水性聚氨酯涂料技术研究进展

梁西振

（1.江苏省地质矿产局第五地质大队，江苏徐州 221000；2.徐州大光涂料厂，江苏徐州 221000）

随着建筑行业的快速发展及人们环保意识不断提高，环保节能发展成为现代建筑发展的一个重要方向。而建筑涂料作为建筑工程施工建设中的一种重要装修材料，推动其环保、绿色发展具有重要意义。水性聚氨酯就是目前在建筑工程中使用较为广泛的一种建筑涂料，其具有挥发性低、成本低廉、用量少且效果好等优点，因此应用于建筑工程中不仅能够有效降低对环境的污染，而且大大降低建筑能源消耗，在推动建筑行业环保绿色化发展方面有重要意义。

1 水性聚氨酯概述

水性聚氨酯也称水分散聚氨酯、水系聚氨酯或水基聚氨酯，是一种以水导体有机溶剂作为分散介质的新型聚氨酯体系，具有无污染、安全可靠、机械性能优良、相容性好及易于改性等优点，因此是目前建筑工程施工中应用最为广泛的一种环保节能型涂料。水性聚氨酯涂料一般分为单组分和双组分两种，其中，单组分聚氨酯涂料可直接使用，具有较低的相对分子质量或交联度。而双组分聚氨酯涂料主要是在单组分涂料基础上，通过在其中添加交联固化剂的聚氨酯涂料，能够进一步提高聚氨酯机械性能和耐化学性能。但不管是单组分聚氨酯涂料还是双组分聚氨酯涂料，其成膜机理都是异氰酸酯（—NCO）与水在适当催化剂作用下发生聚合反应而固化成膜，而且由于水与异氰酸酯反应较慢，而在形成薄膜过程中水分挥发较快，因此水性聚氨酯涂料在使用中即使水量较大也能够很好成膜，能够有效保证施工质量。

水性聚氨酯作为一种新型环保涂料，其在建筑工程中应用具有突出优势。首先，环保无污染。水性聚氨酯挥发性较低，在使用中可有效避免挥发性排放污染空气的问题，有利于人体健康。其次，大多数水性聚氨酯树脂都不含反应性NCO基团，而主要靠分子内极性基团产生内聚力和黏附力固化，具有较强耐化学性。此外，水性聚氨酯树脂气味小、施工操作方便，而且残胶很容易清理，能够大大提高施工效率及质量。另外，水性聚氨酯在柔韧性、抗冲击性等方面优势也很突出，能够更好满足现代建筑施工要求。

2 功能化水性聚氨酯涂料技术现状

2.1 阻燃型水性聚氨酯涂料

为满足生产和生活等领域对功能性水性聚氨酯涂料需求，相关工作研究人员经过多年研究，研制出了多种具有特殊性能的水性聚氨酯涂料，从而有效促进了水性聚氨酯涂料在各领域中的应用，而阻燃型水性聚氨酯涂料就是其中一种。消防性能是建筑工程的一个重要性能，随着建筑工程大规模及高层化发展，对消防性能也提出了更高要求，阻燃型水性聚氨酯材料在这方面就发挥了充分优势。通过在建筑材料表面涂上阻燃型水性聚氨酯涂料，不仅能够延长材料使用寿命，而且能够有效提高材料耐火性，从而提高建筑整体火灾抵御能力。国外相关研究者通过在聚氨酯骨架中引入合成的一种反应性季戊四醇二羟乙基磷酸胺，成功制备了阻燃型水性聚氨酯。而且为进一步提高其力学性能，相关研究者又设计合成了一种含磷氮端羟基单体三磷酸，并将其加入阻燃型水性聚氨酯中。经测试显示，含磷氮端羟基单体三磷酸与阻燃型水性聚氨酯的协同效应非常好，得到的阻燃型水性聚氨酯涂料在阻燃性能和力学性能方面都得到了大幅提升。随着研究的不断深入，国外相关研究者先后研制出了新型后扩链阻燃型水性聚氨酯涂料、添加了有机改性剥离蒙脱石含次磷酸铝聚氨酯涂料、以磷基聚酯多元醇与异佛尔酮二异氰酸酯为原料的阻燃型水性聚氨酯涂料等类型涂料，它们都具有优异阻燃性能。国内学者过不断研究，进一步提升了紫外光固化涂料性能，使其在具有挥发性有机物排放量低、能耗低、常温固化快、循环时间段及性能优异等诸多优点基础上，更是具备了优异的阻燃性能，从而大大降低了其潜在燃烧风险，应用于建筑施工中有利于建筑整体消防性能的提高。

2.2 防腐型水性聚氨酯涂料

防腐性能是衡量涂料品质的重要参数之一，水性聚氨酯防腐性能的提高一直都是涂料研究的一个重点。水性聚氨酯涂料以水为分散剂，其涂膜在耐化学性及耐溶剂性方面往往有所不足，因此需要通过改性来提高其防腐性能。近年来，对于水性聚氨酯在防腐性能方面的改性主要有以下方面。①利用生物大分子海藻酸钠和木质素磺酸盐分别对氧化锌进行表面改性制备纳米复合材料，然后采用溶液共混法将其分散于水性聚氨酯涂料中，从而得到2种耐腐性水性聚氨酯涂料。②通过在氮化硼（BN）纳米片上引入羟基制备与水性聚氨酯具有良好界面相容性的BN 纳米片水分散体（BN-OH），然后将其引入水性聚氨酯中制备复合涂层。研究分析证明，BN-OH在水性聚氨酯基体中能够均匀分散，起到阻隔作用，进而有效抑制电解质参透，以此提高复合涂料防腐性能。③利用石墨烯来提升水性聚氨酯涂料防腐性能。石墨烯具有二维蜂窝状点的结构，是抗腐蚀的理想材料。相关研究人员利用石墨烯制备的石墨烯基水性聚氨酯丙烯酸酯涂料就具有优异的耐腐蚀性能。④利用具有高亲水性和良好相容性的聚乙烯醇提高水性聚氨酯涂料防腐性能。在以上各种改性后的复合涂料中采用溶液共混法将聚乙烯醇分散于水性聚氨酯体系中，就可以得到新型水性防腐涂料，这种复合体系具有更加突出的分散性和耐腐蚀性。

