水性聚氨酯在合成革中的應用分析

＊鮑廣明

（安徽安利材料科技股份有限公司 安徽 231200）

引言

目前，合成革產品十分常見，可制成服裝、鞋面、手提包等，而合成革的品質由多種性能決定，包括抗老化性、透氣性以及透濕性，這也與其涂層材料有關。基于此，本文對合成革中水性聚氨酯的應用進行了簡要分析。

1.水性聚氨酯材料的發展

水性聚氨酯材料是指將水代替傳統溶劑聚氨酯中的有機溶劑，利用水來進行聚氨酯分散的一種材料，因而在使用的過程中具有著無污染、相容性較好以及安全性較高的特點。水性聚氨酯已經有了幾十年的發展歷史，該種材料的迅速發展階段為20世紀70年代左右，一開始在國外部分發達國家大批量生產應用；在國內，該種材料是在產品低污染性發展后得到廣泛應用。比如說合成革行業中應用聚氨酯材料做表面涂層，最開始普遍應用溶劑型聚氨酯，但隨著環境保護力度加大，水性聚氨酯的替代性應用成為合成革行業未來發展趨勢。當前，人們對產品需求的提升，水性聚氨酯的研發和優化也在不斷進行，其也會在各領域當中得到良好應用[1]。

2.水性聚氨酯材料在合成革中的應用優勢

3.水性聚氨酯材料在合成革后整理中的應用特性

(1)試驗部分

為了研究合成革后整理當中水性聚氨酯材料的實際應用特性，本文以試驗的方式進行探究，主要是設計對照試驗，將使用水性聚氨酯材料完成合成革后整理情況與使用溶劑型聚氨酯對合成革進行涂飾的情況進行對比，深入研究水性聚氨酯材料在合成革后整理當中體現出的各種性能，包括透氧性、透水汽性、抗老化性等，試驗結果充分體現出水性聚氨酯材料的特性，有利于促進該材料在今后合成革應用中的發展。

①相關材料與儀器

本次試驗所使用的材料包括：聚丙多元醇N-210/220/330試劑，其相對分子質量分別為1000、2000以及3000，其純度規格為分析純；甲苯二異氰酸酯試劑，其純度規格為分析純；二羥甲基丙酸試劑，4-丁二醇試劑，規格為分析純；工業級蓖麻油；N-二甲基甲酰胺試劑，進行脫水24h的4A分子篩，該分子篩性質為吸附分子直徑小于4A的各種分子；三乙胺試劑，規格為分析純；丙酮試劑，以上試劑均為同一化工試劑廠生產提供。除此之外，還會運用到一些自制試劑與材料，包括去離子水材料、手感劑、填料Filler-H以及顏料膏材料，同時還要準備溶劑型聚氨酯涂飾材料、荔枝紋合成革材料以及山羊紋合成革材料，其中山羊紋合成革材料使用溶劑型聚氨酯涂飾，而荔枝紋合成革材料將用水性聚氨酯材料做底涂，溶劑型聚氨酯材料做頂涂。

本次試驗所使用的儀器設備包括：從專業天平生產公司購入到電子天平設備；專業調溫調濕箱設備，型號為CS302；真空干燥箱設備，型號為DZF-6020；板式壓花機設備，型號為GJ5D2；數字旋轉黏度計裝置，型號為NDJ-5S；透氣性測試儀器設備，型號為BTY-B1P；透水汽測試儀器設備；低溫耐曲折機設備以及低溫曲繞儀器；合成革顏色摩擦度檢測儀器，型號為GJ9E1。此外，還會運用到一些基礎試驗工具，像是試驗支架、溫度計、機械攪拌器以及燒瓶等。

