水性聚氯酯纺织涂层剂的合成及应用研究

水性聚氯酯纺织涂层剂的合成及应用研究

【摘要】本文以不同分子量的聚醚多元醇搭配与脂肪族的二异氰酸酯合成耐黄变的的纺织涂层用水性聚氨酯乳液，通过扩链剂加入有效的改善了其耐水和耐溶剂性，通过功能性单体的加入有效的改善其韧性、抗粘连性及在纤维上的牢固性。

【关键词】水性聚氨酯；纺织涂层；二异氰酸酯

0 前言

近年来，水性聚氨酯的研究十分活跃，水性聚氨酯是以水做介质，具有不燃、无毒、不污染环境、节省能源以及易加工等优点，应用范围也越来越广，在涂料、胶粘剂、织物处理剂、乳液聚合高分子乳化剂等方面得到日益广泛的应用，聚氨酯材料由于其独特的结构，可赋予加工产品突出的强度、柔韧、耐磨、透湿、耐低温等性能[1]。水性聚氨酯作为纺织涂层剂是日前纺织涂层整理加工的发展方向，用于纺织涂层的水性聚氨酯不含甲醛，具有优良的成膜和弹性，已被用于各种织物或纤维的纺织面料的后整理和涂层处理。

1 聚氨酯涂层剂用乳液的研制

水性聚氨酯涂层剂用乳液是由软段原料和硬段原料聚合而成，是一种嵌段聚合物[2]。软段部分使聚氨酯柔软而具有弹性，由聚醚或聚酯低聚多元醇构成；硬段使聚氨酯具有强度和弹性模量，由二异氰酸酯和扩链剂构成。水性聚氨酯以亲水成分不同分为：阴离子型、阳离子型、非离子型。具体合成方法，要根据不同品种和要求来决定。

1.1 异氰酸酯的选择

合成聚氨酯的主要原料为二异氰酸酯，以结构来分，可分为芳香族和脂肪族。芳香族含有芳环，代表性的品种为TDI，脂肪族也称饱和族，品种如IPDI、HDI 等。对比两类聚氨酯性能，芳香族优点为弹性、强力、伸长较好，对PVC增塑剂的影响也较小，因此可用于PVC转移涂层的面层，产量较多，成本也低一些。缺点为耐光性较差、易泛黄，脂肪族则反之。一般把涂层剂分为耐黄变和黄变型等品种。对中深色涂层产品，也可选用黄变型，价格便宜、成本低、效益大。耐黄变型可在涂层剂中加入各种助剂，包括防老化剂和紫外光吸收剂等以改善泛黄性能。还有耐黄变型主要采用脂肪族二异氰酸酯，从产品结构上解决泛黄问题。

1.2 链增长剂的选择

聚氨酯涂层剂用的大分子链增长剂主要有聚酯多元醇和聚醚多元醇两种。在应用方面来对比聚酯和聚醚型的性能，则前者更具有优良的成膜强度和伸长度，耐光耐热较好。通常聚酯或聚醚二醇分子量2000以上的产品柔软；1000～2000

为半硬或半软；400～1000为硬性。有时为达到产品性能，可以几种多元醇混拼使用。一般产品如箱包等要高硬度涂层剂；各类仿皮革如鞋面和一般工业用布等选用中等硬度涂层剂；服装和外衣用柔软类涂层剂。

1.3 交联单体和功能性单体的选择

在水性聚氨酯（WPU）制备中由于引入亲水基团，使聚氨酯胶膜的耐水、耐溶剂性能下降，从而限制了聚氨酯乳液的应用范围。为了克服这一缺陷，引入交联剂是行之有效的办法，使聚氨酯分子链形成支链结构，成膜后形成空间网络结构，使其耐水、耐溶剂性能大大提高。但是，交联结构的引入，又会使体系早期粘度增加过快，容易产生凝胶现象，聚氨酯的稳定性和胶膜的延展性能等机械性能会受到影响。

通过试验对比研究，我们筛选了一种较为理想的材料，它在一定的温度下分子中所含有的几个活性基团可以与纤维或聚氨酯链中的活性基团进行反应。在实验中同时考察储存稳定性，乳液不会在放置过程中凝胶，同时乳液在使用中成膜交联时一部分活性基团继续反应，使聚氨酯成膜柔软不粘连，同时耐水性也有了明显的提高。因此，交联利用量的优化是聚氨酯乳液制备的关键。要保持乳液稳定性，综合乳液的粘度、吸水率等因素，交联剂的质量分数应为1%左右。

