水性聚氨酯及其改性方法

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1、随着各国环保法规的确立和环保意识的增强，传统的溶剂型涂料中的挥发性有机化合物（VOC）的排放越来越受到限制。因此，开发低污染环保型的水性涂料、粉末涂料、高固含量涂料和光固化涂料已成为开发的主要方向。水性聚氨酯（PU）涂料具有良好的物理机械性能和优良的耐寒性。但是，由于单一PU乳液存在自增稠性差，固含量低，乳胶膜的耐水性差，光泽性较差，机械强度不及丙烯酸树脂，且成本较高等缺陷，其应用受到一定的限制。而聚丙烯酸酯（PA）乳液具有较好的耐水性、物理机械性能和耐候性能，故PU和PA在性能上具有互补性。所以将聚氨酯乳液与聚

2、丙烯酸酯乳液复合制备水性聚氨酯一聚丙烯酸酯（PUA）复合乳液，兼有聚氨酯乳液和聚丙烯酸酯乳液的优良特性，成本较低，具有较好的应用前景。利用有机硅和有机氟对水性聚氨酯进行改性，将各自优点融合起来，突出了环保和高效的特点，获得了更优的特性，因而得到人们的广泛关注与快速发展。有机硅材料具有耐高低温、耐老化、耐臭氧、电绝缘耐燃、无毒、无腐蚀和生理惰性等优异性能，因而是聚氨酯改性产品的理想材料。另外，由于氟原子半径小，电负性强、碳氟键键能高，因此赋予了氟涂料极好的利紫外线和核辐射性、柔韧性，优良耐磨性，低表面能，高抗张强度

3、，高电阻率和高耐候性，含氟的聚氨酯树脂涂料就是一种可常温固化的具优异性能的涂料品种。1.2水性聚氨酯概述聚氨酯是聚氨基甲酸酯的简称。凡是在高分子主链上含有许多重复的-NHCOO-基团的高分子化合物通称为聚氨基甲酸酯（Ployurethnae，简称PU）。通常所说的聚氨酯系由二元或多元有机异氰酸酯与二元或多元醇化合物（聚醚多元醇或聚酯多元醇）相互反应而得的，其大分子主链是由玻璃化温度低于室温的柔性链段和玻璃化温度高于室温的刚性链段嵌段而成的依据聚氨酯材料的本身结构，可以分为体形与线形，一般由于所用原料官能团数目的不

4、同，可以合成体形或线形结构的高分子，如当有机异氰酸酯和多元醇化合物均为二官能团时，即可得到线形结构得高聚物，若其中之一种或两种，部分或全部具有三个及三个以上官能团时则得到体形结构的聚合物，由于聚合物的结构不同，性能也不一样，利用这些性质，聚氨酯类聚合物可以用在橡胶、塑料、纤维、涂料、猫合剂、皮革、染整纺织等方面[1]。因此，它的应用领域极为广阔，从航天技术到人们的衣食住行，几乎渗透到社会的各个方面。水性聚氨酯是以水代替有机溶剂为分散介质的新型聚氨酯体系，同属于聚氨酯体系，但对环境无污染、不易着火和中毒、节省资源和

5、能源的材料[3-5]。和许多聚氨酯材料一样，聚氨酯和水是不相容的，但通过特殊处理或改性可以分散在水中。最常用的是把离子基团引入到聚氨酯的分子链段上来，因为离子基团是天然亲水并起着内乳化剂的作用。通常依其外观和粒径，将水性聚氨酯分为三类：聚氨酯水溶液（solutions，<0.001um，全透明）、聚氨酯分散体（dispersions，粒径0.001-0.lum，半透明）和聚氨酯乳液（emulsions，粒径>>0.lum外观白浊），有人也称水性（或水系）聚氨酯或水基聚氨酯。目前的实际应用中，以水基聚氨酯分散体最多

6、，尤其在涂料、油墨、皮革、染整、纺织等方面[1-3]。1.3水性聚氨酯的研究进展水性聚氨酯的研究开始于上个世纪四十年代，西德科学家Schlack于1943年在乳化剂或保护胶体存在下，将二异氰酸酯在水中乳化，并在强烈搅拌下加入二胺，首次成功制备了水性聚氨酯[6]。1953年DuPont公司的Wyandorl将由二异氰酸酯和聚酯多元醇制备的聚氨酯预聚体的甲苯溶液分散于水中，用二胺扩链，也制备成了水性聚氨酯。1967年PU乳液首次实现工业化并在美国市场问世，1972年Bayer公司率先将PU水乳液用作皮革涂饰剂，水性P

7、U开始成为重要商品[7]。1975年研制成功的自乳化型水性聚氨酯，使性能得到大幅度提高，同时也拓宽了水性聚氨酯的应用领域。与应用同步，水性聚氨酯的理论也同步发展。70年代开始出现有关水性聚氨酯体系的稳定机理、相转变过程、结构和性能关系等方面的理论研究报告。进入90年代以后，由于人们对环境问题的日益关注，水性聚氨酯的发展进入高潮，应用和理论研究都得到飞速发展。现今已有很多种类的水性聚氨酯产品，成功地应用于轻纺、印染、皮革加工、涂料、胶粘剂、木材加工、建筑、造纸等行业。总之，国外水性聚氨酯由于科研力量雄厚，研究开发时

8、间早，基础研究深入，其主要特点是：品种齐全，配套可选，综合性能好，性能稳定。相对于国外的水性聚氨酯研究，国内起步较晚但发展较快，其生产和应用也很有限。我国国内水性聚氨酯的研究开始于上世纪七十年代，1976年沈阳皮革研究所最早研制出用于皮革涂饰用的水分散性聚氨酯。此后相继有北京5#乳液、天津皮革所的PU-1型乳液及PU型乳液皮革涂饰材料的生产。进入八十年代后，水性聚氨酯的研