高性能水性聚氨酯涂料的發展及改性研究

劉桂艷

（武漢華夏理工學院，湖北武漢 430223）

傳統的聚氨酯涂料往往存在大量的揮發物，這些揮發物的揮發會對人的身體健康帶來較大的影響，同時會對環境造成一定程度的影響。為了最大限度地保護環境，要加強對于傳統聚氨酯涂料的改性研究，以提高水性聚氨酯涂料的綠色無污染水平，實現人們生活質量的提高。在實際的應用過程中，要采取切實可行的改性方案，以適用于不同的應用場景，滿足人們的多樣化生活，實現高性能水性聚氨酯的廣泛應用和發展。

1 水性聚氨酯涂料的應用現狀

目前水性聚氨酯涂料在生活中有了較大的使用范圍，極大地促進了人類社會的發展和進步，實現了我國經濟社會發展各個領域的有效增長，為人們生活水平和生活質量的提高做出了突出的貢獻。但是在具體的應用領域，仍存在一些問題亟待解決，只有不斷加強研究，實現水性聚氨酯涂料的改性，才能有效對水性聚氨酯涂料進行應用，促進人類社會的發展與進步。目前應用上的不足主要存在以下幾個方面。首先是水性聚氨酯涂料成膜所用的時間較長，且對周圍環境要求較高，并且含量相對較低，不易于存儲，導致應用范圍相對狹窄，不利于大規模使用。要加強此方面的研究，就要對水性聚氨酯涂料進行積極的改良性能，降低其對周圍環境的依賴程度，提高存儲效率，促進水性聚氨酯涂料的有效使用，滿足實際的使用需要。其次是水性聚氨酯涂料的耐水性能較差，相較于溶劑型的涂料，水性聚氨酯涂料的使用范圍受到很大程度的限制。究其原因在于水性聚氨酯涂料的成膜中含有親水的物質，導致耐水性較差，需要對水性聚氨酯涂料進行有效的改性，使其提高耐水性，增強使用效率，從而擴展其使用范圍。再次是水性聚氨酯涂料成膜后，經常以水乳化的形式存在，其豐滿度和光澤度較差，不利于對豐滿度和光澤度要求較高的領域使用，降低了其適用范圍，無法有效促進高性能水性聚氨酯涂料的廣泛發展。

2 高性能水性聚氨酯涂料改性研究

2.1 水性聚氨酯涂料的有機硅改性

由于有機硅材料對低溫和鹽霧具有良好的抵抗力，因此有機硅改性技術的使用不僅解決了水性聚氨酯樹脂的低溫脆性問題，而且提高了涂料對海洋環境的抵抗力。使用3-丙基三甲氧基硅烷單體（MPTS）和水性聚氨酯樹脂單體進行聚合，以獲得30%的3-丙基三甲氧基硅烷改性水性聚氨酯樹脂含量。這種水性聚氨酯涂料的有機硅改性使其樹脂涂層不僅具有良好的光澤度，其耐低溫、耐鹽霧的性能也得到了大幅提高，提高了其適用范圍。當前，有機硅改性的水性聚氨酯樹脂主要用于服裝和海洋工業，例如紡織品印刷、皮革涂料、碼頭設施等領域，極大地提高了這些行業的發展效率，實現其快速發展的目的，也為水性聚氨酯涂料的廣泛應用提供了有效的支撐，實現水性聚氨酯涂料的改性目的。

