水性聚氨酯的改性研究現(xiàn)狀及趨勢

水性聚氨酯（WPU）或稱聚氨酯乳液，通常是離子型聚氨酯在水中的分散液，所以它和離子型聚氨酯的關(guān)系非常密切。為了改善樹脂本身性能上的一些不足、提高樹脂的綜合性能，以擴(kuò)大其使用范圍，通常需要對水性聚氨酯進(jìn)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、環(huán)氧樹脂改性、有機(jī)硅改性、納米改性等。

一、改性研究

1.共混改性

水性聚氨酯可以與離子性和酸堿性相似的乳液共混，方便的獲得改性效果。研究表明，水性聚氨酯可以與聚乙烯醇、聚乙酸乙烯、環(huán)氧樹脂、聚硅氧烷等樹脂的乳液共混來獲得功能化產(chǎn)品。

2.共聚改性

聚氨酯化學(xué)性質(zhì)較為活潑，在催化劑作用下氨基甲酸酯中-NH-基團(tuán)可與丙烯酸酯類單體共聚，形成聚氨酯。水性聚氨酯還可以與環(huán)氧樹脂、乙烯基酯樹脂（VER）、聚硅氧烷等樹脂實(shí)現(xiàn)共聚改性。環(huán)氧樹脂具有優(yōu)異的強(qiáng)度、模量和粘接性能，其對聚氨酯體系改性可獲得良好的強(qiáng)韌性。國外已有VER改性聚氨酯彈性體用于高抗沖材料的報(bào)道。

3.聚丙烯酸酯改性

聚丙烯酸酯（PA）樹脂具有優(yōu)異的耐光性、耐候性，受紫外光照射不易發(fā)生黃變，耐酸、堿、鹽腐蝕，柔韌性高且價(jià)格低廉。采用聚丙烯酸酯改性水性聚氨酯，可將水性聚氨酯的優(yōu)異性能與聚丙烯酸酯良好的附著力、耐候性有機(jī)結(jié)合，從而制備出高固含、低成本的水性樹脂，這種方法提高了水性聚氨酯樹脂的綜合性能又降低了產(chǎn)品的成本，具有廣闊的應(yīng)用前景。

陳金蓮等采用平衡溶脹法制備了丙烯酸改性水性聚氨酯乳液，結(jié)果發(fā)現(xiàn)可以大大提高甲基丙烯酸甲酯（MMA）的含量，明顯提高改性水性聚氨酯乳液及涂膜性能。吳冬梅等采用丙烯酸丁酯（BA）和MMA與水性聚氨酯乳液共聚制備水性聚氨酯/聚丙烯酸酯復(fù)合乳液，結(jié)果表明所制備的復(fù)合乳液具有良好的室溫貯存穩(wěn)定性及成膜性能。與水性聚氨酯乳液相比，該復(fù)合乳液粒徑有所增大，對基材潤濕性更好，膠膜耐水性明顯提高。王志強(qiáng)等合成了MMA改性的水性聚氨酯乳液，掃描電鏡圖顯示，改性后的水性聚氨酯膜表面相對平整，這是因?yàn)榫郯滨ヅc丙烯酸酯的微相分離程度小，相容性好，當(dāng)m(PU):m(PA)=8:2時(shí)得到的丙烯酸酯水性聚氨酯的綜合性能較佳。

4.環(huán)氧樹脂改性

環(huán)氧樹脂的結(jié)構(gòu)具有羥基醚鍵和環(huán)氧端基，極性強(qiáng)又不易水解，用環(huán)氧樹脂對聚氨酯進(jìn)行改性可大大提高涂膜對基材的黏合力，提高涂層的耐水性、耐熱性、耐溶劑性和耐化學(xué)品性。

5.有機(jī)硅改性

有機(jī)硅化合物表面能低，具有耐低溫、耐老化、憎水、耐有機(jī)溶劑、耐輻射及透氣性好等許多優(yōu)異性能，還能賦予涂層的柔韌性和爽滑絲綢手感。因此，可利用有機(jī)硅改善水性聚氨酯的耐熱性能和耐濕擦性能。通常采用化學(xué)合成方法將聚氨酯-有機(jī)硅烷結(jié)合起來，發(fā)揮聚氨酯和有機(jī)硅兩者的優(yōu)點(diǎn)。

