水性聚氨酯改性涂料的研究

陈希

摘要 水性聚氨酯(WPU)是一种绿色环保的有机高分子原材料，能减少挥发性有机化合物(VOC)的释放，有望取代溶剂型聚氨酯涂料。通过对聚氨酯树脂改性能够提升水性聚氨酯涂料的机能。结合近几年有关水性聚氨酯改性涂料的研究现状，重点讨论有机硅改性，丙烯酸酯改性、环氧树脂改性、纳米材料改性、有机氟改性和植物油改性水性聚氨酯。

关键词：改性；涂料；聚氨酯树脂；水性聚氨酯

1. 水性聚氨酯涂料的改性

1.1有机硅改性

将有机硅的耐高低温性能、防腐蚀性能和优良的机械性能与聚氨酯有机结合可显著提高水性聚氨酯的综合性能。

使用甲苯二异氰酸酯、有机硅改性聚醚多元醇以及丁二醇作为首要原材料制造得到有机硅改性聚氨酯^[2]。该课题组开展了有机硅改性双组分聚氨酯涂料和未添加有机硅的聚氨酯涂料性能对比试验。试验结果表明，在保持聚氨酯涂料优异的力学性能的基础上，与未进行有机硅改性的聚氨酯涂料相比，有机硅改性聚氨酯的涂料的疏水功能更加良好。该疏水性能的增强来源于有机硅中甲基的低表面张力和高憎水性。

在聚氨酯分散体中引入四乙氧基硅烷或者是甲基三乙氧基硅烷，通过水解和缩合反应原位合成了含有改性SiO2的聚氨酯2杂化物，并将其加入到水性聚氨酯乳液中制备了聚氨酯复合乳液。对比含有未改性SiO2的聚氨酯复合膜，改性SiO2功能化的聚氨酯复合膜即使在硅含量为2%～3%时也具有更优异的硬度和耐磨性。

1.2丙烯酸酯改性

聚氨酯树脂具有较好的强度、弹性及粘接性能。与聚氨酯树脂相比，聚丙烯酸酯类材料具有更好的耐候、耐水、耐溶剂及保光性能。聚丙烯酸酯和聚氨酯二者之间在功能上拥有非常好的互补效用，丙烯酸酯改性水性聚氨酯可以有效地综合两者优点具有更好的性能。

通过物理共混法以双丙酮丙烯酰胺为交联剂，在聚氨酯和聚丙烯酸酯之间形成氢键，能够将水性聚氨酯—聚丙烯酸酯杂化乳液制作得到。涂膜性能测试结果表明，该丙烯酸酯改性聚氨酯涂料具有优异的硬度、光泽、耐水性和吸水性。此外，该涂料还具有优异的湿敏性和保湿性。

经过使用乳液聚合方法制作得到水性丙烯酸酯乳液，在使用丙烯酸酯对卷纸进行改性得到聚氨酯－丙烯酸酯复合乳液。该复合乳液兼具水性聚氨酯和聚丙烯酸酯的优异性能，并具有良好的成膜性能。

1.3环氧树脂改性

环氧树脂（这种材料的特点是模量高、强度高并且耐化学功能良好），环氧树脂里面拥有活跃的环氧基团，能够参加进水性聚氨酯的合成，并提高其性能。

采用环氧值为0.44的环氧树脂得到环氧树脂改性水性聚氨酯^[1]。该聚氨酯涂料的硬度可提高到0.70，并且其机械性能与环氧树脂的含量成正相关性。水性聚氨酯经过环氧树脂进行改性之后，涂膜硬度更高、耐水性更好、耐溶剂性更强。

用4.4-二异氰酸二苯甲烷作为单体，使用内乳化方法制作得到了一系列环氧树脂改性的MDI水性聚氨酯乳液，并且分析了环氧树脂E-51的加入量对涂料功能产生的影响。本次研究结果显示，提高了环氧树脂改性水性聚氨酯乳液涂料的整体性能，在环氧树脂E-51的添加量达到百分之四至百分之六的时候，乳液及涂膜的综合性能最佳。

1.4纳米材料改性

纳米材料有着小尺寸量子效应以及表面效应等优良特点。将纳米材料与WPU有机结合可满足不同应用领域对WPU复合材料的需求。

将经KH560改性的纳米碳酸钙与纯聚氨酯混合，制备了聚氨酯/纳米碳酸钙纳米复合涂料并对其性能进行了测试。试验结果表明，提升了改性纳米碳酸钙在聚氨酯基体里面的分散性。同时，聚氨酯涂层的耐热性也得到了改善，其导热系数随着纳米碳酸钙的增加而增加。