2.2 水性聚氨酯涂料的聚氨酯樹脂改性

由于聚氨酯樹脂具有許多單體結構，并且可以與一種或多種多元醇和氨基化合物聚合，因此可以獲得具有受控的硬度和柔軟度的多功能材料，有效提高了水性聚氨酯的使用效率，擴大了水性聚氨酯的使用范圍。水性聚氨酯樹脂改性的水性聚氨酯涂料不僅具有良好的耐溶劑性和柔韌性，而且具有優異的機械性能和耐化學性。與其他改性樹脂相比，這種改性成本更低，其適用范圍也更廣，且現在已經實現了連續的生產，其工業生產具有良好的商業價值。目前進行水性聚氨酯涂料的聚氨酯樹脂改性的主要方法有三種，即物理混合、核-殼乳液共聚和原位乳液聚合。其中，原位乳液聚合是目前使用范圍最廣的改性方法，能夠有效促進水性聚氨酯涂料的聚氨酯樹脂改性效率，提高其使用范圍，促進高性能水性聚氨酯的廣泛使用。添加到系統中的無機物質會引發單體的聚合反應，從而形成復合樹脂。如今，它主要用于汽車輪轂、黏合劑、油漆和建筑涂料領域，極大地促進了相關領域的發展，實現了對社會生產的有效支撐。

3 改性后的高性能水性聚氨酯涂料的應用

3.1 用于擋風玻璃涂層領域

作為世界人口第一的國家，我國的汽車保有量連年遞增，并且需要大量的涂料來保持車輛擋風玻璃的美觀和耐用性。然而，傳統的涂料對環境造成破壞且價格昂貴，使得車輛擋風玻璃的生產成本一直居高不下，這對于我國汽車產業的健康發展極為不利。而聚氨酯樹脂改性后水性聚氨酯涂料能夠實現綠色無污染且成本得到有效降低，更能有效地應用于汽車擋風玻璃上。改性后的水性聚氨酯涂料成膜率比較高，可以保護對汽車擋風玻璃，同時有效地對汽車的整體美觀性進行保證，實現水性聚氨酯涂料的有效利用。此外也有效避免了傳統涂料對環境的破壞，防止有害物質的擴散對環境造成的危害，保護了人們的身體健康。在實現綠色無污染的基礎上，也帶來了可觀的經濟效益，實現了我國水性聚氨酯涂料行業的可持續發展。

3.2 用于汽車涂層領域

在我國，一些對涂料要求相對較低的卡車和其他車輛通常只使用陰極電泳涂料作為車身底漆的噴涂，而傳統的聚氨酯涂料則用于底盤、框架和零件的汽車涂裝領域。而隨著水性聚氨酯涂料的有機硅改性和汽車及其他車輛對涂料的要求越來越高，不僅車身和金屬部件的底漆要涂有陰極電泳，并且水性聚氨酯改良涂料也要用于中間漆和面漆的噴涂。目前汽車涂層專業人員可以從小型車輛和防腐要求低的車輛入手，然后逐步使用水性汽車涂料，加強水性聚氨酯涂料的有效應用，實現水性聚氨酯涂料更加廣泛的使用，促進我國經濟社會的良性發展。

3.3 用于建筑行業領域

水性材料在建筑中的應用可根據不同的噴涂位置分為內墻涂料、外墻涂料、地板覆蓋物和屋頂覆蓋物，針對施加涂料的介質不同，對涂料的要求也存在差異，一般來說外墻涂料對涂料的要求較高，對涂層的要求不僅必須具有良好的附著力，而且還必須具有較高的耐候性、耐酸堿性、抗凍性和抗紫外線性。目前水性聚氨酯涂料的聚氨酯樹脂改性已成功完成，對于建筑領域的適用范圍也隨之擴大，能夠有效提升建筑物的整體質量水平，實現保障建筑工程噴涂效果的作用，促進我國建筑工程的健康可持續發展。

