水性聚氨酯涂料在建筑领域应用的研究进展

黄朝广

（湖北工业职业技术学院，湖北十堰442000）

随着环境污染的加剧，引发了人们对于环保的高度重视，而水性涂料由于具有无毒、不污染环境等特点，可以缓解日益恶化的环境问题，因此备受关注。涂料是建筑领域必须应用的材料，具有保温隔热、防火、防腐等功能。水性聚氨酯（WPU）涂料和溶剂型聚氨酯涂料相比，具有安全、无毒、环保的特点，符合当前社会的绿色发展理念，在建筑领域具有广泛的发展前景和举足轻重的作用。

1 水性聚氨酯概述

水性聚氨酯（WPU）的概念第一次提出是在20 世纪40 年代初，由德国科学家P.Schlack 合成的，在制备过程中通过外加乳化剂的方式而成功制备出可水分散的PU。从分子结构角度来讲，WPU 的大分子链中包含-NH-CO-NH-、-NH-COOO 等基团，也可以说WPU是聚氨酯- 聚脲的总称，多元醇与多异氰酸酯通过加聚反应生成聚氨酯链段，由多异氰酸酯与多胺之间通过加聚反应生成聚脲链段。20 世纪60 年代、70 年代WPU得到了快速的发展，并且美国实现了工业化的大批量的生产，国外对WPU 的研究及应用都较早。我国对于WPU 的研究较晚，与国外的研究相比比较落后，存在很多不足。在WPU 的水分散体中，颗粒的表面主要分布离子中心，颗粒内部主要分布疏水链，成盐离子基团通过离解作用将离聚物颗粒和水之间分离成双电层，不同的粒子之间由于双电层的作用相互排斥，保持了整个分散体的稳定性。当前，用于制作涂料的主要是阴离子型WPU 分散体，通过乳化方法制备完成。

水性聚氨酯涂料分成单组分和双组分两大类，水性双组份聚氨酯涂料的成膜过程比较复杂，成膜过程主要包括水和助溶剂等物理成膜过程、化学基团反应间的化学成膜过程，成膜过程如图1 所示。

图1 水性双组份聚氨酯成膜过程Fig. 1 Waterborne two-component polyurethane film forming process

水性聚氨酯（WPU）涂料施工之后，成膜早期主要是物理成膜过程为主，水分和助溶剂不断挥发，不同粒子之间的距离不断缩小，在毛细管力的作用下不同的分散粒子形成高浓度的堆积的六边形结构，同时发生水包油到油包水的相转变，开始化学成膜反应，化学成膜反应中主反应为聚异氰酸酯和多元醇反应，副反应为聚异氰酸酯与胺基、羧基及水的反应，副反应中聚异氰酸酯与水的反应会生成CO2，如果配方设计不合理会影响涂膜的表观和最终性能。

2 建筑用水性聚氨酯（WPU）涂料的研究进展

2.1 建筑领域水性聚氨酯（WPU）涂料的种类

2.1.1 阻燃型水性聚氨酯涂料

水性聚氨酯涂料在建筑领域的应用较多，在建筑中应用涂料可以延长建筑的使用寿命，由于建筑的易燃风险较高，因此，十分有必要研究水性聚氨酯（WPU）涂料的阻燃性能，阻燃性能可以抵御火灾。WPU 涂料的阻燃性能是在聚氨酯链段中加入氮、磷、卤素等元素及适量的助剂［1-3］。

当前，WPU 的阻燃性能研究主要集中在反应型阻燃体系、膨胀型阻燃体系及添加型阻燃体系三个方面。其中，反应型阻燃体系是在聚氨酯中加入具有阻燃功能的单体。如Wang 等［4］在研究中合成了反应性季戊四醇二羟乙基磷酸胺(PDNP)，并将其引入到聚氨酯骨架中制备了阻燃型水性聚氨酯(FRWPU), 并在FRWPU 中引入含磷氮端羟基单体三磷酸，制备的阻燃型水性聚氨酯涂料阻燃性能及力学性能都十分优异。Liu 等［5］在超声催化的条件下，利用磷化壳聚糖(PCS)改性蒙脱土，得到了PMT（有机改性剥离蒙脱石），将PMT 添加到含有AHP（次磷酸铝）的聚氨酯中。结果表明，AHP 含量为9% 和PMT含量为1% 的聚氨酯阻燃性能良好。陈丽娟等［6-7］设计了两种磷氮系膨胀阻燃单体，分别为EBAAP（仲胺磷酸酯）和N-PBAAP（叔胺磷酸酯），这两种单体的合成材料均为丙烯酸羟乙酯、二胺化合物、二氯化磷酸苯酯，这两种单体可用作聚氨酯丙烯酸酯紫外固化涂层，阻燃性能较好。Wu 等［8］制备了不含磷的无卤阻燃剂双苯基氧化膦，将该物质作为扩链剂引入到WPU 得到了后扩链阻燃型水性聚氨酯，实验测试表明，该物质表现出了十分优异的阻燃性能。

