水性聚氨酯

防水透湿型聚氨酯材料的制备及性能测试

摘要：水性聚氨酯以水为介质，具有无毒、不易气性有质的突变而且其透气性能随外界温度的变化燃烧、对环境友好等优点，是具有发展前景的绿色环保型材料。本文简述了水性聚氨酯材料的结构、制备、性能、应用及未来的发展前景等。

关键词：水性聚氨酯材料制备应用性能前景

前言

水性聚氨酯包括聚氨酯水溶液、聚氨酯水分散液和聚氨酯水乳液，以水为介质，体系中不含或含很少量的有机溶剂，安全无燃烧。它保留了传统的溶剂型聚氨酯的一些优良性，如良好的耐磨性、柔韧性、耐低温性和耐疲劳性，并且水性聚氨酯能够赋予织物柔软而丰满的手感和皮感、抗皱防缩性、回弹性、挠曲性、透气吸湿性和可缝制性，调节聚氨酯高分子结构还可以用于织物的防水、防油、防污、防起毛球等整理。目前水性聚氨酯广泛用于轻纺、皮革、胶粘剂、印染等行业中，用于织物后整理，可明显提高服装或饰品的华丽庄重感和穿着舒适感，受到广大消费者的青睐。木文主要介绍水性聚氨酯在织物上防水透湿的机理和加工工艺，综述了国内外水性聚氨酯在防水透湿织物上的应用，以及对其发展的展望[4]。

一.文献综述

1.1 水性聚氨酯的定义与结构

1.1.1 水性聚氨酯的定义

水性聚氨酯是指聚氨酯以微小颗粒分散于水介质中的两相体系，体系中小含或含少量有机溶剂。

水性聚氨酯的分类

以外观分，水性聚氨酯可以分为3类:聚氨酯水溶液、聚氨酯水分散体、聚

氨酯乳液。三者之间的区别在于聚氨酯大分子粒子在水中的分散形态的小同。实际应用中所述的水性聚氨酯是指聚氨酯水分散体或聚氨酯乳液。

1.1.2 水性聚氨酯的分子结构

聚氨酯是山硬段和软段构成的一类高性能材料，硬段和软段的组成、结构、长短、相对比例的变化等使聚氨酯材料可用作塑料、弹性体、纤维、胶粘剂和涂料的树脂等。

聚氨酯分子结构

在聚氨酯分子链中引入亲水基团可使聚氨酯具有水分散性，得到水性聚氨酯，水性聚氨酯的分子结构，依亲水基团的小同可分为以下几类。

阴离子水性聚氨酯分子结构模型

阴离子水性聚氨酯通常包括梭酸型和磺酸型，亲水基团可以分布在硬段、软段或端基。

阳离子水性聚氨酯分子结构

阳离子水性聚氨酯链段上含季按盐亲水基团又有主链和侧链之分。

非离子水性聚氨酯分子结构

将聚乙二醇分子链段引入聚氨酯分子的端基、链段中间、侧链可以介成各种小同的非离子水性聚氨酯，由于亲水链段含量通常较大，因此，实际应用有限。

阴/非离子水性聚氨酯分子结构

阴/非离子水性聚氨酯应该是最好的分子结构模型，少量的非离子单体在水性聚氨酯胶粒表而形成的“空间位阻”可以使阴离子聚氨酯更稳定。同样，在结构上可以将阴离子、非离子嵌入到聚氨酯的小同部位[1]。

1.1.3 水性聚氨酯胶粒的结构

聚氨酯分散于水中形成球形胶粒时具有最小的表而能，实际上，受各种力的影响，胶粒并非规则的球形结构。水性聚氨酯胶粒的粒径分布具有多分散性，体系中存在大大小小同的胶粒，外观上最显著的特征是孰度的大小和小同的光散射现象[1]。

水性聚氨酯胶粒的结构

以下是各种结构的胶粒结构模型，含离子体系呈水合双电层结构。

阴离子型PUD胶粒模型

阳离子型PUD胶粒模型

阴/非离子型PUD胶粒模型

非离子型PUD胶粒模型

1.2 水性聚氨酯的制备（丙酮法）

该法首先用聚醚或聚酯多元醇与-NCO反应制得端基为-NCO的高粘度预聚体，然后加入丙酮降低粘度，同亲水单体反应得到聚氨酯离聚物，随后加入成盐试剂制得聚氨酯离聚物溶液，接着慢慢加入水，当水达到一定量时，将会发生相转变形成连续水相及被丙酮溶胀的不连续PU微粒相，最后减压脱去丙酮，制得水性聚氨酯乳液。用此法得到的产品质量高、重复性好、乳液的粒径范围大，是当前生产水性聚氨酯的主要方法[]。

