水性聚氨酯樹脂技術現狀及行業進展

紀尚超，石磊，徐欣欣，沈連根

(1.浙江禾欣科技有限公司，浙江 嘉興 314000；2.浙江禾欣新材料有限公司，浙江 嘉興 314000)

0 引言

廣義上來講，水性聚氨酯樹脂屬于異氰酸酯加成產品。異氰酸酯反應生成物在出現預聚體時將親水基團加入，形成鹽后加入水乳化，就能夠得到聚氨酯乳液。聚氨酯的物理化學性能優越，具備較強的環境友好性能，發展迅速，使用廣泛。當前水性聚氨酯樹脂產品的生產要滿足以下要求：生產制造使用的原材料是無毒無害的，材料制造過程是無毒無害的，成品加工過程也基本屬于無毒無害，最終制品可以降解，不會給環境帶來負擔。水性聚氨酯樹脂具備真正的綠色環保性能，在人們的生產生活中應用越來越廣泛。水性聚氨酯樹脂行業蓬勃發展，研究其現狀和未來發展方向有其現實價值[1-4]。

1 水性聚氨酯樹脂行業技術發展現狀

水性聚氨酯代替傳統溶劑型樹脂作為原料，通過制革生產線獲得成品，生產過程無毒無害，不含有毒化學制劑，生產過程中揮發出的氣體主要是水蒸汽，對環境和人體無害，降低了環境污染治理產生的資源消耗。水性聚氨酯樹脂成品也不含有有毒化學品殘留，可以達到較高的環保要求。水性聚氨酯樹脂生產出的成品物理性能優越，分子鏈中存在的功能性基團較多，讓水性樹脂在耐溶劑性、耐磨、耐刮、耐折疊、透氣透濕等性能均比較優越，部分革制品表面光滑，猶如真皮手感。和傳統溶劑型樹脂產品相比，水性聚氨酯樹脂的環保性能和使用性能均更加符合當前人們的需求[5]?，F階段水性聚氨酯樹脂的生產研發還受到一些限制，需要研究人員突破各種限制，解決問題，降低生產難度和成本。

1.1 技術限制

以合成革生產為例，水性聚氨酯樹脂在離型紙上應用，是該材料大力推廣的技術門檻。在離型紙上能夠應用成功，則可以完全替代傳統的溶劑型樹脂。水性聚氨酯樹脂的分子一端親油，另一端親水，而溶劑型樹脂多為親油樹脂，是疏水的，兩者成膜機理有差別，要選擇不同的離型紙。水的表面張力比油大，很難在離型紙上鋪展開來，而溶劑型樹脂的油融特性讓它們在離型紙上可以順利鋪展。水比油容易蒸發，水性聚氨酯樹脂的蒸發量為溶劑型樹脂的1.5倍。在進行烘干工序時，水性聚氨酯樹脂需要解決的問題比溶劑型樹脂要高，對離型紙的要求也更高，消耗的能量較大。目前已經有部分樹脂在離型紙上實現了平衡鋪展，干燥性能更好[6-9]。目前德國公司產品的固含量超過六成，物化性能良好，烘干容易，可制作高檔成品，但是成本過高，在我國水性聚氨酯樹脂市場很難普及。我國部分企業能生產出不同性能的水性聚氨酯樹脂產品，由于其在離型紙上的鋪展還存在限制，批量生產還存在問題，需要提高可量產性。

1.2 設備限制

設定同樣的生產制造條件，采用水性聚氨酯樹脂比采用溶劑型樹脂需要投入更多的能量。傳統生產線是針對溶劑樹脂生產而設計的，運用導熱油或水蒸氣為烘干介質。這種空氣對流烘干法的能耗大，效率低，自動化程度低，依賴操作人員的技能水平，如果操作失誤，很容易引發火災。因此，設備改良一直是水性聚氨酯樹脂生產的重要方向。水性聚氨酯樹脂生產要求設備能耗低，智能化程度高，滿足自動量產需求。

