高性能水性聚氨酯涂料研究进展

高性能水性聚氨酯涂料研究进展
摘要：随着环保法规日益严格，水性聚氨酯涂料的应用越来越广，高性能水
性聚氨酯涂料成为研究热点。

本文综述了目前高性能水性聚氨酯涂料的主要研究
方向，并对高性能水性聚氨酯涂料未来的应用前景进行了展望。

关键词：高性能；水性聚氨酯涂料
一、引言
聚氨酯涂料是指以聚氨酯树脂作为主要成膜物质，在配以颜料、溶剂、催化剂、及其它辅助材料等所组成的涂料。

聚氨酯涂料具有较强的耐磨性、优良的附
着力、优良的耐油、耐酸碱、耐水以及耐化学药品等耐腐蚀性能，因而广泛地应
用于车辆、船舶、航空、电子、建筑、桥梁、机床、木器及室内装潢等领域的装
饰和保护中。

聚氨酯涂料种类繁多，其中按分散介质或其形态分为溶剂型、无溶剂型、高
固体性、水分散型、粉末涂料型等。

近年来，随着人们环保理念的增强和环保法
规的日益严格，聚氨酯涂料市场也以绿色环保为发展方向，各种环保型涂料被相
继开发并广泛应用。

到2025年，涂料行业总产量预计增长到3000万吨左右，其
中环境友好型涂料品种将占涂料总产量的70%。

环保聚氨酯涂料中，水性聚氨酯涂料是是目前综合性能最好的防水涂料之一，具有成膜性好、延伸率大、粘结力强、耐油耐酸碱化学品和装饰性好等优良性能。

但是，水性聚氨酯涂料在成本、耐水性、与基材润湿性、施工与应用性能方面也
存在许多缺点。

随着生活生产中对水性聚氨酯(WPU)涂料性能方面要求的提高，寻求高性能
的水性聚氨酯涂料越来越受到广泛关注。

本文综述了目前高性能水性聚氨酯涂料
的主要研究方向，并对未来的应用前景进行了展望。

二、高性能水性聚氨酯涂料研究进展
目前，高性能水性聚氨酯涂料的研究主要集中在以下两个方向。

一是利用聚
氨酯分子的可设计性，在聚氨酯链上引入特殊功能的分子结构，如含氟、含硅聚
合物链，使涂膜具有更多的功能性，如优异的表面性能、耐高温性、耐水性和耐
候性等；二是引入各种纳米粒子，增强复合涂料的性能。

具体研究情况如下。

2.1.1 有机硅改性水性聚氨酯涂料
有机硅材料具有耐高低温、耐气候老化、耐臭氧、电绝缘、耐燃、无毒、无
腐蚀和生理惰性等优异性能，因而是聚氨酯改性产品的理想材料。

将有机硅用于
聚氨酯的改性克服了聚氨酯材料的性能缺陷，其耐腐蚀性、耐候性及耐热冲击等
性能都获得了明显改善，是扩大聚氨酯应用领域的一条重要途径。

MDI）、聚冰乙酸二元酸M. M. RAHMAN 等[1]以氢化苯基甲烷二异氰酸酯（H
12
（PTMG）、DMPA 为主要原材料，硅烷改性的乙二胺（TMSiP-EDA）
为扩链剂及改性剂，通过水解、缩合反应制得了一系列有机硅改性水性聚氨
酯乳液。

结果，涂层的杨氏模量及拉伸性能随着有机硅引入量的增加而增高，分
别提高了700%及32%，并且改性后的涂层在海水中浸泡数月没有显著改变。

很明显，经 TMSiP-EDA 改性的水性聚氨酯涂层的防污性能及耐腐蚀性能获得了明显
提升。

2.1.2 WPU 丙烯酸酯改性
丙烯酸酯与聚氨酯同为有机溶剂，在性能上拥有互补的优势。

如水性聚氨酯
乳液不足的化学性能、抗病性、耐溶性，与聚丙烯酸酯的耐腐蚀性、耐候性交叉
互补。

在油漆行业中，丙烯酸酯改性的水性聚氨酯被称作“第三代水性聚氨酯”，是当前水性聚氨酯的发展趋势之一。

邓飞飞[2]以聚丙二醇、IPDI、甲基丙烯酸羟乙酯（HEMA）为化工产品，合成了苯环封端的聚氨酯预聚物，再以甲基丙烯酸丁酯（BMA）为接枝剂，通过微乳液聚合反应降解了聚氨酯/丙烯酸酯复合乳液，最后表征结果显示，随着PBMA/PU 质量比的增大，涂层的拉伸强度及断裂伸长率提升。