曾有研究人員以異佛爾酮二異氰酸酯、聚四氫呋喃二醇、二羥甲基丙酸和三羥甲基丙烷等為原料合成了水性聚氨酯預(yù)聚體，用3-氨基丙基三乙氧基硅烷（KH550）進(jìn)行封端改性，乳化后進(jìn)一步水解縮合交聯(lián)，得到高交聯(lián)度的水性聚氨酯。FTIR表征結(jié)果顯示，KH550上的-NH₂與聚氨酯的端-NCO發(fā)生重鍵加成反應(yīng)。經(jīng)KH550改性后膠膜的力學(xué)性能、耐熱性、耐水性、和耐溶劑性得到顯著提高；隨著KH550含量增加，膠膜的結(jié)晶度見小。

6.納米改性

納米粒子具有特殊的表面效應(yīng)、體積效應(yīng)、量子尺寸效應(yīng)及宏觀量子隧道效應(yīng)，與高分子之間可產(chǎn)生強(qiáng)烈的物理和化學(xué)作用，在高分子材料強(qiáng)韌化改性方面應(yīng)用很廣，用于聚氨酯改性方面也有很多報(bào)道。

曾有專家以H12MDI、聚乙二醇、蓖麻油、1,4-丁二醇和具有生物活性的納米羥基磷灰石（n-HA）為原料，采用預(yù)聚法制備了納米HA/PU復(fù)合材料，并對其力學(xué)性能和熱性能進(jìn)行研究。研究發(fā)現(xiàn)，隨著n-HA含量增加，膠膜的拉伸強(qiáng)度和斷裂伸長率增大，儲(chǔ)能模量得到明顯提升，熱穩(wěn)定性也得到了改善，當(dāng)其用量為30%時(shí)，復(fù)合材料的綜合力學(xué)性能達(dá)到最佳。

對水性聚氨酯進(jìn)行納米改性，可提高機(jī)械強(qiáng)度、熱穩(wěn)定性、耐腐蝕性和耐老化性等。經(jīng)納米改性后的水性聚氨酯復(fù)合材料可廣泛用于紡織、建筑、汽車、航空等領(lǐng)域。

二、應(yīng)用領(lǐng)域

水性聚氨酯的應(yīng)用主要是涂料和黏合劑兩大領(lǐng)域，如木器漆及木地板漆、紙張涂層、建筑涂料、皮革涂飾劑，其中用量最多的是建筑涂料。目前，水性聚氨酯膠黏劑已在制鞋業(yè)、復(fù)合軟包裝業(yè)、織物層壓制品、玻璃集束、油墨膠黏劑、汽車內(nèi)飾等行業(yè)得到應(yīng)用。水性聚氨酯也廣泛用于石油破乳劑，造價(jià)低、破乳效果好、速度快、無毒、使用方便。此外，在聚氨酯主鏈上接枝多氟烷基，即可制作優(yōu)良的防水、防油、防污劑；在其主鏈上接枝鹵素、磷等元素，也可制成優(yōu)良的阻燃整理劑。

目前水性聚氨酯在紡織和印染助劑方面的應(yīng)用越來越廣泛，如用作染色助劑、涂料印花粘結(jié)劑、柔軟與防皺整理劑、抗靜電和親水整理劑等，可提高其染色深度、牢度以及紡織物的其他性能。

三、發(fā)展趨勢

據(jù)初步統(tǒng)計(jì)，國內(nèi)水性聚氨酯的科研和生產(chǎn)單位已有上百家，生產(chǎn)廠家主要分布在浙江和廣東等區(qū)域。目前國內(nèi)水性聚氨酯的年生產(chǎn)能力在3萬噸以上，產(chǎn)量超過1萬噸。產(chǎn)品質(zhì)量穩(wěn)步提高。

多年來國內(nèi)外對水性聚氨酯進(jìn)行了深入和廣泛的研究，目前發(fā)展方向主要包括以下幾個(gè)方面：采用最新電子顯微技術(shù)，研究水性聚氨酯中分散粒子的結(jié)構(gòu)和粒子的尺寸；開發(fā)性能優(yōu)良、固含量高的水性聚氨酯新品種，以滿足涂料和膠黏劑方面的應(yīng)用要求；開發(fā)能滿足不同應(yīng)用要求的配膠劑。

水性聚氨酯是相對于溶劑型聚氨酯而言的。因?yàn)榫郯滨サ奶厥庑阅?，能溶解聚氨酯的溶劑品種是非常有限的。從環(huán)境保護(hù)的觀點(diǎn)出發(fā)，水性聚合物涂料是21世紀(jì)最有發(fā)展前途的聚合物應(yīng)用形式，在工業(yè)和日常生活等方面必將得到更加廣泛的應(yīng)用。

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