绿色涂料水性聚氨酯漆分析

杨军 刘江波

摘 要：随着涂料工业的不断发展，其品种、花色、功能等越来越多，但是在涂料制造与施工时有机溶液排放大量的毒害物质影响生态环境，基于此，本文将分析绿色涂料水性聚氨酯漆，其具有节能环保的优点，在市场中具有广泛的推广价值。

关键词：绿色涂料;水性聚氨酯漆;分析

目前我国家具涂料主要是以硝基涂料、聚氨酯涂料为主，在施工制造的过程中将会有大量的卤代氢、甲醛等有害物质释放，对人类的健康及生态环境都会造成严重的影响。而与高VOC排放性漆相比，水性漆以水为溶剂，具有安全、无毒、环保的特点，节省资源与能源，我国关于水性漆研究以聚氨酯为主，受到了人们的广泛欢迎[1]。

1 绿色涂料水性聚氨酯漆概述

随着人们环保意识不断增强，对于VOC排放量限制日益严苛，石油能源也十分紧张，推动我国涂料转变为以水性涂料为主的低污染绿色涂料。

聚氨酯漆，是聚氨基甲酸酯漆，漆膜具有较强的韧性，光泽丰满，附着力强，耐腐蚀性与耐水耐磨性良好，其在高级木器家具中具有广泛的应用空间，也可以将其应用在金属表面，由于其性能十分优异，中国涂料工业聚氨酯比例已经大于25%。但也存在一定的缺点，即遇潮起泡，漆膜容易粉化等，与聚酯漆相同，存在变黄问题[2]。

木器涂料中聚氨酯涂料占有主导位置，市场份额达到75%，在汽车修补中占据40%。水性木器涂料主要有聚氨酯水分散体涂料、丙烯酸水分散体涂料、水性醇酸涂料等，其性能高，VOC含量低，促进其成为发展最快的水性木器涂料之一。制备水性木器涂料通常原料为聚醚多元醇及聚酯，价格昂贵。

水性聚氨酯涂料通过外观可将其分为三种：聚氨酯水溶液、聚氨酯乳液及聚氨酯水分散体。此山中水性聚氨酯涂料区别在于水中聚氨酯分子粒分散形态差别较大。而依据亲水性基因存在的电荷性质分类，可将其分为阴离子型与阳离子型，或者是以合成方法与种类等进行分类。

2 单组聚氨酯

水性聚氨酯涂料最早是指单组分聚氨酯涂料，其具有较高的断裂延伸率，可以常温干燥，通常制备方法有两种，即自乳化法与强制乳化法，相较于溶剂型聚氨酯入料，其耐溶剂与耐化学性较差，光泽、硬度、鲜艳度也较低，可以利用改性将性能提高。

2.1 交联改性技术

由于单组分聚氨酯涂料较低的耐化学性，所以在应用过程中不可避免的存在一些缺陷，可以通过交联改性技术的应用将耐化学性提升。此技术能够通过内交联剂的添加，原材料选用反应物合成的方式将整体聚氨酯涂料交联改性提升。以原材料而言，其可以使用多元胺扩链剂及酯交联剂，让单组分聚氨酯有交联性。以内交联剂添加而言，早期主要使用两种交联剂，即碳化二亚胺与甲亚胺，此两种物质在聚氨酯乳液中稳定存在[3]。交联改性技术的不断发展，也出现了新的内交联剂，是氮杂环丙烷化合物，尿丁酮在现阶段也广泛应用，尿丁酮的使用增加了单组聚氨酯涂料的力学性能与耐化学性。

2.2 复合改性技术

水性聚氨酯复合改性材料主要是丙烯酸酯与环氧树脂。

2.2.1 丙烯酸酯改性

相较于聚氨酯材料而言，聚丙烯酸酯具有较强的耐水性、保光性与耐溶剂性。但是，其在涂料中强度、弹性、粘结性等方面则较差，所以，可以有机结合聚氨酯与丙烯酸酯能够实现互补，以此两种材料作为原料所合成的水性聚氨酯材料可以同时拥有这两者的优点，提升其综合性能。通过丙烯酸酯改性水性聚氨酯有两种方法，分别是物理方法与化学方法。物理改性主要是混合丙烯酸酯与水性聚氨酯，将涂料机械性能提升，若是使用此种方法，对于丙烯酸酯离子稳定性具有较高的要求，其还应当对溶剂有亲和性，避免出现改性物质破乳的情况;而滑雪改性则是将丙烯酸酯加入到水性聚氨酯溶液之中，再向溶液中添加适量的引发剂实现两种物质自由基聚合，完成复合型乳液。此过程中，需要制备出核--壳结构，基本原理是水性聚氨酯表面存在水性离子集团，丙烯酸酯表面存在疏水性集团，方向相反，增强了水性聚氨酯的微粒作用，从而构成核为丙烯酸酯，壳为水性聚氨酯的乳胶微粒[4]。