尽管这种方式获得的乳液粒径增加了87%，但是乳液的稳定性却未受较大影响。

2.1.3 含氟聚氨酯涂料
由于氟原子半径小，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。

含氟聚氨酯树脂涂料采用羟基
固化双组分聚氨酯涂料的原理，将含羟基的氟树脂，与作为另一固化剂组分的多
异氰酸酯配成含氟的聚氨酯涂料，可常温交联。

作为功能基团的含氟共聚物，通
过多异氰酸酯常温交联固化，它具有氟树脂优异的化学性能，又具有通用涂料的
涂装性能而被广泛应用。

根据报道，含氟聚氨酯涂料已在美国海军中广泛使用。

2.1.4纳米改性的水性聚氨酯涂料
纳米粒子具有特殊性能，将其添加到水性聚氨酯中可以增强材料的机械力学
性能、热稳定性，不仅可制备出力学性能优异的通用型纳米改性水性聚氨酯涂料，而且还可以制备隔热型、抗紫外线型、导电型和抗菌型等涂料[3]，因此对水性聚
氨酯纳米改性复合材料的探讨有着重要意义。

目前可以添加的纳米颗粒主要有纳
米二氧化硅(SiO
2)、ZrO2、碳纳米管(CNT)、三氧化二铝(Al
2
O
3
)、以及复合纳米材
料等。

纳米氧化硅因颗粒尺寸小，分子呈三维网状结构，表面羟基含量高，具有很高的反应活性，可与聚合物分子键合或接枝，也可渗透到高分子链以及大颗粒材料之间的缝隙中，形成独特的三维硅石网络结构，从而能提高涂料的强度和表面粗糙度。

孙多先等[4]研究了水性聚氨酯包封原生纳米SiO
2
复合材料。

分析表明：
纳米SiO
2
/水性聚氨酯复合物粒子分散于水性聚氨酯胶束内部，粒径在60 nm左右，具有核-壳型结构的纳米级微粒，体系有着良好的稳定性和透光性。

徐鑫梦[5]通过原位聚合制备了多功能聚苯胺/铜/氧化锆 (PANI/Cu/ZrO2) 三元纳米复合材料，并研究了纳米复合材料对水性聚氨酯涂料的抗菌活性、抗静电性能和漆膜性能的影响。

结果表明，PANI/Cu/ZrO2能够显著抑制革兰氏阳性和革兰氏阴性菌的生长。

具有 5％含量的三元纳米复合材料的水性聚氨酯涂料的表面
电阻为4×108 Ω，符合抗静电材料的行业标准。

改性水性聚氨酯涂料的漆膜性能和热性能除光泽度外均得到了不同程度的提高。

但是，目前用纳米粒子改性聚氨酯还需要解决以下几个问题：
(1) 由于纳米粒子表面能大，易团聚，不利于发挥其纳米效应，这还需要我
们进一步研究纳米表面改性方法及制备纳米复合物的工艺方法和条件。

(2) 在工业生产中，纳米改性聚氨酯主要还是采用机械共混，这还需要我们
研究更多更好的适合工业生产的工艺。

(3) 聚合物和硅酸盐界面的键类型(氢键、范德华力、共价键等)如何影响纳
米材料的性质，特别是纳米复合材料的热力学和动力学及复合机理都需要进一步
的研究。

三、总结与展望
随着环保法规日益严格，水性聚氨酯涂料的应用越来越广，各种高性能水性
聚氨酯涂料成为研究热点。

目前主要通过在聚氨酯链上引入特殊功能的分子结构，或者引入一种或多种纳米粒子，以增强水性聚氨酯涂料的性能。

目前水性聚氨酯
涂料已经在家庭装修、车辆等多个领域广泛应用，相信未来的水性聚氨酯涂料可
以满足各种场景应用的性能要求。

参考文献
[1] YIN C, ROZET S, OKAMOTO R, et al. Physical properties and in vitro biocompatible evaluation of siliconemodified polyurethane nanofibers and films[J]. Nanomaterials, 2019, 9(3): 92-106.
[2] 邓飞飞, 汪映寒. UV 固化水性聚氨酯丙烯酸酯的制备及粘接性能[C]//中国化学会 2017 全国高分子学术论文报告会摘要集. 成都: [出版者不详], 2017.
[3]刘楠楠，杨建军，张建安，吴庆云，吴明元，金志来, "纳米改性聚氨酯涂料的功能性研究进展[J]," 化学建材, 2009, 25, 1-4.
[4] 孙. 贾. 郭长海, "水性聚氨酯包封原生SiO_2纳米复合材料的制备及表征[J]," 现代化工, vol. 28, pp. 714-718, 2011.
[5]徐鑫梦. 环境友好型双组分水性聚氨酯涂料的制备及其功能化研究[D].桂林理工大学,2021.DOI:10.27050/ki.gglgc.2021.000214。