水性聚氨酯及其在纺织助剂中的应用

杜晓晗

（苏州健雄职业技术学院，江苏 苏州 215411）

聚氨酯是一种通过加聚反应形成的高分子化合物，高强度、耐高温、弹性好等特点使其在许多行业和领域有广泛的应用[1]。与国外相比，我国聚氨酯的生产应用起步较晚，在生产加工技术以及工艺设备等方面均存在一定的差距。近年来，随着工业生产规模的扩大，聚氨酯的需求量持续提升，极大地推动了我国聚氨酯生产的工业化进程，将聚氨酯应用于纺织助剂是我国纺织业生产的常见现象。

1 聚氨酯概述

1.1 聚氨酯

聚氨酯全称聚氨基甲酸酯（Polyurethane，PU），属于加聚反应产生的嵌段高聚物，特有的软、硬双段结构赋予其显著的耐磨性、耐高温性、强度以及弹性，在低温下能够表现出柔性与韧性相结合的手感。目前，聚氨酯作为泡沫塑料、涂料、黏合剂、弹性体的原材料，应用领域涵盖机电、船舶、车辆、建筑、纺织印染以及航空等[2]。

1.2 制备原料

结合目前我国工业生产的实况，制备聚氨酯所需的原料主要包括二（或多）异氰酸酯和含有活泼氢的聚酯或聚醚多元醇，生产过程还需要使用一些催化剂、扩链剂以及稳定剂等。

常用于聚氨酯生产的异氰酸酯主要有二异氰酸酯和三异氰酸酯两类。二异氰酸酯包括甲苯二异氰酸酯（TDI）、二苯基甲烷-4,4’-二异氰酸酯（MDI）等8种。二异氰酸酯中的高度不饱和异氰酸酯基团，能够与聚酯多元醇或是聚醚多元醇的羟基发生反应。此外，二异氰酸酯还拥有一定的毒性，根据动物实验来看，其毒性与饱和蒸气浓度关联紧密，一般浓度越大，4 h内吸入物质的毒性也越强。

聚氨酯的制备对聚酯多元醇的分子质量、羟值以及酸值均有极高的要求，端羟基与异氰酸酯可以发生反应并造成链终止，反应生成物为酰胺以及一定量的二氧化碳。酰胺基能够继续和异氰酸酯发生反应，生成物为酰脲基，会对聚氨酯的生产质量造成严重的负面影响。因此，一般情况下，聚酯多元醇的酸值需控制在1 mg KOH/g以内，0.3～0.5 mg KOH/g为宜，但酸值不宜小于0.2 mg KOH/g，否则会对聚氨酯生成的速度产生影响。目前，工业生产中比较常用的聚酯多元醇主要有聚乙二酸乙二醇酯二醇（PEA）、聚乙二酸乙二醇-丙二醇酯二醇（PEPA）、聚己二酸一缩二乙二醇酯二醇（PAG）等9种。

聚氨酯生产中使用催化剂的环节为二异氰酸酯和多元醇合成环节，催化剂的功能是提高反应速率。如在使用异佛尔酮二异氰酸酯和羟基化合物制备聚氨酯时，若将二月桂酸二丁基锡作为催化剂添加，用量只需0.05%，即可将反应时间缩短为7 h。有机锡以及叔胺类化合物常用作聚氨酯制备的催化剂，从效果上来看，前者催化NCO/OH反应的活性明显优于后者，且能大幅度提高反应活性。在不加催化剂的情况下，假设其活性为1.0，则添加有机锡类催化剂的活性可达到200。但需注意的是，二月桂二丁基锡具有较强的毒性，必须严格控制浓度，否则将会损害工作人员的身体健康。一般情况下，二月桂二丁基锡在空气中的质量浓度不超过0.1 mg/m3。叔胺类化合物多用作聚氨酯和水发生反应的催化剂，如聚氨酯泡沫塑料制备、发泡型聚氨酯黏合剂制备等，主要有3个品种，分别是三亚乙基二胺、三乙醇胺[N（CH2CH2OH）3]、三乙胺[N（CH2CH3）3][3]。

