涂料用水性聚氨酯研究进展

徐东峰，黄东平

(红宝丽集团股份有限公司，江苏　南京　210000)



涂料用水性聚氨酯研究进展

徐东峰，黄东平

(红宝丽集团股份有限公司，江苏南京210000)

介绍了水性聚氨酯(WPU)涂料的主要种类和各种水性聚氨酯涂料适合应用的领域，综述了近年来市场上常用水性聚氨酯涂料合成和改性方法，分别介绍了环氧树脂改性，有机硅改性和纳米材料改性方法，对各项改性方法的特点和改性过程进行了总结，最后通过分析水性聚氨酯涂料的性能特点和应用现状，结合目前国内水性聚氨酯的发展水平，提出了未来水性聚氨酯涂料的研究方向。

水性聚氨酯涂料；应用领域；改性方法

随着社会文明的迅速发展，人们的环保意识不断增强，也更加重视环境保护，各国严格限制挥发性有机溶剂的排放，由此人们开发了WPU涂料。WPU涂料是指以水作为溶剂，溶解或分散的聚氨酯树脂于水中而形成的一种涂料。WPU涂料也被称为水基聚氨酯或水性聚氨酯，WPU涂料是基本介质为水的高分子化合物溶液，具有不易燃，低气味，无污染，节约能源和施工方便的优点，逐渐受到人们的关注。水性聚氨酯的软硬度可通过聚氨酯链段结构来调节，具有耐低温性，良好的柔韧性等优点，使其应用更加广泛。

1　WPU涂料的合成方法

水性聚氨酯制备方法有外乳化法和内乳化法。外乳化法也称强制乳化法，此方法是早期的制作方法，需要在乳化剂、高剪切力的条件下将聚氨酯预聚体强制乳化，最终形成水性聚氨酯乳液。最早的水性聚氨酯产品主要外乳化法制备，但在反应中乳化剂用量多且反应时间长，获取的乳液粒径过大，导致聚氨酯乳液性能差且不稳定，目前工艺中很少使用。内乳化法或自乳化法是通过将亲水基团直接导入分子链[1]，促使分子部分有着亲水性并实现整个分子分散于水中，此方法避免了外乳化法性能差与不稳定等缺点，目前使用广泛。其中最主要的方法为丙酮法，丙酮法应用范围广，产品质量好，粒子大小有着较大的可变范围，目前绝大多数水性聚氨酯乳液为此法制备。

2　WPU涂料的应用

制备涂料用WPU时，聚氨酯树脂中羧酸或胺基含量、基团成盐的比例、乳化前预聚体异氰酸指数、聚氨酯分子中的硬段含量、交联程度等都会对乳液稳定性及聚醚的性能都有较大影响[2]。水性聚氨酯除了具有软硬度等性能可调性、柔韧性好及粘羧强度大等优点，还具有优异的耐磨、耐热、耐疲劳、耐化学腐蚀性。WPU涂料主要分为防腐涂料、防水涂料、抗冲击涂料和功能性涂料。

2.1防腐涂料

由于水性聚氨酯具有耐酸碱、耐磨损、低温固化等一系列的优点[3]，人们将水性聚氨酯引入了防腐蚀涂料行业，涂防腐涂料以防腐蚀的方法具有成本低、施工方便、易于配合其他防腐措施的优点，具有良好的发展前景。WPU涂料具有保护和装饰的功能，主要应用于墙面涂料，工业设施等，具有高耐久、抗磨耗、抗沾尘特点，在美化设施的同时，延长了其使用寿命，降低了维修成本。建筑物墙面及工业设施需经常暴露在大气和雨雪及紫外线环境中，WPU涂料的耐候性、隔热性和防水性完全能够满足使用需要，作为墙面保护涂料，聚氨酯涂料的耐碱、耐刷洗和耐沾污的特点，使其可以被直接涂装于水泥材料的基底上，施工方便。

