水性聚氨酯涂料的应用研究
摘要 本文综述了水性聚氨酯的性能，分类以及应用
关键词 性能 水性聚氨酯 应用
1 前言
随着人们环保意识的增强，人们对自身的生活环境越来越关注，传统的溶剂型涂料面临严峻挑战，水性涂料具有无毒、不易燃烧、无污染环境等优点，所以水性涂料成为近年来研究的热点。水性聚氨酯(WPU)是一类可在水中分散溶胀的聚合物,因其中的挥发性有机物含量低,在工业水性漆、建筑涂料、水性胶黏剂等领域有很大的发展和应用空间[1-3]。WPU不但保留了传统的溶剂型聚氨酯优良性能,如良好的柔韧性、耐低温性和耐疲劳性等,而且还具有环保、节能、安全可靠、使用方便等优点[4-5]。近5年来,世界水性聚氨酯分散体(PUD)消费保持6.3%以上的年均增速,约为全球GDP增速的2倍,而2005年我国的PUD消费量达到4.1万吨,2006年达到5.5万吨,2007年突破7.0万吨,近3年我国PUD消费量年均增长率超过15%。随着各国对挥发性有机物及有毒物质使用限制越来越严格,水性聚氨酯因具有环境友好的特点,将具有巨大的市场空间。
2 水性聚氨酯的性能
聚氨酯( PU) 涂料是涂料业中增长速度最快的品种之一[6-7] 。水性聚氨酯(WPU) 涂料是以水性聚氨酯树脂为基础, 以水为分散介质配制的涂料, 除具有水性涂料的特点以外, 它还有以下突出的优点[8-9]:
1) 涂膜对塑料、木材、金属及混凝土等表面的附着力好, 抗磨性、耐冲击性好。脂肪族聚氨酯水性涂料的户外耐久性好, 综合性能接近溶剂型聚氨酯涂料。
2) 和其他乳胶涂料相比, 其低温成膜性好, 不需要成膜助剂, 也不需要外加增塑剂、乳化剂或分散剂。
3) 容易通过交联反应进行改性, 可提高耐溶剂性和抗化学性, 改进耐水性, 对颜料( 包括金属颜料) 有良好的适应性, 也可提供高光泽涂膜。所含羟基可以适用一些交联剂和固化剂, 可进一步改进涂膜性能。
4) PU 分子具有可裁剪性, 结合新的合成和交联技术可有效控制涂料的组成和结构, 为改进其性能提供了更多的途径。
WPU 诸多的优点, 使其成为目前发展最快的涂料品种之一。
3 水性聚氨酯涂料分类
目前的水性聚氨酯主要包括单组分水性聚氨酯涂料、双组分水性聚氨酯涂料和特种涂料三大类。
3.1 单组分水性聚氨酯涂料
单组分水性聚氨酯涂料交联度低, 有很高的断裂伸长率和适当的强度, 可常温干燥, 是应用最早的水性聚氨酯涂料[10-11] 。目前的品种主要包括热固型聚氨酯涂料和含封闭异氰酸酯的水性聚氨酯涂料等几个品种:[12]
1) 热固型聚氨酯涂料。交联的聚氨酯能增加其耐溶剂性及水解稳定性。聚氨酯水分散体在应用时与少量外加交联剂混合组成的体系叫热固型水性聚氨酯涂料，也叫做外交联水性聚氨酯涂料。
2) 含封闭异氨酸酯的水性聚氨酯涂料。该涂料的成膜原料由多异氰酸酯组分和含羟基组分两部分组成。多异氰酸酯被苯酚或其它含单官能团的活泼氢原子的化合物所封闭，因此两部分可以合装而不反应，成为单组分涂料，并具有良好的贮藏稳定性。
3) 室温固化水性聚氨酯涂料。对于某些热敏基材和大型制件，不能采用加热的方式交联，必须采用室温交联的水性聚氨酯涂料。通过与水分散性多异氰酸酯结合，可以改进水性端羟基聚氨酯预聚物／丙烯酸酯混合物， 尤其是羟基丙烯酸酯混合物的性能。此类水性聚氨酯涂料，采用特制的多异氰酸酯交联剂， 即含(-NCO) 端基的异氰酸酯预聚物，经亲水处理后分散于各种含羟基聚合物中而形成的分散体，与多种含羟基聚合物水分散体组成能在室温固化的聚氨酯水性涂料。
4) 固化水性聚氨酯涂料。光固化水性聚氨酯涂料采用电子束辐射、紫外光辐射的高强度辐射引发低活性的聚物体系产生交联固化。
3.2 双组分水性聚氨酯涂料[13]
由于单组分WPU 涂料的涂膜性能不够理想,且实际应用中。有时为了满足高强度的需要，常采用对单组分水性涂料的涂膜进行一些后处理比如烘烤等，以提高涂膜的交联度。但也正是这些后处理使其应用范围受到很大限制。所以对双组分WPU涂料的开发与研究变得十分活跃。20 世纪90 年代初，Jacobs 成功地开发出了能分散于水中的多异氰酸酯固化剂，从而使双组分水性聚氨酯涂料进入实用研究阶段。常规的双组分水性聚氨酯涂料由含羟基的水性多元醇和低黏度含异氰酸酯基的固化剂两部分组成。其涂膜性能主要由羟基树脂的组成和结构决定。
3.3 特种涂料[12]