2.3 防水型水性聚氨酯涂料

由于水性聚氨酯含有亲水性软段，这使得其在具备较好亲水性的同时也较容易被水分破坏，从而降低其防水性能。目前对水性聚氨酯防水性能改性方面，一是利用十二烷基二芳基重氮甲烷改性水性聚氨酯涂料，从而增大涂料接触角，降低涂料亲水性来提高防水性；二是利用末端含有丙烯酸基团聚乙二醇大分子对水性聚氨酯进行改性，改性后的涂料具有较好耐水性和透气性；三是制备环氧乙烷-环氧丙烷共聚物，然后将其与聚四亚甲基醚乙二醇混合制备水性聚氨酯涂料，该种涂料粒径小，防水性能优异。另外，经过进一步改良的新型环保型十八胺氧化石墨烯改性水性聚氨酯丙烯酸乳液，不仅表面光滑，而且在防水性和机械性能方面也很优异，在实际应用中有很大优势和前景。

2.4 防霉型及其他功能化水性聚氨酯涂料

水性聚氨酯涂料在空气湿度较大的地方使用容易发生霉变，从而破坏涂料结构性能，因此提高水性聚氨酯防霉性能很重要。目前使用的防霉型水性聚氨酯涂料主要是添加了防霉变和抗菌药剂的水性聚氨酯涂料，操作简单且不会破坏涂料分子结构及性能。常用的防霉抗菌剂主要有含银、纳米TiO2和纳米氧化锌等原料的无机抗菌剂。另外，根据使用需要，导电型、环保型、减震型、生物降解型及自修复等功能化水性聚氨酯涂料也不断研发，在很多领域都展示出了优异的性能。随着研究的不断深入，水性聚氨酯涂料种类还在不断丰富，以更好满足各领域实际使用需要。

2.5 光固化水性聚氨酯涂料

光固化水性聚氨酯涂料主要是利用紫外光辐射、电子束辐射的高强度辐射来促使低活性聚合物体系产生交联固化。当前主要采用的是紫外光固化形式。首先采用不饱和聚酯多元醇来进行预聚物的制备，随后采取普通方法将粒子基团引进，采用亲水处理后获得在主链上带双键的聚氨酯水分散体，随后和溶解度较好的高活性三丙烯酸烷氧基酯单体、光敏剂等助剂混合来获得光固化水性聚氨酯涂料。

2.6 室温固化水性聚氨酯涂料

有时候无法使用加热的方法来交联部分热敏基材与大型制件，此时则需要采用室温交联的水性聚氨酯涂料。美国AirProducts 和化学公司的相关研究报道中指出，有效结合水分散性多异氰酸酯，能够对丙烯酸酯混合物或水性端羟基聚氨酯预聚物进行优化。该类水性聚氨酯涂料利用特别制作的多异氰酸酯交联剂，通过亲水处理后在部分不同类型的含羟基聚合物内来形成分散体，并且能够和许多类型的含羟基聚合物水分散体构成可以在室温固化的聚氨酯水性涂料。

2.7 第三代水性聚氨酯涂料（PUA）

相较于溶剂型产品来说，聚氨酯（PU）乳液与聚丙烯酸（PA）乳液具有无毒、无污染、不燃、安全、价格低等优势。不过单纯的聚氨酯（PU）乳液的自增稠性、稳定性以及膜的保光性较差，固含量高、无法广泛运用等不足，单一的聚丙烯酸（PA）乳液的耐水性、耐磨性与耐化学品性较差。不过在性质上来说这二者有着互补的作用。第三代水性聚氨酯涂料则具有光亮、耐腐蚀、耐磨、弹性好、力学性能佳、耐水性、耐候性好等有优点，具备了以上二者的优点，是今后涂料发展的一个重要趋势。

2.8 有机硅改性聚氨酯涂料

聚硅氧烷的化学结构较为特殊，所以其具有良好的化学稳定性、电绝缘性、耐高低温、生物相容性、生理惰性以及憎水防潮性。有机硅改性聚氨酯属于一类高级涂料，目前获得了广泛的关注与运用。例如，利用聚氨酯的共聚物与含聚硅氧烷一同制作的涂料具备潮态硫化的功能；采取环氧硅氧烷来与水基聚氨酯微凝胶发生有效交联，实现膜的力学性能提升。

3 结束语

总而言之，在经济快速发展的社会背景下，环境保护成为人们的共识，所以绿色环保涂料的研发必定是日后发展的主流趋势。目前，虽然水性聚氨酯涂料在很多领域都得到了广泛应用，且具有很大优势，但整体而言，我国在水性聚氨酯涂料技术研究方面仍存在一些不足，如成膜时间过长、施工中易产生气泡而形成缩孔、原材料成本高等。这些缺点不仅是影响水性聚氨酯整体性能提高的重要因素，而且也限制了水性聚氨酯涂料市场进一步拓展。但无论如何，水性聚氨酯都是一种具有优异性能的新型涂料，相信通过不断研究，水性聚氨酯涂料技术将不断得以提升，从而开拓更广阔市场。