在聚氨酯涂层剂使用时将这种材料加到其中，通过涂布、烘干、焙烘等几道工序加工成的涂层产品，在粘结牢度、耐水压、耐水洗牢度及耐干洗等几个方面的指标都有很大的提高。如粘结牢度，在同等条件下在尼龙绸上做对比，未加交联剂的涂层焙烘后用指甲揉刮，部分涂层膜可以刮去；用交联剂者用指甲很难从基布上刮掉膜层。在耐水洗牢度方面，未加交联剂者用水浸泡1-2h，涂层会泛白，用手搓揉，部分涂层有脱落；若加了交联剂，在自来水中浸泡24h涂层也无泛白现象，搓揉时涂层也不会脱落。在耐甲苯的试验中，若不加交联剂的涂层，浸入甲苯后涂层会溶胀脱落；而用交联剂者用甲苯就不易除去涂层。

2 水性聚氨酯纺织涂层的配制

涂层加工是纺织品后整理技术的一种，即在织物表面均匀涂以能形成薄膜的高分子化合物，以改变织物的性质和风格，提高纺织品的附加值，满足人们的需求。目前，涂层纺织品产量逐年上升，全球涂层纺织品已占纺织品总产量的25%以上，基本上是采用先进的发泡涂层工艺取代传统的涂层工艺。发泡涂层是在涤纶织物的背面涂覆泡沫胶层，利用该涂膜层产生阻燃、防污等性能，并使织物兼具独特的风格、手感和外观，且透气性好、成本低。所以发泡涂层具有广阔的应用前景。

涂层织物的加工方法有许多，目前用于工业生产上主要是湿法涂层和干法涂层[2]。

湿法涂层是利用强极性溶剂二甲基甲酰胺（DMF）能与之无限混溶的特点，将直链分子的聚氨酯溶解于二甲基甲酰胺中制成涂布浆。经聚氨酯二甲基甲酰胺

涂层的基布，与水溶液接触，涂层表面中的二甲基甲酰胺向水相溶出，而聚氨酯由于不溶于水使浓度迅速提高，分子间的凝聚力增大，即形成半渗透膜[3]。通过半渗透膜，二甲基甲酰胺向水相扩散，而水也向涂层扩散渗透。涂层浆由于组成的变化和浓度的迅速提高形成不稳态，致使涂层浆在基布上形成骨架结构。由于半渗透膜能产生强烈的渗透压，促使涂层浆中的二甲基甲酰胺处于急激的挤出状态。因此在最外的涂层表面会出现垂直于膜表面的二甲基甲酰胺溶出通路的痕迹，最终生成微孔薄膜。这种由工艺形成的微孔贯通成网络，既具有透气透湿性，又有良好的防水性。湿法涂层大多以溶剂型涂层剂为涂层浆，涂布后必须进行水溶处理。所以其工艺较为复杂，设备较为庞大，但其透气性及弹性较干法涂层为好，尤其是较厚的涂层。

干法涂层是用溶剂或用水稀释涂层剂，并添加必要的助剂配制成涂布浆，借涂布器均匀涂布于基布上。然后经加热，使溶剂汽化，从而涂层剂在基布表面形成坚韧的薄膜。干法涂层的工艺及设备较为简单，一般将涂层浆配制后即可涂布。涂层浆中可加入发泡剂，或用机械打成泡沫浆涂布，其泡沫比为200-300g/L。涂布后即进行烘干和焙烘，可获得柔软丰满、弹性优良的效果。

3 结语

（1）调整原料种类、配方的软硬段含量和亲水体系，使体系成为高固含水性聚氨酯乳液。n（-NCO）︰n（-OH）选择控制在2.5︰1-3.5︰1，一般在3︰1左右为宜。

（2）加入交联单体，引发多元共聚，对软性聚氨酯涂膜起到一定的改进效果。水性聚氨酯分子量要足够大，且具有高密度交联网状分子结构[4]，这样产品才能达到或接近溶剂型聚氨酯性能，交联密度越高性能越好，水性化就越困难，要达到性能和水性化的统一是本项目的技术关键问题。采用分步聚合，多段交联的途径解决上述问题，创新点在于在预聚体合成阶段加入含不同反应活性的多官能团单体进行初步交联，并在分子链上接入下步接枝共聚的反应点，从而使产物在最终成膜时引发交联，达到预期的性能。

（3）采用多种聚醚搭配使用，使乳液涂膜表现高延伸性和柔软性。传统聚氨酯在合成时只是使用单一种类的大分子多元醇，本项目采用多种分子量、多官能度的聚醚搭配使用，使聚氨酯在大分子骨架上即有了优异的网状结构，且仍然保持柔软的特性。

（4）功能性单体的使用：加入了极少量的活性单体，物理共混型和化学反应型配合使用，显著提高涂膜了的表面疏水性和耐水洗性能。

【参考文献】

[1]黄玲，吕艳萍，李临生.棉织物抗皱整理剂的应用[J].印染，2003（8）：47-49.

[2]李绍雄，刘益军.聚氨酯树脂及其应用[M].北京：化学工业出版，2002：