2.1.2 防霉抗菌涂料

建筑表面易于生长微生物，此外WPU 涂料含有大量的亲水基团，在建筑表面更加容易滋生微生物，使涂料发生变质，失去对建筑的保护作用。因此，需要在WPU中添加合适的防霉剂或杀菌剂，研制防霉抗菌涂料［9］。

在防霉抗菌WPU 涂料研制过程中，应该首先分析建筑所处环境的霉菌种类，然后根据“复配”方法设计对霉菌比较敏感的杀菌剂，这样可以起到最佳的防霉抗菌效果。当前建筑领域报道最多的防霉抗菌涂料为地坪涂料。关于在防霉抗菌WPU 涂料取得的研究成果也较多，如Wu 等［10］在研究中合成了水性可生物降解阳离子聚氨酯(WCPU)，这种物质在酸性条件下剧烈进行搅拌可以得到水性分散涂料，涂料对于金黄色葡萄球菌和大肠杆菌的抗菌率非常高, 可以达到100%。Zhang 等［11］通过聚氨酯的改性得到HPTF（聚氨酯/二氧化钛复合膜），该物质的亲水性效果较好，并且在阳光照射下HPTF 的抗菌活性也较高，二氧化钛含量为0.25% 时，4h 内大肠杆菌的抗菌活性为95% 以上，白色念珠菌的抗菌活性为90%以上。

2.1.3 耐磨抗冲击涂料

耐磨抗冲击水性聚氨酯涂料的抗冲击能力较强、粘结力较好，耐磨损，在室内地面及水泥基地面中应用效果良好［12］。外界的循环冲击和摩擦也不会造成建筑表面涂层的剥离和起皮。很多学者也对该涂料进行了研究，如陈凯［13］研制了一种由多异氰酸酯—NCO—基团和硅丙水分散体的—OH—基团配制而成的双组分水性聚氨酯地坪涂料。沈剑平［14］对研发的耐磨抗冲击水性聚氨酯涂料进行压力试验，结果表面该涂料的耐磨性能良好，漆膜表面仅有轻微的压痕。双组分耐磨抗冲击水性聚氨酯涂料与水泥地面固化之后，涂层的弹性好，地面平整。该涂料应用在了2008 年北京奥运会中的游泳艺术中心草坪和2010 年上海世博会展示地坪，这些应用充分展示了水性双组分聚氨酯涂料的耐磨和抗冲击性能。

2.1.4 隔热涂料

21 世纪的能源匮乏问题越来越凸显，建筑的节能理念也在不断的实践中，节能隔热的建筑涂料也成为了研究的重点。当前应用的隔热涂料主要应用在建筑外墙，具有薄层高效隔热的特点。水性聚氨酯涂料是隔热保温性能比较好的一种材料，夏季的天气比较炎热，如果能够降低透过玻璃窗进入室内的太阳辐射热，可以降低空调的负荷，显著降低能耗。很多研究人员对隔热涂料进行了研究，如李雪等采用丙酮法以DMPA、聚醚220、IPDI 等为原料合成了WPU，并将WPU 与纳米氧化锡锑（ATO）分散液进行复合之后制备得到ATO/WPU 复合隔热涂料，实验结果表明该隔热材料在ATO 的含量为6%时降温效果最高可达9℃［15］。Chang Kaijay 等在聚氨酯中加入了二氧化硅气凝胶，该复合材料具有较低的热导率［16］。

2.1.5 其它功能化水性聚氨酯涂料

除上述几类功能化水性聚氨酯涂料以外，研究人员还开发了防腐型、防水型、生物降解等水性聚氨酯涂料。由于水性聚氨酯涂料的分散剂为水，耐化学性能较差，因此，需要进行改性研究增加防腐性能。如Christopher等［17］利用海藻酸钠(SA) 和木质素磺酸盐(LS) 实现了氧化锌(ZnO) 的表面改性，制备得到SA/ZnO 和LS/ZnO，采用溶液共混法将SA/ZnO 和LS/ZnO 分散在水性聚氨酯涂料中。实验结果表明当LS/ZnO 的含量为0.3%时，水性聚氨酯涂料的耐蚀性最佳。此外，石墨烯也是一种应用效果非常好的抗腐蚀材料，Wang 等［18］制备了新型钛酸酯偶联剂，利用新型钛酸酯偶联剂将还原氧化石墨烯引入水性聚氨酯涂料中，得到水性聚氨酯丙烯酸酯( WPUA) 涂料，结果表明该涂料的耐蚀性明显提高。