扩链剂在聚氨酯的制备过程中，主要发挥扩链和交联的作用，主要成分为含有羟基或含有氨基的低分子质量多官能团，多与异氰酸酯共同使用，会对聚氨酯产品的性能产生影响，在异氰酸酯过量的情况下，也会与扩链剂产生反应，且产物可发挥交联的作用。在实际工业生产中，二甘醇、甘油、山梨醇等醇类以及二乙烯三胺、3,3-二氯-4,4-二氨基二苯甲烷（MOCA）等胺类常被用作扩链剂[4]。其中，后者对人体的呼吸道具有强烈的刺激作用。因此，在使用过程中，操作人员要注意避免吸入含有该物质的蒸汽。在生产过程中，MOVA多用于聚氨酯弹性体和黏合剂生产的扩链剂。稳定剂用于聚氨酯制备的主要作用是防止聚氨酯树脂的老化、热氧化以及光老化和水解，因此，一般会通过添加抗氧剂、光稳定剂以及水解稳定剂的方式避免这类不利现象的发生。其中，光稳定剂可以吸收紫外线，避免聚氨酯出现光老化现象，水解稳定剂常用于聚酯型聚氨酯弹性体的生产过程。

2 水性聚氨酯在纺织助剂中的应用

水性聚氨酯以水作为介质，体系中所包含的有机溶剂较少，除了传统溶剂型聚氨酯拥有的良好性能之外，水性聚氨酯还拥有节能、安全、环保、经济、易加工等多种全新优势，在纺织助剂中得到了广泛应用。

2.1 用于天然纤维免烫、防皱、防缩整理剂

在棉和真丝等纺织品的生产中，常用的天然纤维具有一项共同的特性，即遇水膨胀和干燥收缩，先后经过这两个过程，天然纤维内部的相对位置会出现明显的变动以及起皱现象。为了避免出现这类现象、保障纤维位置的固定，通常会使用免烫整理剂。过去应用比较广泛的免烫整理剂为二羟甲基二羟基乙烯脲树脂（DMDHEV），即2D树脂，虽然能取得较好的效果，但在加工中会产生大量的甲醛，不仅会危害操作人员的身体健康并污染环境，还会在面料上形成一定的游离甲醛残留，对产品消费者的身体健康会造成损害[5]。因此，我国早在2003年就发布强制性标准，对纺织物的甲醛含量进行了严格的限制。在这种情况下，纺织业必须要找到一种全新的替代品。水性聚氨酯整理剂所包含的聚合物膜与纤维之间形成的化学键，使羊毛纤维变得更加平坦，起到防缩和防皱的效果。

2.2 用于织物涂层剂

聚氨酯涂层织物可用于制作具有防水、防羽绒等功能的面料，可耐水、耐寒、耐磨。不仅如此，还具有良好的弹性和手感[6]。如今，纺织业生产中使用的聚氨酯涂层剂主要可分为溶剂型和水型两大类。前者所用的溶剂主要有甲苯、DMF等，表现出较为明显的毒性和易燃性。相较而言，水性聚氨酯则不会对环境产生污染，且成膜良好，用于织物表面可以形成一层耐久性薄膜，起到防水作用。此外，水蒸气可以通过聚氨酯无定型区扩散至表面，使涂层织物获得良好的防水透湿性能。

2.3 用于纺织固色剂

长期以来，印染与服装行业有一个技术难题，即活性染料、直接染料等阴离子染料染色织物的干湿摩擦牢度一直无法达到预期。将水性聚氨酯用作固色剂，经过改性处理后，可以使织物获得良好的透气性以及耐磨性能。例如，我国常州大学化工学院的学者以有机锡作为催化剂，利用二异氰酸酯和聚酯多元醇生成了聚氨酯预缩体，之后与端基封闭剂氮甲基二乙醇胺（N-MDEA）或是甲乙酮肟进行混合，在pH处于4～6的情况下，使用冰醋酸进行中和处理，可获得产物为季铵盐类阳离子型水性聚氨酯，可用作纺织生产的固色剂[7]。在生产过程中，随着烘焙温度不断升高，水性聚氨酯中被封闭的—NCO将会不断被释放，与织物和燃料上含有活泼氢的基团发生反应，在织物的纤维表面形成保护膜，强化燃料在织物上的附着力。

3 结语

水性聚氨酯拥有传统溶剂型聚氨酯所不具备的优良性能，将其应用于纺织助剂中，可以促进纺织业生产质量和效率的提升，促使我国纺织业进一步发展。