②合成水性聚氨酯

先是進行水性聚氨酯的制備合成，取上述準備的聚丙多元醇的三種規格試劑，再取一定的蓖麻油試劑進行真空干燥脫水處理，將處理好的兩種材料放入到燒瓶工具中，同時配置好溫度計、機械攪拌器以及冷凝回流管。當處于低溫條件時，向燒瓶中加入甲苯二異氰酸酯試劑，同時再加入少量的催化劑，然后開始對燒瓶進行升溫，一直升到溫度計顯示為80℃，等待其進行2～3h的催化反應，溫度會在這一過程中自然下降到55℃左右，然后再加入4-丁二醇試劑，同時加入使用N-二甲基甲酰胺試劑溶解處理后的二羥甲基丙酸，進一步促進擴鏈，然后測定異氰酸酯基的值，待到其達到理論值后，再加入丙酮試劑，對其黏度進一步調節，需注意加入的丙酮控制少量。隨后加入三乙胺試劑來進一步中和，通過機械攪拌器的快速攪拌，邊攪拌邊加入去離子水，最后對混合試劑進行減壓式蒸餾處理，將其中的多余溶劑水分去除，最終形成聚氨酯乳液，具有一定的穩定性。此外，還以相同方式制備了許多不同模量的聚氨酯乳液，主要是對原料試劑進行用量調控。

首先以羅列的方式給出一些觀點.這些觀點是筆者從2014年初組織“人教A版”高中教材修訂前期研究開始，經過長期思考、提煉而成，某種意義上也是集體研究的智慧結晶.

③合成革后整理工藝

將上述制備的不同模量水性聚氨酯乳液混合進填料Filler-H以及顏料膏材料，注意控制三者的混合比例，最后獲得的漿料應當保證黏度值達到2000Pa·s，然后對合成革進行貝斯改色處理，使用漿料進行涂飾，控制實際使用漿料的用量在每米80～90g，上料后進行干燥處理，其干燥溫度值控制在90℃，具體干燥線的速度約為15m/min，干燥處理后的改色層水分會充分揮發，這時就可進行合成革壓花處理，具體采用滾壓方式，施加的壓力值為30kg，持續時間約3s，保持壓花溫度達到190℃，最后進行表層的滾水性PU光油處理即可完成整個后整理工藝，獲得合成革涂飾后的成品[3]。

④成革后的性能測試

A.測定革的透水汽性

合成革使用水性聚氨酯材料后整理后，為了探析水性聚氨酯應用的實際效果，還要對合成革進行一系列性能測試。首先就是對合成革的透水汽性進行測定，本次測定采用動態法，具體流程如下：取硅膠材料進行烘干并過夜處理，然后使用電子天平秤取60g放入到燒瓶當中，設定其總質量為m1，再將燒瓶架設到支架上，啟動電機，控制風扇的轉速參數為1400r/min，調整溫度值在20℃，控制其相對濕度為65%左右。待整個電機轉動約16h以后將其關閉，將燒瓶從支架取下，這時再使用電子天平秤其質量，設定為m2。再取一個燒瓶中放入已知質量的過夜烘干硅膠、約半瓶，記錄其總質量為m3，將其放在支架上固定并啟動電機，相同電機條件下轉動7h后停止電機，這時再秤其質量為m4，隨后對合成革樣品的透水汽量參數進行計算，依據以下公式。

其中，m=m2-m1+m4-m3，g；A表示的是燒瓶口的表面積，cm2；r表示實際測試的表面半徑值，cm；t表示的是實際測定時間，h。

B.測定革的透氧性

合成革的透氧性測定決定著合成革的透氣效果，也表現出水性聚氨酯在合成革中的應用成效。實際測定合成革透氧性的試驗流程如下：先取合成革材料樣品并裁剪為圓形，其直徑控制在86mm以內，整體厚度普遍均勻，再對圓形樣品的周邊位置涂抹油脂材料，然后將其安裝在專業的測試儀器上，調整儀器的氣壓參數值為0.5MPa，控制溫度在23℃左右，調節至50% RH的相對濕度值，然后開始啟動測定儀器測量，對測量的透氧性結果加以記錄。透氧性測定最終可以獲得合成革應用水性聚氨酯后對氣體以及部分液體的阻隔效果。