2.2防水涂料

防水是人们的生活中一项重要的工作，聚氨酯防水涂料具有优越的附着力，并且容易进行修补，防水耐腐蚀等性能均高于传统涂料，相较于其他材料，水性聚氨酯的机械性较好，有着极高的粘着性。因此被广泛的运用在建筑防水层。经过改性的水性聚氨酯涂料的粒径减小，表面张力下降，聚氨酯涂膜的耐水性，耐热性，粘附性和机械性能显著改进，能够满足现代防水涂料多样化需求。除此之外，水性聚氨酯还被用作涂层剂，用来制备防水透气的功能性湿织物。相比之传统的涂层剂，水性聚氨酯涂层剂所作织物具有柔韧性强、耐磨损性强等特点，并且绿色无污染，富有弹性。建筑防水涂料在使用时，WPU涂料形成致密均匀的涂膜，能够有效防止渗漏，被广泛用于屋顶和地下管道工程等场合。

2.3抗冲击涂料

抗冲击涂料可直接应用于水泥基地面，随着工业生产要求的提高，WPU涂料被应用于工业生产有着严格的要求的场合，如低VOC，耐磨损，维修方便等。WPU涂料因其优异的性能，可用于卫生间和车库等地面的防水及装饰;它与水泥地面具有良好的粘结，施工后地坪整体性较好，WPU涂料在涂层固化后，涂层的弹性好，手感舒适，适用于会议室和高档地板装修等场合。唐进伟等合成了一种水性湿固化聚氨酯树脂，该树脂是经六亚甲基二异氰酸酯单体加聚后改性而成，该树脂既具备单组分水性涂料施工便捷、成本较低的特点，又具有较好稳定性和胶膜耐水性及耐老化等性能。

2.4功能性涂料

2.4.1防火涂料

如今有机材料已经被广泛的用于建筑物中，有机物的可燃性也使人们更加重视建筑物防火工作。防火涂料，因此也得到了快速的发展，防火涂料具有装饰性和阻燃性，常常被用于易燃的建筑构件的表层上，以此提高有机材料的耐火能力。通过加入卤素、氮、磷等元素于聚氨酯链段中[4]，并且加入合适的助剂协同，可以使WPU涂料具有一定的阻燃性。

2.4.2防霉涂料

防霉涂料通常被用于潮湿和温暖的环境中，抑制建筑物表面的霉菌生长，同时具有装饰的作用。由于WPU涂层本身是高分子材料和水等的混合物，具备微生物的生长条件，使其非常容易遭受微生物的感染，受到感染后的涂料会发生质变，不仅失去了其绿色环保的性能，还会对环境以及人体造成巨大的危害。因此，在水性聚氨酯中引入合适的杀菌剂可以防止微生物的滋生，保护涂料的性能不受影响。制备防霉杀菌的涂料时，有两种方式可以选择，一种是物理方法，直接将杀菌剂加入到WPU涂料中，既可以达到制备防霉杀菌涂料的效果，并且制备方式又简单易行，常用的防霉杀菌剂为银、纳米TiO2和纳米ZnO等无机抗菌剂[5]。第二种方法是化学方法，将有抗菌基团的有机高分子化合物将抗菌基团以共价键的形式结合在不溶性载体上，制备过程复杂，成本较高。

3　WPU涂料改性方法

3.1环氧树脂改性

环氧树脂具有环氧基和羟基的官能团可参与合成反应[6]，同时具有高弹性模量，高强度，耐热性，耐化学性等优点，能够提高刚度和耐腐蚀能力。应用环氧树脂共混改性时，WPU和环氧树脂之间并没有形成化学键，主要依靠WPU分子的包覆作用和羧基的稳定作用，随着环氧树脂的量剧增，其稳定作用越来越小。化学共聚改性WPU，环氧树脂直接参与合成WPU涂料，通过化学共聚法能够得到性能更优异的WPU涂料。黎兵等从环氧树脂-聚氨酯二元共聚和环氧树脂-丙烯酸-聚氨酯三元共聚两个大方向介绍了环氧树脂改性水性聚氨酯,并对环氧树脂改性水性聚氨酯材料在胶黏剂和涂料领域的研究进展做了详述。刘斌等则合成了一系列不同EP含量的WPU，探讨了不同环氧树脂含量对获得WPU分散体涂膜的耐水性、耐溶剂性及力学性能。

3.2有机硅改性

有机硅化合物结构中含有元素硅，属于半有机、半无机结构的高分子化合物，因而具有良好的耐水性、耐候性、透气性及低表面能等优点，有机硅改性水性聚氨酯的类型主要有四种类型：第一种类型为有机硅氧烷改性；第二种类型为有机硅氧烷-环氧树脂复合改性；第三种类型为有机硅氧烷-丙烯酸酯复合改性；第四种类型为无机硅纳米材料改性。周亭亭等分别对这四种类型改性的方法和特点进行了详细的介绍[7]，并指出有机硅改性WPU涂料是一类具有很好发展前景的高分子涂料，它可以在粘合剂，高弹性纤维，选择透过性薄膜以及防护涂料中应用，特别指出用羟基封端的聚硅氧烷改性水性聚氨酯的发展潜力更大。

