水性聚氨酯的改性研究现状及趋势
作者:admin   日期:2015-4-17

  水性聚氨酯(WPU)或称聚氨酯乳液,通常是离子型聚氨酯在水中的分散液,所以它和离子型聚氨酯的关系非常密切。为了改善树脂本身性能上的一些不足、提高树脂的综合性能,以扩大其使用范围,通常需要对水性聚氨酯进行改性。水性聚氨酯改性的方法有很多,包括共混改性、聚丙烯酸酯改性、环氧树脂改性、有机硅改性、纳米改性等。

 一、改性研究

1.共混改性

水性聚氨酯可以与离子性和酸碱性相似的乳液共混,方便的获得改性效果。研究表明,水性聚氨酯可以与聚乙烯醇、聚乙酸乙烯、环氧树脂、聚硅氧烷等树脂的乳液共混来获得功能化产品。

2.共聚改性

聚氨酯化学性质较为活泼,在催化剂作用下氨基甲酸酯中-NH-基团可与丙烯酸酯类单体共聚,形成聚氨酯。水性聚氨酯还可以与环氧树脂、乙烯基酯树脂(VER)、聚硅氧烷等树脂实现共聚改性。环氧树脂具有优异的强度、模量和粘接性能,其对聚氨酯体系改性可获得良好的强韧性。国外已有VER改性聚氨酯弹性体用于高抗冲材料的报道。

3.聚丙烯酸酯改性

聚丙烯酸酯(PA)树脂具有优异的耐光性、耐候性,受紫外光照射不易发生黄变,耐酸、碱、盐腐蚀,柔韧性高且价格低廉。采用聚丙烯酸酯改性水性聚氨酯,可将水性聚氨酯的优异性能与聚丙烯酸酯良好的附着力、耐候性有机结合,从而制备出高固含、低成本的水性树脂,这种方法提高了水性聚氨酯树脂的综合性能又降低了产品的成本,具有广阔的应用前景。

陈金莲等采用平衡溶胀法制备了丙烯酸改性水性聚氨酯乳液,结果发现可以大大提高甲基丙烯酸甲酯(MMA)的含量,明显提高改性水性聚氨酯乳液及涂膜性能。吴冬梅等采用丙烯酸丁酯(BA)和MMA与水性聚氨酯乳液共聚制备水性聚氨酯/聚丙烯酸酯复合乳液,结果表明所制备的复合乳液具有良好的室温贮存稳定性及成膜性能。与水性聚氨酯乳液相比,该复合乳液粒径有所增大,对基材润湿性更好,胶膜耐水性明显提高。王志强等合成了MMA改性的水性聚氨酯乳液,扫描电镜图显示,改性后的水性聚氨酯膜表面相对平整,这是因为聚氨酯与丙烯酸酯的微相分离程度小,相容性好,当m(PU):m(PA)=8:2时得到的丙烯酸酯水性聚氨酯的综合性能较佳。

4.环氧树脂改性

环氧树脂的结构具有羟基醚键和环氧端基,极性强又不易水解,用环氧树脂对聚氨酯进行改性可大大提高涂膜对基材的黏合力,提高涂层的耐水性、耐热性、耐溶剂性和耐化学品性。

5.有机硅改性

有机硅化合物表面能低,具有耐低温、耐老化、憎水、耐有机溶剂、耐辐射及透气性好等许多优异性能,还能赋予涂层的柔韧性和爽滑丝绸手感。因此,可利用有机硅改善水性聚氨酯的耐热性能和耐湿擦性能。通常采用化学合成方法将聚氨酯-有机硅烷结合起来,发挥聚氨酯和有机硅两者的优点。

曾有研究人员以异佛尔酮二异氰酸酯、聚四氢呋喃二醇、二羟甲基丙酸和三羟甲基丙烷等为原料合成了水性聚氨酯预聚体,用3-氨基丙基三乙氧基硅烷(KH550)进行封端改性,乳化后进一步水解缩合交联,得到高交联度的水性聚氨酯。FTIR表征结果显示,KH550上的-NH2与聚氨酯的端-NCO发生重键加成反应。经KH550改性后胶膜的力学性能、耐热性、耐水性、和耐溶剂性得到显著提高;随着KH550含量增加,胶膜的结晶度见小。

6.纳米改性

纳米粒子具有特殊的表面效应、体积效应、量子尺寸效应及宏观量子隧道效应,与高分子之间可产生强烈的物理和化学作用,在高分子材料强韧化改性方面应用很广,用于聚氨酯改性方面也有很多报道。

曾有专家以H12MDI、聚乙二醇、蓖麻油、1,4-丁二醇和具有生物活性的纳米羟基磷灰石(n-HA)为原料,采用预聚法制备了纳米HA/PU复合材料,并对其力学性能和热性能进行研究。研究发现,随着n-HA含量增加,胶膜的拉伸强度和断裂伸长率增大,储能模量得到明显提升,热稳定性也得到了改善,当其用量为30%时,复合材料的综合力学性能达到最佳。

对水性聚氨酯进行纳米改性,可提高机械强度、热稳定性、耐腐蚀性和耐老化性等。经纳米改性后的水性聚氨酯复合材料可广泛用于纺织、建筑、汽车、航空等领域。

 二、应用领域

水性聚氨酯的应用主要是涂料和黏合剂两大领域,如木器漆及木地板漆、纸张涂层、建筑涂料、皮革涂饰剂,其中用量最多的是建筑涂料。目前,水性聚氨酯胶黏剂已在制鞋业、复合软包装业、织物层压制品、玻璃集束、油墨胶黏剂、汽车内饰等行业得到应用。水性聚氨酯也广泛用于石油破乳剂,造价低、破乳效果好、速度快、无毒、使用方便。此外,在聚氨酯主链上接枝多氟烷基,即可制作优良的防水、防油、防污剂;在其主链上接枝卤素、磷等元素,也可制成优良的阻燃整理剂。

目前水性聚氨酯在纺织和印染助剂方面的应用越来越广泛,如用作染色助剂、涂料印花粘结剂、柔软与防皱整理剂、抗静电和亲水整理剂等,可提高其染色深度、牢度以及纺织物的其他性能。

 三、发展趋势

据初步统计,国内水性聚氨酯的科研和生产单位已有上百家,生产厂家主要分布在浙江和广东等区域,比较大的有北京林氏、温州寰宇、淄博奥德美以及黄山美邦胶业、合肥安大科招精细化工厂等。目前国内水性聚氨酯的年生产能力在3万吨以上,产量超过1万吨。产品质量稳步提高。

多年来国内外对水性聚氨酯进行了深入和广泛的研究,目前发展方向主要包括以下几个方面:采用最新电子显微技术,研究水性聚氨酯中分散粒子的结构和粒子的尺寸;开发性能优良、固含量高的水性聚氨酯新品种,以满足涂料和胶黏剂方面的应用要求;开发能满足不同应用要求的配胶助剂。

水性聚氨酯是相对于溶剂型聚氨酯而言的。因为聚氨酯的特殊性能,能溶解聚氨酯的溶剂品种是非常有限的。从环境保护的观点出发,水性聚合物涂料是21世纪最有发展前途的聚合物应用形式,在工业和日常生活等方面必将得到更加广泛的应用。