C.測定革的耐干濕擦以及低溫耐曲折性

合成革材料的用途意味著其耐干濕擦性以及耐低溫曲折性都是重要性能，而水性聚氨酯在合成革中的應用必然會對這兩項性能造成影響，因此，在探究水性聚氨酯應用效果上，也需對上述兩項性能進行測定。首先是合成革耐干濕擦性能的測定流程：針對合成革的水性聚氨酯涂層進行測定，主要是采用傳統皮革的耐摩擦牢度測試手段，將合成革樣品放入到毛氈和長孔之間并進行固定，然后將機器的摩擦頭使用襯布來進行包裹，再將干濕擦測定專業儀器啟動，該儀器在擦動過程中保持每分鐘摩擦頭進行30次摩擦，待到儀器進行了25次往返摩擦運動后關閉儀器，將合成革的表面涂層情況與灰色卡樣進行比對，分析其摩擦后的褪色情況，從而確定合成革應用水性聚氨酯做涂層后的耐干濕擦性能，此處需注意的是，若探究耐干擦性能，要使用干燥襯布包裹摩擦頭，而探究耐濕擦性能，則需使用濕水襯布來包裹摩擦頭，其襯布的水分含量要控制在70%～75%范圍內，而摩擦運動的往返次數降低至20次。其次是對合成革進行低溫耐曲折性測定，取合成革樣品放在低溫曲繞儀器上，然后調整儀器測定的溫度值為零下20℃，將儀器啟動并記錄曲繞儀的曲折次數，一直到合成革的涂層開裂位置，通過其總曲折次數來判斷涂層的低溫曲折性能。

D.測定革的抗老化性

對于合成革抗老化性的測定，先是控制測定條件為60℃溫度，因而高溫環境可加速合成革的老化，然后使用可發射輻射紫外線光的燈光設備直接對合成革樣品照射，其具體的輻射能量約為1.38W/m2，這種條件基本是兩倍的太陽光輻射效果。實際照射測定的時間為100h，在整個過程中需使用自動記錄型分光光度計來記錄，并對比分析合成革表面的顏色變化，最終取黃色指數表示革的抗老化性能，用YI來表示老化后的黃色指數，其具體的計算公式如下。

在上述計算公式中，通過測定獲得的三刺激值分別用X、Y、Z來表示，通過計算之后還要進一步求得△YI，△YI=YI-YI0，其中在實施人工加速處理合成革老化之前的革黃色指數用YI0，使用老化后黃色指數與老化前黃色指數對比，即可獲得合成革的抗老化效果，即△YI值越大，說明合成革老化的程度越嚴重、速度越快。

(2)試驗結果分析

通過完成上述制定與測定合成革性能試驗后，對其試驗結果進行深入討論和分析，進一步明確水性聚氨酯在合成革中做涂層應用的性能特點，探討應用該種材料后合成革本身會受到哪些影響。

①材料對合成革透濕性的影響

對透水汽性進行測定即為判斷水性聚氨酯對合成革透濕性能的影響，一般來說，合成革的透濕性越強，其品質等級就越高，為此針對該項性能進行重點研究。結合測定結果來說，未經過任何聚氨酯涂飾的合成革透濕性是相對較強的，而經過溶劑型聚氨酯涂飾處理后，其本身的透濕性會明顯下降。分析該情況出現的原因是：聚氨酯本身是一種聚合物，在合成革涂飾后會在表面形成一層具有密閉性的薄膜，這種薄膜會適當阻礙一些水滴、水汽的進入，使合成革具有一定的防水效果和保暖效果。同時，該薄膜也會降低熱量的傳遞效果。但合成革應用水性聚氨酯涂飾后，其約為溶劑型聚氨酯涂飾后合成革透濕性的8倍，這與水性聚氨酯的化學性質有關，在制備水性聚氨酯的過程中，會加入二羥甲基丙酸以及聚丙多元醇，從而使原本的聚氨酯分子式中增加許多親水性化學鍵，比如羧基和醚鍵，這些化學基團具有捕捉水分子的能力，還能夠通過促進聚氨酯大分子的熱運動，從而提升了透濕性及透水汽性，相反溶劑型聚氨酯中就沒有大量親水化學基團，基本只通過薄膜中的細小孔隙來透水汽，因而導致透濕性不佳，使用該類型聚氨酯做涂飾的合成革透濕性效果遠遠低于應用水性聚氨酯的合成革，而應用半水性聚氨酯的合成革透濕性介于兩者之間[4]。