3.3纳米材料改性

纳米材料因其自身的量子尺寸效应、宏观量子隧道效应和表面效应[8]，在对WPU进行改性时，可以显著改善WPU的耐热性和力学性能，并赋予其良好的杀菌、阻燃等功能。常用的纳米粒子有SiO2、TiO2、ZnO、碳纳米管和石墨烯等。王焕等介绍了水性聚氨酯/蒙脱土纳米复合材料的研究进展，指出蒙脱土由于特殊的晶体结构，使其具有较大的表面活性、较高的阳离子交换能力、强烈改变流体流动特性的能力，蒙脱土改性的水性聚氨酯与常用的水性聚氨酯相比，具有高的强度、弹性模量和韧性等。

4　WPU涂料未来研究方向

WPU涂料具有绿色环保、性能优越的特点，水性聚氨酯制备技术层出不穷，在各个领域都得到了广泛应用，但是聚氨酯的制备过程中存在着很多的难题，想要使WPU涂料完全取代传统聚氨酯涂料，仍有较多技术难题需要攻克。

4.1开发新型添加剂

WPU涂料是通过引入添加剂制备而成的，添加剂的加入能够有效的改善水性聚氨酯的性能，因此，新型添加剂的开发就具有十分重要的意义，从而制备出性能突出的WPU涂料，满足人们对涂料的功能性需求。

4.2探索新型聚氨酯分子结构

通过水性聚氨酯本身结构的改性及在聚氨酯分子链上嵌入其他分子链段，来改善WPU涂料的防水性能、刚性等，在保持水性聚氨酯本身优良性能的基础上，对相对传统涂料劣势性能方面进行改进。

5　结　语

本文主要介绍了几种常见的WPU涂料，并根据水性聚氨酯在涂料领域的应用和特点提出改性方法。目前世界各国都在积极研究WPU涂料的性能以及应用发展方向，期望其带来更多的社会价值和经济价值。

[1]Athawale V D，Kulkarni M A．Polyester polyols for waterborne polyurethanes and hybrid dispersions[J].Prog.Org.Coat.，2010，67(1):44-54.

[2]赵雨花，亢茂青，王心葵.软段含离子基团的阴离子型 水性聚氨酯胶粘剂的研究[J].中国胶粘剂，2006,15(5):5-8.

[3]黄先威，肖鑫，刘方，等.环氧树脂改性水性聚氨酯的研究[J].聚氨酯工业，2005，20(2)：20-23．

[4]李建宗，李士杰.聚氨酯乳液的应用及研究进展[J].聚氨酯工业，1997,12(4):11-14.

[5]吴建芬，孙建中.顾培韵，等.水性聚氨酯研究进展[J].高分子通报，1994,9(3):156-161.

[6]孙宁，程兰兰.水性聚氨酯的改性研究进展[J].聚氨酯工业，2006,21(4):7-11.

[7]周亭亭，杨建军，吴庆云，等.有机硅改性磺酸型聚氨酯/丙烯酸酯复合乳液的制备[J].应用化学，2013，30(2):143-147

[8]周铭，周海清.水性聚氨酯研究进展[J].涂料工业，2001,31(2):30-33.

Research Progress on Waterborne Polyurethane Coatings

XU Dong-feng，HUANG Dong-ping

(Nanjing Hongbaoli Company Limited，Jiangsu Nanjing 210000，China)

The main types and application of waterborne polyurethane(WPU)coatings were introduced.In recent years，progress of synthesis and modification technology of waterborne polyurethane was reviewed.Modification methods mainly included epoxy resin modification,silicone modification and nano material modification.The characteristics of the modified method were evaluated.At last,the research directions of waterborne polyurethane coatings were put forward by analyzing the characteristics and application of water borne polyurethane coatings.

waterborne polyurethane coating; application direction; modification

徐东峰(1987-)，男，工程师，主要从事聚氨酯合成及应用。

TQ323.8

A

1001-9677(2016)06-0018-03