将经多巴胺(DOA)和γ-氨丙基三乙氧基硅烷功能化的碳纳米管与水性聚氨酯预聚体反应得到碳纳米管改性水性聚氨酯复合材料，并对其性能进行了测试。当A-DOA/CNTs的质量分数为0.75%时，胶膜的综合性能最佳。与未经碳纳米管改性的聚氨酯相比，cnt改性聚氨酯的热分解温度提高了28℃，其耐热性、耐水性和力学性能均得到了很大的改善。

1.5有机氟改性

近些年来，含氟有机聚合物以其独特的耐溶剂性和高疏水性引起了人们的广泛关注。有机氟中的C-F键具有高键长、高键能的特点，使氟材料具有高稳定性和良好耐热性的优良性能。有机氟与水性聚氨酯相结合可以提高水性聚氨酯的性能。

以自制六元醇、含氟二元醇为单体制备了水性紫外光固化聚氨酯，并详细考察了单体配比、反应条件对水性聚氨酯涂料性能的影响。研究表明，涂膜的硬度和拉伸强度受超支化结构和氟元素含量的影响^[2]。聚氨酯超支化结构和氟含量的增加提高了涂膜的硬度和拉伸强度。此外，氟含量的增加也提高了涂膜的疏水性和耐水性。同时，含氟二元醇含量的增加增大了乳液的粒径并提高了涂膜的热稳定性。然而在氟含量太高的时候，聚氨酯涂料的性能下降。氟二醇含量为8%时，聚氨酯涂料的综合性能最好。

用全氟烷基乙基丙烯酸酯与乙烯基三乙氧基硅烷作为改性剂，采用异氰酸酯单体和多元醇单体与改性剂共聚法和外交联的手段得到改性水性聚氨酯乳液。此次研究结果说明，改性后的水性聚氨酯涂料耐水性、耐热性、硬度和耐化学品性能均得到了提高，断裂面和表面的平滑度与改性前相比也得到了改善。

1.6植物油改性

植物油由于其可再生性、易降解、价格低廉并且容易获得，可作为水性聚氨酯理想的改性剂。其较长的疏水性脂肪酸链段，可以提高涂膜的耐水性。植物油中羟基的官能度＞2，可以与聚氨酯形成交联网状结构以增强其机械强度。植物油中含有的不饱和双键在固化时可以进一步氧化交联使聚氨酯涂膜的性能得到优化。

采用马来酸酐改性蓖麻油合成了含碳碳双键的三羧基蓖麻油，并将其作为内交联剂制取得到了蓖麻油改性水性聚氨酯乳液，并考察了MACO的加入量对MACO-WPU改性乳液性能的影响。试验结果表明，改性后的水性聚氨酯乳液的耐水性和力学性能都得到了提升。当MACO用量为3%时，乳液稳定、胶膜完整且产品的性能优异。在该MACO添加量下，改性水性聚氨酯乳液的热稳定性提高，同时其结晶度有所下降。

将大豆油改性水性聚氨酯和丙烯酸乳液作为主体，用六亚甲基二异氰酸酯作为凝固剂，只取得到了一种在木质家具上使用的新型植物油改性双足分木器涂料，并对其性能进行了测试。研究表明，所得到的涂层干燥快，手感好。固化后，漆膜表面光洁光滑，附着力可达0级，耐水、耐醇、耐碱、耐茶、耐醋等性能都得到了显著提高。与未改性聚氨酯涂料相比，大豆油改性聚氨酯涂膜性能优异，且环保、无异味。

结语

水性聚氨酯涂料是一种绿色环保材料^[3]。为了提高水性聚氨酯涂料的综合性能，扩大其应用范围，水性聚氨酯的改性已成为研究热点。改性的目的是为了提高其耐水性、耐溶剂性、机械强度和热稳定性等。随着经济的发展和水性聚氨酯市场的扩大，高性能的复合改性水性聚氨酯将会有很大的发展。

参考文献

[1]段加欢，张琪，黄琨，陈总达，葛辛.聚氨酯改性水性醇酸树脂涂料的性能及应用[J].广州化工，2021，49(08)：52-54.

[2]江小浦，胡书可.高性能水性聚氨酯涂料的发展及改性研究[J].表面技术，2020，49(11)：296-302.

[3]李佩鲜，刘晨曦，于晓燕，张庆新.环氧树脂改性水性聚氨酯涂料的制备及性能研究[J].胶体与聚合物，2020，38(03)：120-122.