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水性聚氨酯的制备及改性方法


聚氨基甲酸酯(polyurethane) ,简称聚氨酯(PU) ,是分子结构中含有重复 氨基甲酸酯(-NHCOO-)结构的高分子材料的总称。聚氨酯一般由二异氰酸酯 和二元醇或多元醇为基本原料经加聚反应而成,根据原料的官能团数不同,可制 成线形或体形结构的聚合物,其性能也有差异。聚氨酯具有良好的力学性能、粘 结性能及耐磨性等,在各领域得到了广发应用。 由于溶剂型聚氨酯的溶剂为有机物,具有挥发性,不仅污染环境,而且对人 体有害。 在人们日益重视环境保护的今天以及环保法规的确立,溶剂型涂料中的 有机化合物的排放量受到了严格的控制,因此,开发污染小的水性涂料已成为研 究的主要方向。水性聚氨酯(WPU)具有优异的物理机械性能,其不含或含有 少量可挥发性有机物,生产施工安全,对环境及人体基本无害,符合环保要求。 其生产方法分为外乳化法和内乳化法,外乳化法又称强制乳化法,由使用这种方 法得到的乳液稳定性较差,所以使用较少。目前使用较多的是内乳化法,也称自 乳化法, 即在聚氨酯分子链上引入一些亲水性基团,使聚氨酯分子具有一定的亲 水性,然后在高速分散下,凭借这些亲水基团使其自发地分散于水中,从而得到 WPU。 然而, 亲水基团的引入在提高聚氨酯亲水性的同时却降低了它的耐水性和拒 油性。 为了改善其耐水性和拒油性, 通常是将强疏水性链段引入聚氨酯结构之中。 有机硅、 有机氟由于其表面能低和热稳定性好受到人们的重视,已经得到了广泛 应用。同时利用纳米材料来提高涂膜的光学、热学和力学性能。纳米改性 WPU 完美地结合了无机物的刚性、 尺寸稳定性、热稳定性及 WPU 的韧性、易加工性, 纳米改性 WPU 为涂料向高性能化和多功能化提供了崭新的手段和途径,是最有 前途的现代涂料研究品种之一。[1] 1.2 水性聚氨酯的基本特征及发展历史 1937 年德国的 Otto Bayer 博士首次将异氰酸酯用于聚氨酯的合成。 直到 1943 年德国科学家 Schlack 在乳化剂或保护胶体存在的情况下,将二异氰酸酯在水中 乳化并在强烈搅拌下加入二胺,首次成功制备了水性聚氨酯。1975 年研究者们 向聚氨酯分子链中引入亲水成分, 从而提高了水性聚氨酯的乳液稳定性和涂膜性 能,其应用领域也随之拓广。进入 21 世纪以来,随着水性聚氨酯乳液应用范围 的进一步拓宽, 世界范围内日益高涨的环保要求,进一步加快了水性聚氨酯工业 发展的步伐。[2] 相对于国外, 国内的水性聚氨酯发展较晚。我国水性聚氨酯的研究开始于上 世纪七十年代,1976 年沈阳皮革研究所最早研制出用于皮革涂饰用的水性聚氨 酯。而进入八十年代以后,水性聚氨酯的研究发展速度加快,许多研究所、大专 院校都开始了水性聚氨酯的研究,并且已经有大量的产品被研究开发出来,但是 与国外相比尚存在着一定差距。[3~7] 1.3 水性聚氨酯的分类及制备方法 1.3.1 水性聚氨酯的分类 WPU 主要由二异氰酸酯和多元醇制备而成,由于二异氰酸酯和多元醇的种 类均多种多样,这使得 WPU 品种繁多,性能各异,制备方法不一。其分类主要 分以下几种方式: (1)按外观分类:可分为水溶液(粒径<0.001μm,外观透明) 、 分散液 (粒径 0.001~0.1μm, 外观半透明)和乳液(粒径>0.1μm,外观不透明) ; (2)按使用形式分类:可分为单组分聚氨酯和双组分聚氨酯; (3)按亲水基团 的性质分类:可分为阴离子型、阳离子型和非离子型三种。阴离子型水性聚氨酯 又可分为磺酸型、羧酸型等,以羧酸型居多。另外,还有一些水性聚氨酯分子链 上同时具

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