1.3 工藝限制

水性聚氨酯樹脂產品的生產受限于技術和設備，在工藝方面仍有待改進。當前我國的樹脂產品仍以溶劑型樹脂為主，生產工藝分為干法和濕法。經過研究人員多年以來對工藝改進的探索，目前水性聚氨酯樹脂能夠成功進行產品生產，取得了巨大的進展。但是從工藝角度來看，干法工藝在不斷進步，濕法工藝進步不夠明顯。部分產品無法完全使用水性聚氨酯樹脂生產，部分中間產品仍然需要使用溶劑型樹脂生產，濕法工藝的運用較多。這就出現了以下問題：雖然生產使用的原材料是水性聚氨酯樹脂，但是因生產工藝的問題，無法達到完全的環保要求，無法解決化工行業中的“三高”問題。而最終成品也無法做到無毒無害，從根本上無法提高我國樹脂制品的檔次。必須不斷革新生產工藝來取代產生有害物質較多的傳統工藝，為水性聚氨酯樹脂制品生產提供環保工藝途徑。

1.4 應用現狀

我國近年來在水性聚氨酯樹脂制品的研究和生產上投入了大量資源。國內公司為實現水性聚氨酯樹脂產品的量產和無毒環保，從全球知名的化工生產廠家進口了不同類型的離型紙，并參與共同研究。我國公司已擁有美國離型紙廠家生產水性聚氨酯樹脂產品的方案。從21世紀初就開始研究的水性聚氨酯樹脂生產工藝，已經擁有整套成果，部分產品在專業生產領域可以投產，在可量產性方面有所突破。在設備生產方面，我國企業與國外先進化工企業合作，在干法生產線的生產、使用、推廣方面成效卓著。水性聚氨酯樹脂制品的生產過程能夠做到節能和安全。當前水性發泡純干法工藝已經可以代替傳統的干法合濕法工藝。使用新工藝生產水性聚氨酯樹脂制品時產生的中間制品，也能做到無毒無害。生產成本大大降低，做到了真正意義上的環保。運用水性聚氨酯樹脂制品優秀的物化特性，可以生產耐污耐臟的高品質仿皮革制品，耐刮耐水的防雨制品，透氣性佳的服裝鞋子，以及各種汽車產品。在工業生產方面的應用也變得更加廣泛。只要解決了技術、設備、工藝方面的問題，做到量產和環保，水性聚氨酯樹脂的前景是極為廣闊的。

2 水性聚氨酯樹脂工藝及技術發展趨勢

隨著經濟全球化的推進，我國樹脂產品的品質和環保將會受到越來越多的關注。在水性聚氨酯樹脂研究中，我國眾多科研人員和企業聯合攻關，高新技術持續介入，性能好環保性強的水性聚氨酯樹脂逐漸成為主流產品，最終完全取代傳統溶劑型樹脂產品。水性聚氨酯樹脂生產的工藝、技術和設備等方方面面的研究，還需要持續深化。

2.1 產品豐富化

當前人們對水性聚氨酯樹脂產品的要求是多樣化和功能強，同時也需要制品的外觀更加時尚美觀。使用水性聚氨酯樹脂生產合成革制品在我國尚屬比較年輕的產業，但是這類制品以期良好的外觀，強大的性能和多種多樣的選擇在市場上占據了一席之地，并且發展迅速，每年有上百種新品推向市場。

多樣化方面，當前的水性聚氨酯樹脂制品走進人們生活的多個領域，在生產生活中越來越豐富也越來越重要。不同領域的合成革制品有著不同的要求，而水性聚氨酯樹脂制品從服裝鞋帽到特種設備輔助制品，性能不一而足，愈發豐富，也啟發著人們在更多的領域使用水性聚氨酯樹脂制品。

功能性方面，無論是同一領域，還是不同領域的水性聚氨酯樹脂制品，有著不同的物化性能，讓制品的品種差異性較強，反映在實際產品上，表現在不同的產品運用了水性聚氨酯樹脂不同的性能。水性聚氨酯樹脂的耐酸耐堿性，讓這類制品迅速走進化工生產領域。此類制品柔軟、透氣，具備像真皮一樣細膩順滑的手感，并且容易清潔打理，日常維護比較容易，逐漸走進人們的家具生活。只要是在量產化方面做得到位的水性聚氨酯樹脂制品，都能夠在市場上獲得一席之地。人們也在不斷挖掘其新的性能和使用領域。