1) 有机硅改性聚氨酯涂料。聚硅氧烷因其独特的化学结构使其具有一系列优异性能，如具有极好的耐高低温性能，优良的电绝缘性和化学稳定性，憎水防潮性、生理惰性及生物相容性等。以聚硅氧烷为软段合成的聚硅氧烷-聚氨酯嵌段共聚物，兼具有聚硅氧烷和聚氨酯两者的优异性能，表现出良好的低温柔顺性、介电性、表面富集性和优良的生物相容性等，克服了聚硅氧烷机械性能差的缺点，也弥补了聚氨酯耐候性差的不足， 具有很好的发展前景；
2) 含氟聚氨酯涂料。以氟烯烃聚合物或氟烯烃与其他单体为主要成膜物质的涂料，由于氟原于半径小，电负性强、碳氟键键能高，因此赋予了氟涂料极好的耐紫外线和核辐射性、柔韧性，优良耐磨性，低表面能，高抗张强度，高电阻率，高耐候性，耐化学品，防霉阻燃，耐热，已经在建筑幕墙涂料、耐酸雨涂料、耐温防腐涂料，防污涂料和汽车面漆方面得到应用。
4 水性聚氨酯的应用
不同类型的多异氰酸酯和多羟基化合物反应,可以制得不同性能的涂料, 以满足各应用领域的需求。聚氨酯涂膜具有一系列优良的特性, 最突出的优点是耐磨性, 耐化学品性, 良好的韧性、弹性和对基材的粘接性, 能在室温或低温固化,
因此聚氨酯涂料在各领域得到了广泛应用, 被认为是综合性能最好的涂料品种[14] 。
随着无毒、无公害、性能好的WPU 涂料的研制成功, 其应用领域将不断扩大。例如, 荷兰Stahl 公司已拥有40 余种皮革用WPU 涂饰剂系列产品。由于WPU 的渗透性比溶剂型聚氨酯的渗透性小得多, 故在薄层织物上用作涂饰剂可保持织物的柔软性, 改善织物的耐磨性、抗皱性、回弹性、耐水性、耐热性及耐洗涤性等[ 15] 。在汽车工业中, 车体零部件、内外饰件, 特别是各种塑料件使用的涂料,
车身表面涂装使用的涂料( 即汽车漆) 以及修补车身的修补漆等, 都广泛采用了WPU 涂料[16] 。WPU 涂料的另一大应用领域是木器漆, 它不仅柔韧性、耐磨性、低温成膜性和丰满度好, 而且强度大、不回黏[17] 。此外, 建筑涂料可能是未来WPU 涂料的最大应用领域之一, 尤其是和丙烯酸乳液混用, 可以满足建筑涂料对弹性、耐沾污性、耐候性以及成本合理的要求。
4.1 木器涂料
木器涂料是涂料工业的重要组成部分, 是指用于实木板、木纹面板、胶木板、纤维板等原材料制备的器材上的涂料, 主要适用于家具、地板、文体用品、乐器及建筑装修材料等[20-22] 。目前, 高性能和低VOC s含量相结合的水性聚氨酯涂料,
由于聚氨酯分子具有裁剪性, 结合新的合成和交联技术, 可以有效控制涂料的组成和结构, 从而使其具有良好的低温成膜性、耐高温回黏性、高强度、耐磨性、环保性等, 因此成为发展最快的涂料品种之一。如北京国家游泳中心即水立方的艺术地坪所使用的就是拜耳材料科技公司提供的水性聚氨酯涂料。
4.2 皮革涂饰剂
涂饰可增加皮革美观和耐用性能, 提高皮革档次, 是皮革制造过程中的重要环节。水性聚氨酯涂饰剂以水为溶剂, 消除了溶剂型聚氨酯生产、贮运和使用过程中易燃易爆等危险, 满足安全环保的要求, 具有成膜性能好, 涂层光滑耐热耐寒,易于清洁保养, 受到高度重视和广泛研究[ 19-21] 。目前许多公司都有水性聚氨酯皮革涂饰产品, 如德国BASF公司的Astacin F in ish PUD 系列、德国Bayer公司的Bayderm 系列、日本Takeda公司的W- 615系列等。
4.3 汽车涂料
我国汽车工业正处在成长时期, 汽车涂料的需求量大。从现代环保要求角度考虑, 水性化是汽车涂料的发展趋势。欧美国家已完成汽车漆水性化的50% 以上,
日本已完成研究工作并有少量应用。现在许多汽车制造商都指定要求在汽车内部配件上使用水性聚氨酯涂料以满足环保法规的要求。如通用汽车( GM )指定美国最大的仪表板生产商Delphi为其GMT800和GMT425汽车选用水性聚氨酯内部涂料[ 18, 21] 。
4.4 纸张涂料
涂布纸涂料常用的是苯丙乳液和羧基丁苯乳液, 但是表面强度不够, 而涂布水性聚氨酯体系能够得到柔韧性和强度等性能都很出色的效果, 在许多种油墨上面的附着力也很好, 且无毒无味, 符合日益严格的环保法规要求, 近年发展十分迅猛[23] 。
4.5 其他涂料
除上述类型的涂料, 水性聚氨酯也应用在一些特殊功能涂料方面, 如防腐涂料、抗菌涂料及特种涂料等。如氟改性的聚氨酯涂料, 具有极好的耐紫外线和和辐射性, 已在美国海军中广泛使用[21] 。 参考文献
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