②材料對合成革透氧性的影響

通過上述測定試驗發現，不管是采用哪種聚氨酯進行涂飾，合成革的透氧性都會下降，但相比于溶劑型聚氨酯，水性聚氨酯應用的合成革透氧性會更佳，透氧程度約為其2倍。這主要是由于氣體是通過聚氨酯薄膜表面的微孔來進行傳遞，但水性聚氨酯的分子中引入了羧基，在有水汽的情況下，羧基會根據反離子原理而聚集在一起，促使著大分子呈現出離子簇形式，即為乳膠粒形態，整體的分子鏈是難以完全舒展開來的，但溶劑型聚氨酯卻是由于相似相溶原理，當處于水汽存在條件下，分子會較為分散，整體分子鏈可進行完全舒展，基本無相關阻力，因而分子之間的連接也十分緊密，形成的表面微孔數量會相對較少，使得透氧性偏低。水性聚氨酯在涂層后形成薄膜過程中，也會由于分子在水分中的不斷揮發，進一步提升反離子作用，分散體的濃度值會不斷上升，當達到某一濃度后，分子粒子之間還會形成毛細孔，具有一定的黏結效果，讓聚合物產生自黏效果，從而在涂層表面形成薄膜，其聚合物的存在也意味著會生成微孔，便于透入氣體，因而透氧性相對溶劑型聚氨酯而偏高。同理可推斷，應用半水性聚氨酯的合成革透氧性介于前兩者之間。

③耐干濕擦牢度以及低溫耐曲折性

合成革在投入使用后必然會經過多種摩擦，因而合成革的涂層耐干濕擦牢度也是十分重要，直接影響大合成革品質，要保證經過一些摩擦后，涂層的顏色不發生改變也不出現脫落。結合測定結果分析發現，水性聚氨酯與溶劑型聚氨酯在合成革表面形成的涂層耐干擦性能比較相近，但是在耐濕擦牢度方面，水性聚氨酯的涂層卻略低于溶劑型聚氨酯涂層，這也是由于水性聚氨酯具有一定的親水化學基團，因而會產生親水性，經過摩擦后牢度會下滑。在低溫耐曲折性方面，由于合成革使用會在不同日照、氣溫以及空氣濕度條件下經過反復的彎曲，因此低溫耐曲折性也會影響品質，根據實際測定結果來看，應用水性聚氨酯的合成革低溫耐曲折次數可超過4萬，而應用溶劑型聚氨酯的合成革低溫耐曲折次數約為2萬，由此可見合成革中應用水性聚氨酯后的低溫耐曲折性能會比較好。

④合成革涂層的耐老化性

通過測定發現，不管是應用水性聚氨酯還是溶劑型聚氨酯的合成革黃變指數都超過30，這表明產品本身的耐老化性是比較低的，這主要是由于聚氨酯本身在經過紫外線照射后會發生氧化反應，且其吸收紫外光的波長增加，進一步吸收紫外線中的藍紫光，從而引發出黃變情況，加速合成革表面涂層的老化[5]。

4.結論

綜上所述，水性聚氨酯材料在合成革領域中的應用具有很多優點，但其同樣具有一些不足之處，未來還將會不斷改進發展，以發揮出更多應用價值。由分析可知，合成革生產中將水性聚氨酯作為涂層運用，會改變合成革本身的透氧氣性、透水汽性、低溫耐曲折性、耐擦牢度以及抗老化性等。