1.3 水性聚氨酯的应用

水性聚氨酯凭借着优异的性能，在众多领域中得到了广泛的应用，尤其是在胶粘剂和涂料行业，应用最多，发展最快。同时，在纺织工业中，由十水性聚氨酯织物具有优良的柔软度，耐洗，手感好，抗静电等性能，使其应用十织物整理剂、防水透湿涂层剂、抗静电整理剂等。在医药行业中水性聚氨酯也得到了广泛的应用，包括人土心脏瓣膜、医用缝线、甲板、人造血管等。以下着重介绍水性聚氨

酯在胶粘剂和涂料中的应用。

1.3.1 胶粘剂

水性聚氨酯胶粘剂具有操作方便，粘接性能好，无污染，可胶接多种材料等优点，广泛应用十木材加上胶粘剂，汽车内饰胶，鞋用胶，包装用胶粘剂等领域。其中木材加土是水性胶粘剂的最大应用领域，该类胶粘剂性能突出:初粘性高，可常温胶接，最终粘接强度高，胶层耐水、耐久性良好，粘接木材受压时一间短，操作简便，胶液接近中性，对木材腐蚀性低，无甲醛污染环境、危害人体等画。目前，世界几个著名的PU公司都在竟相研究开发性能更加优良的水性聚氨酯胶粘剂，水性胶粘剂逐步取代溶剂型胶粘剂己成为一种趋势。

1.3.2 涂料

水性聚氨酯形成的涂膜具有附着力好、坚硬、柔韧、耐磨、耐化学腐蚀性能优异，以及良好的环保性能，成为了当前发展最快的涂料之一。随着全球各国环保法规的日益严格，对汽车涂料的VOC提出了苛刻要求，汽车制造商逐步采用水性聚氨酯涂料代替传统非环保的丙烯酸-氨基树脂体系。汽车表面的底漆、中涂漆、色漆、罩光漆以及修补漆都可以采用水性聚氨酯。近来还开发了由双组份水性聚氨酯制成的可直接附着在金属上面，不需要底漆的水性面漆，它可用十室内外车辆上，且防腐蚀性能有重大改进。在其他方面，如木器涂料，皮革涂料，工业维护涂料，防腐涂料等都有这非常广阔的发展前景[2]。

1.4 水性聚氨酯材料的研究进展

日前水性聚氨酯已成功地应用于涂料、轻纺、皮革加工、胶粘剂、木材加工、建筑、造纸、印染等行业。水性聚氨酯涂料是涂料品种中发展最快的涂料品种之一，近年我国的水性聚氨酯涂料有了很大的发展，如华南理工人学化工与能源学院研制的水性聚氨酯乳液木器涂料已于2004年在广东嘉宝莉涂料有限公司正式投产，其中各项指标都达到国外同类产品水平;烟台化工研究所和烟台油漆厂也已研制成功高中低档聚氨酯乳液家具涂料。水性聚氨酯用于胶粘剂，具耐磨性好，成膜温度低，无污染，粘合效果好，原料便宜等优点，主要用于木材加工、复合层压和贴合加工粘合剂等。水性聚氨酯也用于皮革涂饰剂，可与溶剂型聚氨酯相媲美，涂饰后的皮革具有丰满、手感好、耐磨、光亮、不易断裂、VOC含量低等优点，并克服了丙烯酸树脂类涂饰剂热粘冷脆的不足，其发展速度较快，国外已有取代丙烯酸酯类而成为皮革涂饰剂主流产品。水性聚氨酯用于涂层整理，它是各种涂层中性能最好的，正逐步取代高VOC的溶剂型聚氨酯[3]。

二.实验部分

2.1原材料和原材料在配方中的作用

TDI(甲苯二异氰酸酯)、PPG（聚丙二醇）、DMPA（二羟甲基丙酸）、棉织物丙酮：降低预聚体体系中的粘度

TEA（三乙胺）：中和体系中的羧基酸，形成盐

2.2产品加工流程和仪器设备

三口烧瓶(500ml)、小烧杯（100ml）、机械搅拌器一套、加热装置一套、

温度计和温度计套管各一支、玻璃板、恒压滴液漏斗

2.3实验的设计和实施

2.3.1水性聚氨酯乳液的合成原理