水性聚氨酯涂料的研究进展

`

课程作业(论文) 水性聚氨酯涂料的研究进展

院（系）：材料与化工学院

专业：高分子材料与工程

班级：120316

学生：侯曹健

学号：*********

2015年10月

水性聚氨酯涂料的研究进展

摘要：出于环保的需要，涂料水性化的趋势越来越强烈，水性聚氨酯涂料已在很多领域得到应用。水性聚氨酯涂料作为性能优良的“绿色涂料”分别介绍了其分类、改性、应用，并且看到了其广阔的发展前景。

关键词：水性聚氨酯涂料；单组分；双组分；改性；应用；前景

Abstract:The need for environmental protection, water-based paint trend more and more intense, water-based polyurethane coating has been applied in many fields. Waterborne polyurethane coatings with excellent performance as "green paint" introduced its classification, modification, use, and saw its broad development prospects. Keywords:waterborne polyurethane coating; single component; two-component; modification; application; prospect

随着经济发展和人们生活水平的提高，各国对挥发性有机物及有毒物的限制越来越严格，20世纪90年代，国际上兴起“绿色革命”，在全世界范围内掀起了减少涂料中溶剂含量和VOC的行动,该行动对工业涂料及特种涂料行业产生了较大影响.因此, 世界各大涂料公司纷纷致力于节能低污染的水性涂料、粉末涂料、高固体涂料和辐射固化涂料的开发应用.水性聚氨酯替代溶剂型聚氨酯将是不可逆转的趋势,也是今后一段时期内讨论的热门话题.

水性聚氨酯(WPU)是指以水代替有机溶剂作为分散介质，其分散液中不含或含有极少量有机溶剂的聚氨酯。涂膜具有不燃、无毒、不污染环境、节能等优点，同时具有一般聚氨酯树脂所固有的高强度、耐磨损等优异性能，使得它在织物、皮革涂饰及粘合剂等许多领域得到了广泛的应用。

一、水性聚氨酯（WPU）涂料的分类

水性聚氨酯涂料是由水性聚氨酯树脂为基础，并以水为分散介质配制的涂料，具有耐磨、光亮、较强的附着力、良好的装饰性和透湿透气性等优点,广泛应用于木器涂料、汽车涂料、纸张涂料、皮革装饰剂等。WPU涂料按使用形式

可分为单组分和双组分。

1、单组分水性聚氨酯涂料

单组分WPU属热塑性树脂,聚合物相对分子质量较大, 其最大优点是以水为分散介质，作为涂料使用时不含液体有机填料，在成膜过程中只是水分挥发到环境中，符合环保的要求，且施工简单。单组分水性聚氨酯涂料是应用最早的水性聚氨酯涂料，具有很高的断裂延伸率(可达800%)和适当的强度(20MPa)，并能常温干燥。

但单组分水性聚氨酯涂料也存在一些问题。因为高相对分子质量聚合物不能形成良好而稳定的水分散体，所以传统的单组分水性聚氨酯涂料通常是较低的相对分子质量或低交联度。并且在其骨架结构中存在亲水性基团，在干燥固化过程中，如果成盐试剂不能完全逸出，那么亲水性基团会残留在体系中，则胶膜耐水性差。而且单组分水性聚氨酯的机械和耐化学品性能也较差。

2、双组分水性聚氨酯涂料

双组分WPU涂料是将含—NCO基团的交联固化剂(也称A组分)加入到含羟基的水性多元醇乳液(也称B组分)组成双组分体系,A组分进入乳液微粒内,与B 组分大分子链上的活性基团反应,或在成膜的过程中形成交联结构,以提高相对分子质量从而改善其硬度、光泽、耐磨性及耐热性等。具有成膜温度低、附着力强、耐磨性好、硬度高以及耐化学品性、耐候性好等优越性能。水性双组分聚氨酯涂料是由含有活泼异氰酸根的固化剂组分和含有可与异氰酸根反应的活泼氢(羟基)的水性聚氨酯组分组成，其中水性聚氨酯组分一般为胶态分散体(部分溶于水)。它广泛作为工业防护、木器家具和汽车涂料。该类涂料主要由含羟基的水性多元醇和低黏度含异氰酸酯基的固化剂组成，其涂膜性能主要由羟基树脂的组成和结构所决定。

但是由于双组分水性聚氨酯涂料的发展历史还不长,目前还存在着一些问题严重影响了它的应用,下表中列出了双组分水性聚氨酯涂料的一些缺陷。

二、水性聚氨酯（WPU）涂料的改性

目前,世界各国大部分研究都集中于为特定的用途而对水性PU改性和使其功能化.改性的目的主要是增加胶膜的耐水、耐候性、耐溶剂、耐化学品性以及力学性能.这些均取决于水性PU的亲水性和分子结构.这些性能的改进需通过接枝或嵌接其它聚合物,外加或内置交联剂预聚共混形成互穿聚合物网络等手段来实现.水性聚氨酯涂料的改性主要有：丙烯酸酯改性、环氧树脂改性和交联改性。

1、用丙烯酸酯进行改性-接枝和嵌段共聚合

接枝反应通常是在水相中用乳液聚合的方法进行,单体和自由基引发剂加入水相中.在骨架中含有不饱和聚酯多元醇和聚丙二醇的阴离子和阳离子型PU 分散体,可在它们的主链上接枝丙烯酸酯链段,或与聚丙烯酸链段形成嵌段共聚物.经过丙烯酸酯改性的水性PU兼有PU和聚丙烯酸酯两者的优点,因此被誉为“第三代水性聚氨酯”.

制备丙烯酸酯改性水性PU(PUA)的方法有多种,一种较为传统的方法是共混交联反应法,其工艺为乳液共混,或溶液共混后再乳化,二者均工艺复杂.第二种方法是乳液共聚法,工艺途径有丙烯酸氨基甲酸酯单体法和聚氨酯-脲-马来酸酐法.第三种方法是复合乳液聚合法,工艺有两种:其一是溶剂法制PU种子,直接将丙烯酸单体作溶剂制备PU;其二是在水中扩链制PU.还有一种与复合乳液聚合相类似的方法是通过加聚反应,将含有潜在粒子基团的-NCO端基PU预聚体首先用反应性稀释剂如2-羟乙基丙烯酸酯(HEA)封端,然后中和潜在粒子基团,并经过自由基聚合使丙烯酸酯单体与HEA进行聚合,在搅拌下加水分散,最后得到PU离子聚合物和聚丙烯酸酯的嵌段共聚物. PU离子聚合物也能在紫外线处理下用类似的方法进行改性.

2、环氧树脂改性

环氧改性可增加树脂本身对基材的剥离强度。另外，耐水、耐溶剂、耐热蠕变性能及抗张强度亦能得到明显改变。多轻基的环氧化合物与聚氨酯反应时可以将支化点引人聚氨酯主链，使之部分形成网状结构。聚氨酯一丙烯酸乳液