仿麂皮的耐靜水壓、硬挺度、透氣率，結果如圖2～4所示。

由圖2～4可知，隨著發泡劑用量的增大，仿麂皮的耐靜水壓、硬挺度逐漸減小，而透氣率逐漸增大。這是因為隨著發泡劑用量的提高，泡孔量增多，仿麂皮表面的空隙增多，再加上泡孔內氣體的作用，使得涂層的硬度下降；而涂層空隙的增多使得仿麂皮的耐靜水壓減小，透氣性增大。但是下降或者增大的趨勢逐漸變緩，主要原因是發泡劑的引入對仿麂皮的性能影響較大，同時發泡劑對仿麂皮性能的影響有一定的限度。透氣性改善較小的原因是微球發泡劑所發泡孔為封閉式，球殼不會破裂，沒有空隙的生成。

圖2 發泡劑用量對耐靜水壓的影響

圖3 發泡劑用量對硬挺度的影響

圖4 發泡劑用量對透氣率的影響

2.2 發泡劑用量對仿麂皮頂破強力的影響

按1.2 的實驗工藝制備仿麂皮，測不同發泡劑用量仿麂皮的頂破強力，結果見圖5。

由圖5可知，隨著發泡劑用量的增加，頂破強力逐漸減小。這是因為發泡劑用量提高，泡孔的數量增加，內部缺陷增多，在頂破強力實驗中容易造成應力集中，使仿麂皮在較低的應力作用下被破壞，從而導致頂破強力減小。

2.3 不同發泡劑用量下WPU仿麂皮的厚度

由表1 可知，隨著發泡劑用量的增加，WPU 仿麂皮逐漸變厚。這主要是因為隨著發泡劑用量的增多，仿麂皮厚度方向泡孔增多，而泡孔為封閉式，從而會使仿麂皮的厚度增大。加入發泡劑，WPU仿麂皮明顯變厚，這說明引入發泡劑后明顯改善了仿麂皮的手感和回彈性。

表1 WPU仿麂皮的厚度

2.4 不同發泡劑用量下WPU的成膜性

由表2 可知，隨著發泡劑用量的增加，WPU 的成膜性有所增強。這是因為微球發泡劑發泡后使WPU膜變厚。

表2 WPU的成膜性

2.5 不同發泡劑用量下仿麂皮的表觀圖和截面圖

2.5.1 不同發泡劑用量下仿麂皮的表觀圖

由圖6可知，隨著發泡劑用量的提高，表面凸起的封閉式泡孔增多，仿麂皮表面的空隙增多，達到一定的量后，仿麂皮表面出現破裂現象。內部微觀缺陷增多。這與仿麂皮性能隨著發泡劑用量變化趨勢的分析結果一致。由圖6d可知，當發泡劑用量達到3.0%后，仿麂皮表面開始出現裂痕，這會嚴重影響仿麂皮的性能，因此需要將發泡劑的用量控制在一定的范圍內。

2.5.2 不同發泡劑用量下仿麂皮的截面圖

由圖7可知，由于該發泡劑為封閉式發泡劑，因此對仿麂皮透氣性的改善效果并不明顯。隨著發泡劑用量的增多，WPU 涂層內部泡孔數量增多，從而影響仿麂皮的性能。這與仿麂皮性能變化的原因相符合。

圖7 仿麂皮的截面圖

3 結論

（1）隨著發泡劑在溶液中用量的增加，仿麂皮的耐靜水壓、硬挺度、頂破強力均下降，而透氣率上升。WPU 的厚度隨著發泡劑用量的增加而增大，使WPU膜成膜性越來越好。

（2）發泡劑用量需要控制在一定的范圍內，最佳發泡劑用量為2%，仿麂皮的耐靜水壓為50.6 cmH2O，硬挺度為2.56 mN·cm，透氣率為0.693 mm/s，頂破強力為363.5 N。此時仿麂皮的手感豐滿，更加接近真皮的手感。