在時尚性方面，目前水性聚氨酯樹脂新品投放量大，種類繁多，外觀精美。設計師利用水性聚氨酯樹脂良好的物化性能，結合工業設計、服裝設計、藝術設計，讓美觀大方的樹脂制品走向各個領域。水性聚氨酯樹脂產品的開發要順應人們對美的追求，在市場變種的浪潮中求得生存和發展。

2.2 價格優勢凸顯

從理論角度來看，水性聚氨酯樹脂比溶劑型樹脂的生產更節省能源，也能帶來更大的價格優勢。因此，讓水性聚氨酯樹脂的質量更好，價格更低，利潤更高，成為研發的一大方向。

在研發和生產過程中，要不斷篩選合適的原料，選擇性價比更高的原材料，從原材料層面降低成本。如果甲苯二異氰酸酯的價格變動過大，上漲更猛，可以選擇二苯基甲烷二異氰酸酯來替代，不影響最終制品性能，但是可以降低制品價格。

調整生產工藝路線，特別是合成工藝部分。水性聚氨酯樹脂生產過程比傳統溶劑型樹脂的生產更加復雜，設備工藝的要求更高，操作要求更嚴格。因為生產的工藝路線有差別，水性聚氨酯樹脂生產成本較高。不斷優化生產工藝和路線，革新傳統生產工藝，向水性聚氨酯樹脂生產需求靠攏。

在生產水性聚氨酯樹脂時，需要使用到功能助劑。開發高性能的功能助劑，也能夠降低生產過程的成本，從而降低最終產品價格。在各個環節加強研發和生產時間，盡快形成產業鏈，批量化生產采購都能夠降低成本。在原材料研發方面減少對進口品的依賴，增加國產化比例，能夠真正降低水性聚氨酯樹脂產品的成本。

2.3 生態性更優異

水性聚氨酯樹脂的生產過程和最終產品都是無毒無害的，環保性能良好，屬于當前人們最歡迎的生態友好型產品。水性聚氨酯樹脂及其產品的生產過程，要盡量避免重金屬的參與。過量重金屬不僅危害人體，也危害環境。水性聚氨酯樹脂生產過程中還需要溶劑型樹脂產品和工藝的配合。要盡量減少溶劑的參與，逐漸轉變為無溶劑生產，即使使用溶劑，也要改選對人體無毒對環境無害的容易。各種助劑和色漿的用量需要嚴格控制。要選擇無毒環保的助劑和色漿，也要確保在生產完成后，添加的助劑和色漿不會產生新的有毒有害產物。生產全過程無害，制品無害，制品可降解，則水性聚氨酯樹脂的應用更加廣泛[10]。

2.4 生產工藝操作便利性

水性聚氨酯樹脂制品的需求每年有數十億米，其加工要全自動機械化操作。因此此類制品的生產必須具備良好的工藝操作性。調漿攪拌要方便。水性聚氨酯樹脂在加入色漿和部分助劑后可以上機操作。條件必須快速、方便、簡單。上機操作要輕松便捷，漿料符合全自動作業要求，黏度適宜，容易控制，不會在生產設備上過度流掛，不會產生結塊，一定時間內放置不會分層[11]。容易烘干，因為水的比熱較大，烘干需要更多的能量，水性聚氨酯樹脂成膜需要吸收大量熱量。通過技術和工藝改造，讓樹脂干燥得更快，耗能更少。在生產旺季，就能夠加快生產流程，提高效率，滿足市場需求。在當前電子信息技術不斷進步的背景下，各行各業都在引入智能化生產手段提高生產效率。水性聚氨酯樹脂產品的生產也要依托信息技術的進步，讓機器的眼睛代替人眼，用精細控制代替經驗控制，搜集的生產數據更加精確，能夠為研發工作提供更全面的支持，給水性聚氨酯樹脂產品的生產注入一股高科技新風[12]。

3 結語

綜上所述，水性聚氨酯樹脂材料的研究和發展，必須順應市場供求關系以及人們對綠色環保材料的需求。隨著人們的素質和生活水平不斷提高，經濟生活中的各類產品不僅要提供良好的使用性能，還要具備環境友好型。因此，水性聚氨酯樹脂產品的市場巨大，發展前景廣闊。但是無論是研究還是市場推廣，都不能一蹴而就，廣大的化工研究人員，應用技術人員須緊密配合，加強技術研發與創新，讓環保水性聚氨酯樹脂成為行業主流。