3.4 用于木制家具生產領域

經過多年的廣告宣傳和不斷嘗試，水性聚氨酯涂料也開始在我國木制家具市場應用，但其應用率很低，不到整個涂料市場的5%。目前，木制產品中的水性涂料主要用于木制產品，如玩具、相框、工藝品、家具、門等的生產和應用。考慮到當前木制家具涂料和涂料綠色無污染的發展趨勢，改性的水性聚氨酯涂料也積極應用于木制家具的涂裝中。在木制家具生產使用領域，由于居民通常傾向于購買現成的木制家具來進行家庭裝飾，因此通常不會在第一道工序中使用水性涂料，而是在后續裝修中使用水性聚氨酯涂料。同時由于水性聚氨酯涂料需要滿足特殊的溫度和濕度要求，因此工廠裝配線只能進行加熱和干燥，這就是為什么水性聚氨酯涂料最常用于工廠涂料的原因。如果要在層壓板和木制家具中使用水性聚氨酯涂料，則應嘗試開發水性聚氨酯涂料烤漆技術。

3.5 用于金屬防腐領域

在我國，防腐涂料的使用相對較多。當今市場上已經有大量的水性聚氨酯防腐涂料，主要有以下幾種：①自干水性聚氨酯涂料主要用作表面涂層的底漆處理，防腐要求相對較低，例如工程機械設備的防腐處理；②水性聚氨酯涂料烤漆處理，主要用于對防腐性能要求較高的五金設備、底盤、摩托車零件等領域，能夠很好地實現防腐的要求；③用于車身、車架、汽車零件等的改性水性聚氨酯噴涂烤漆，其重點是美觀和光潔度等。改性水性聚氨酯涂料對于金屬防腐具有廣泛的應用領域，實現了水性聚氨酯涂料的發展，促進了金屬防腐領域的高效發展。

3.6 用于塑料生產領域

塑料材料在我國的制造業中被越來越多地使用，市場上有許多類型的塑料產品，選擇正確的水性聚氨酯涂料是必然趨勢。目前，塑料涂料中仍使用大量的傳統涂料，這些涂料往往會散發出有害的揮發物，對人們的健康和環境具有極大的危害。隨著改性水性聚氨酯涂料的使用，這種情況得到極大改善，水性聚氨酯的塑料涂料也開始增加其使用范圍。當前，用于塑料生產的水性涂料和木制家具涂料成分相對較近，并且已添加了水性光固化劑。塑料涂料主要用于極性塑料產品的表面。對于由聚乙烯和PP制成的產品，則使用水性聚氨酯底漆。兩組分水性聚氨酯在水性塑料涂料中具有出色的性能，并且具有很強的附著力，可以滿足大多數塑料產品對水性聚氨酯涂料的要求。因此，它被廣泛用于塑料制品的涂料中。由于大多數塑料產品的表面相對光滑，因此水性涂料不能完全滿足表面附著力要求，尤其是對于PE和PP塑料產品。因此，提高水性聚氨酯涂料的附著力是未來研究的主要重點。

3.7 用于皮革紡織紙張生產領域

皮革和紡織品是水性聚氨酯涂料的最早應用之一，我國是皮革和紡織品的主要出口國。在這兩個領域中，水性聚氨酯涂料的使用也越來越廣泛。首先水性皮革涂飾劑主要由兩種制備材料組成，水性聚氨酯樹脂和丙烯酸乳液，其表面光亮、手感宜人、耐磨性高，且不易起皺，被廣泛應用于高品質皮革制品。其次是紡織工業中的水性聚氨酯涂料主要表現在紡織懸浮液和印花涂料中。這些品種主要包括水性聚氨酯涂料和乳液。使用水性聚氨酯的織物覆蓋物柔軟且手感宜人，因此受到消費者的青睞。再次用于造紙的涂料，清漆主要由丙烯酸乳液、水溶性丙烯酸樹脂和水性聚氨酯組成，其中水性聚氨酯主要用于制備高品質的紙張包皮油等。

4 結語

近年來，水性聚氨酯涂料在油漆和清漆行業中發展迅速，并已廣泛應用于各個領域，顯示出良好的開發潛力。但是，由于水性聚氨酯涂料的使用受到環境和產品本身要求的限制，并且在使用水性聚氨酯涂料時需要克服許多技術問題，因此需要進一步的努力來替代溶劑型涂料，達到高性能水性聚氨酯涂料應用可持續發展的目的。