水性聚氨酯含有亲水性软段非常容易被水分破坏，因此，对于某些耐水要求的应用领域来说需要对水性聚氨酯涂料进行防水研究。如Jeonng 等［19］利用聚乙二醇大分子采用自由基聚合的方式对水性聚氨酯涂料进行改性研究。应用结果表明，改性之后的水性聚氨酯涂料的透气性和耐水性能都有所提升。Yin 等［20］采用自乳化法制备了一种新型环保型十八胺氧化石墨烯改性水性聚氨酯丙烯酸(ODA-GO/WPUA) 乳液，该涂料的防水性能良好。

2.2 水性聚氨酯涂料的改性方法研究

水性聚氨酯涂料已经成为当前建筑领域应用的高性能的、环保型的涂料，应用前景广阔，对水性聚氨酯涂料进行改性研究成为了研究的重要内容。WPU 的改性方法主要包括纳米粒子改性方法、交联改性方法、复合改性方法、共混改性方法等。共混改性综合应用性能不理想；交联改性无法凸显出多种树脂共混的优越性；纳米粒子改性方法是研究的重点，将纳米粒子引入WPU 中可以获得纳米复合材料；复合改性是将有机硅、丙烯酸酯等树脂利用接枝、共聚等不同方法复合到WPU 主链上，改善WPU 的性能。本文主要介绍复合改性和纳米改性。

2.2.1 复合改性方法

对WPU 进行复合改性过程中，常用的改性剂为丙烯酸和环氧树脂类单体、有机硅，如郑绍军等［21］利用丙烯酸类单体来改性WPU，提高了涂膜的耐水性。姜守霞等［22］在WPU 乳液中加入了环氧树脂，随着环氧树脂含量的增加，提高了WPU 乳液的硬度和粘度，满足建筑业对于涂料的硬度和粘度要求。康圆等［23］采用丙酮法合成了有机硅改性WPU 乳液，结果表明，WPU 乳液及其胶膜的综合性能较好。周亭亭等［24］以硅烷偶联剂KH-550 作为改性剂，合成了有机硅改性磺酸型聚氨酯/丙烯酸酯复合乳液，对复合乳液进行测试，结果表明复合乳液涂膜的韧性提高，吸水率降低。以上实验结果表明，WPU 进行复合改性之后，可以改善WPU 的缺陷，可作为一种新型建筑涂料应用在建筑领域中。

2.2.2 纳米改性方法

纳米技术是科学研究的重点和热点，采用纳米粒子对WPU 进行改性，可以提高WPU 的隔热保温、防火性能等，当前WPU 改性应用的纳米粒子包括纳米TiO2、纳米SiO2、纳米ATO、纳米CaCO3、纳米ZnO 等。纳米改性方法主要包括插层法、溶胶凝胶法、直接混合法等。如Gao X Y 等［25］用油酸改性纳米CaCO3之后通过原位聚合法制备得到了WPU/ 纳米CaCO3复合材料，结果表明，与纯WPU 相比，改性之后的WPU 拉伸强度与机械性能都显著提高。金祝年等［26］采用内乳化法，以SiO2为载体、多元胺作为扩链剂制备了纳米银WPU 化合物,这种建筑涂料具有较好的除甲醛、抗菌的功能。张冠琦等［2］以纳米ATO 分散体为填料、WPU 树脂为成膜物制成隔热涂料，将其涂抹在玻璃表面可以表现出良好的隔热效果，在建筑领域的应用效果较好。罗振扬等［27］分别将纳米氧化铝加入WPU 树脂可以提高WPU 的耐磨性，将和纳米氧化铟锡加入WPU 树脂中，可以提高WPU 涂膜具有可见透过率和红外阻隔性。纳米粒子改性WPU的技术也日益成熟，将会制备更多的性能优良的涂料应用在建筑领域。

3 结论与展望

水性聚氨酯（WPU）涂料目前已经应用在办公室、车间、仓库、地坪等工程，但是由于水性聚氨酯涂料自身性能的不足限制了其在建筑领域的应用，在环保、绿色的理念指导下，应该加强对水性聚氨酯（WPU）涂料的改性研究，使其具有耐刮擦、耐化学品、抗霉菌、防水等性能，集中力量开发出更多的符合建筑领域应用要求的涂料，今后水性聚氨酯（WPU）涂料的改性研究应该集中在自修复功能、可生物降解等方面，进一步开发综合性能优异的水性聚氨酯涂料。