环保型水性油改性聚氨酯的性能研究

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1、环保型水性油改性聚氨酯的性能研究作者：雷可德（中国）有限公司    来源：Ringer聚氨酯已被广泛地应用于各种类型的涂料领域。本文首先根据ASTMD16，简单介绍了聚氨酯涂料的分类，讨论了水性聚氨酯技术及水性聚氨酯的各种交联，并着重讨论了单组份水性油改性聚氨酯的空气氧化自交联。油改性聚氨酯的消耗量在美国是很大的，仅次于双组份聚氨酯，主要用于木器涂料，尤其是用于专业及DIY（Do-It-Yourself）市场的木器涂料领域。传统的溶剂型油改性聚氨酯含有超过450g/L的有机溶剂，对环境造成很大程度的污染，水性聚氨酯的发展为油改性聚氨酯提供了低VOC

2、和高性能的技术。本文比较了水性及溶剂型油改性聚氨酯的VOC及性能，并介绍了雷可德公司的水性油改性聚氨酯系列产品。特别强调的是，与溶剂型的油改性聚氨酯相比，这种可自交联的水性油改性聚氨酯不仅可以在性能上提供同溶剂型该类产品相同的硬度、耐刻划、耐磨损及耐化学性能，而且还提供了符合市场上VOC要求的产品，同时又充分利用了可再生资源。聚氨酯涂料的分类聚氨酯作为一种高分子材料已被广泛地用于制备泡沫塑料、弹性体、涂料、粘合剂、密封剂、油墨、薄膜、纤维、工程塑料等领域。在涂料领域中，由于聚氨酯材料的特殊性能，及异氰酸酯基的反应特性，它已被广泛的用于工业、建筑、纺

3、织、皮革、地板抛光及其它特殊领域。一般来讲，聚氨酯材料有着良好的韧性，这主要是由于聚氨酯分子结构中主链的软硬段交替的结果。软段提供了高分子的柔软性，而硬段可形成适度的氢键及结晶，它不仅提供了硬度，同时也通过氢键及结晶形成“物理交联点”，这个“交联点”对整个聚氨酯起到了“网结”的作用。通常聚氨酯材料是可以容易地做到“软而不粘”；“硬而不脆”的。这一性能，加宽了聚氨酯涂料的应用范围。异氰酸酯基同羟基，胺基及水的可控反应，对聚氨酯涂料来说更是锦上添花。这些反应的反应速度是可以控制的。异氰酸酯基同羟基及水的反应可以通过加入催化剂来加速；而异氰酸酯基同胺基的

4、反应可以通过对胺的选择而加以控制，共扼效应，立体障碍及吸电子效应可以降低它们的反应速度。因为异氰酸酯基同羟基及胺基的反应没有小分子副产物释放，这些反应使聚氨酯双组份涂料成为可能。事实上，双组份涂料的用量在聚氨酯涂料中是消耗最大的，其性能也是较好的。其主要用途包括各种地板，工业维护用涂料，在线涂装涂料，及用于汽车等工业的各种涂料。由于环境保护的因素，越来越多的溶剂型聚氨酯已逐渐被水性聚氨酯所取代，木器漆涂料领域也不例外。在有机涂料领域中，这些溶剂的取代往往不是简单的用水来取代有机溶剂，而在聚氨酯的结构中也要做一些必要调整。美国标准测试方法（ASTM，

5、D16）中将聚氨酯涂料做了定义及分类，其分类总结在表1。由于该分类是早在1974年做出的，而后SKEIST'S的市场报告中对此分类做了一些补充。在此表中列出的各种类型的聚氨酯中，粉末、水性、光固化、II、IV和V类涂料可以较容易制备成环保型涂料。其中粉末、光固化、II、IV及V类涂料在应用时要受到施工条件的限制，而水性聚氨酯涂料可以用在很多领域，所以它的品种极为丰富，应用相当广泛。表1聚氨酯涂料的分类水性聚氨酯的制备方法与交联水性聚氨酯的制备方法国外及国内都有很多文献报道及总结过有关制备水性聚氨酯的工艺，大体上分为丙酮法，预聚体分散法，融熔分散法及

6、酮亚胺，酮连氮等方法。而涂料用的水性聚氨酯大多数是使用丙酮法及预聚体分散法制备的。其中丙酮法中使用的易蒸馏溶剂不一定是丙酮，也可以是其它沸点相对较低的惰性溶剂。而预聚体分散法中也往往加入一定量的高沸点惰性溶剂以控制预聚物的黏度。在水性聚氨酯涂料的应用中，助溶剂的存在对于帮助高分子聚结成膜往往也是必要的。预聚体分散法中用的高沸点溶剂，可以留在涂料中作为助溶剂，所以此方法在制备涂料用的水性聚氨酯中最为普遍。近来有一种建议，这个建议倾向于在计算VOC时，不仅要考虑有机挥发物的体积用量，还要比较溶剂的最大增量反应活性（MIR，maximumincremen

7、talreactivity），以此来定量溶剂对地面臭氧水平的相对影响。这样在今后的助溶剂的选择中，会更增加一些限制，但目前在美国对此还没有执行。水性聚氨酯交联类型大多数水性聚氨酯是通过丙酮法或预聚物法制备的，（1）丙酮法及预聚体分散法所制备的水性聚氨酯大多数是线性的，即便是有交联，其交联度往往也有限。而线性聚氨酯的耐化学性能往往是通过软，硬段的选择，或提高硬段的用量来提高，用这些方法来提高其耐化学性能也是有局限性的。聚氨酯领域的化学家们常常会千方百计的想出方法制备出可交联型的水性聚氨酯，其总结如图1所示。图1交联型水性聚氨酯◆预交联预交联型水性聚氨

8、酯是指预聚物在扩链后这些聚氨酯已形成交联体系，这些是可以通过使用多官能团的单体来实现的。这些多官能团单体可以是多元醇，多元