2.2.2 环氧树脂改性

环氧树脂材料具有较好的粘结力、力学性能及稳定性等优点，且其含有的环氧基活泼性较强，可以与水性聚氨酯直接反应。一般情况下，环氧树脂改性过程中让水性聚氨酯含有的异氰酸酯基与环氧树脂含有的羟基形成反应，在环氧树脂与水性聚氨酯之间构成化学连接，形成互穿网络结构，能够全面提升水性聚氨酯的耐溶剂、机械性能、耐热性与耐水性等，改性环氧树脂共有两种方法，分别是机械共混与共聚法。共聚法，主要是两者机械混合之后不会有化学键反应发生，而是通过环氧树脂具有的疏水性与化学基团的亲水性包裹起来，实现了改性环氧树脂的制作;而共混改性由于此两种物质之间没有化学键反应，导致改性后形成的复合乳液稳定性较差。近几年中推出新的复合改性技术，如植物油改性与纳米材料改性。植物油改性中，其属于再生资源，在制备水性聚氨酯漆时更加环保;而纳米材料改性，其有效提高了胶膜热稳定性与拉伸强度。

3 双组分水性聚氨酯涂料

此涂料主要是固化剂（异氰酸根为主）及含有活泼氢可以与异氰酸根离子反应的水性聚氨酯组成，此反应中含有两个或以上数量的羟基反应形成能够交联的结构，若是结合两组水性聚氨酯涂料与双组分溶剂树脂可以形成更加环保的涂料。现阶段对于水性聚氨酯研究中多数为通过分散体多元醇制备属性聚氨酯，主要步骤如下：首先，有机溶液环境下合成非离子链段树脂，合成树脂溶液在水中分散及可称为聚氨酯多元醇料，其在综合性能中表现良好，涂膜外观效果、化学性、机械性等均有所提升。

水性双组分聚氨酯涂料主要有以下类型：

3.1 水性多元醇体系

含有的多元醇应当具有良好的分散性，才能保证水中进行多异氰酸酯固化剂的分散。依据不同的制备方法，可将其分为分散体系多元醇与乳液型多元醇。初期，通常使用乳液型多元醇，利用乳液聚合獲得含有多种结构的丙烯酸多元醇乳胶，具有聚合物分子相对质量大、室温下涂膜干燥快的优点，而缺点则是其对于多异氰酸酯固化剂微改性分散性差，涂膜并不美观，试用期较短。而为了能够改善其分散性，提升双组分水性聚氨酯涂料的效果，使用分散体多元醇，也可称其为第二代水性抢救数值，此方面研究数量多，依据化学结构进行分类，水性多元醇可分为聚氨酯多元醇、聚酯多元醇、杂合多元醇、丙烯酸多元醇等。此种多元醇利用有机溶液合成而来，分子结构中具有亲水性非离子链段或者亲水可电离基团，之后在水中分散树脂溶液获得分散型多元醇[5]。特点是分散粒径较小、相对分子质量低、分散固化剂性能优异，外观涂膜好，整体性能大幅度提升。

3.2 丙烯酸多元醇

相较于丙烯酸多元醇乳胶，其相对分子质量较低，粒径较小，羟基官能度高、分散固化剂性能好，较强的涂膜交联度，综合性能优秀，但是其涂膜后干燥速度较慢，整体硬度提高。可对羟基含量、胺中和度、酸值调整调节体系的粒径，体系粒径在130-140nm之间其涂膜性能最佳。

3.3 聚氨酯多元醇

本身属于性能较高的胶黏剂，使用其进行双组分水性涂料的配置，具有机械性能、耐磨性、耐化学性高的、涂膜外观好的优点。可依据实际需求对氨基甲酸酯浓度进行调整明确涂膜性能。

4 总结

总之，随着水性聚氨酯应用更加广泛，对于其性能也提出了更高的要求，经过实践证明，交联改性技术及复合改性技术均能提高其综合性。在今后的研究中，水性聚氨酯将向高性能、高科技含量、多功能发展，加强对复合改性技术的研究，了解不同因素对复合改性的影响，从而促进水性聚氨酯漆性能的进一步提升。还应当与聚氨酯分子设计性相结合，探索新的合成工艺与方法。

参考文献：

[1]张家祖，徐康，袁少飞，王洪艳，张建，张文标，李琴.水性聚氨酯漆料干燥速率及漆膜性能影响规律研究[J].中南林业科技大学学报，2019，39（01）：134-140.

[2]刘道春.节能环保的水性聚氨酯涂料驱动现代汽车开创绿色未来[J].环球聚氨酯，2016（03）：74-81.

[3]王磊.水性聚氨酯涂料技术的发展研究论述[J].化工管理，2018（17）：163.

[4]渠文学.水性聚氨酯涂料改性研究分析[J].化学工程与装备，2019（04）：15-16.

[5]付策，王东，江涛.水性聚氨酯橘纹涂料的研究[J].中国涂料，2018，33（08）：59-62.