功能型水性聚氨酯涂料的设计与应用最新进展

水性聚氨酯(WPU)是以水为分散介质(替代有机溶剂)

的环境友好型材料，以其制备的涂料广泛用于轻纺、皮革、木

器、塑料、建筑、造纸、汽车和工业维护等领域¨。1。但是，由

于水性聚氨酯分子中引入了亲水基团，在耐水性、耐溶剂性、

耐候性、干燥速度等方面表现欠佳，限制了它的应用范围。为

了满足人们对环境友好型功能性涂料的需求，研究人员通过

对水性聚氨酯进行分子结构设计、复合改性、合成工艺和成膜

技术改进等方法，制备出特殊性能的水性涂料以鹿对市场需

求，如在分子尺度上进行多元醇分子设计，或将特定分子结构

(或者元素)引入多元醇来改变大分子主链结构，或在微观尺

度上进行纳米复合改性，或在成膜过程引入特定官能团进行

交联改性等多种方法来提升水性聚氨酯涂料的功能。通过功

能化设计制备的功能型水性聚氨酯涂料具有一般通用犁水性

聚氨酯涂料所不具备的性能，如阻燃、防腐蚀、防霉杀菌、防涂

鸦、透明隔热等特殊性能。本研究主要介绍水性能聚氨酯涂

料的功能化设计、合成技术与应用进展。

1 功能型水性聚氨酯的合成技术

功能型WPU利用其分子结构的可裁剪性，结合新的合成

及交联技术，使WPU涂料的性能达到甚至优于传统溶剂型聚

氨酯涂料。功能型WPU的合成技术与工艺较为复杂，总体来

说大致分为几种工艺方法‘“，见表l。

2功能型水性聚氨酯的设计与应用

WPU的功能化足将功能Ⅻ小分千与WPU骨架帽连接，打

化学连接和物理连接之丹。化学畦挂足利用接桂厦血枉WI’【一

骨架±引入活性功能甚．从m改变wP0的物理化学性质，赋

予其新的功能．物理连接是通过小舒子功能化台物々WPU的

共混米宴琨通廿功能化设计的WPU．日“制籍H有阻燃、聃

腐蚀、肪霉乐茁抗攮鸦，透明隔热等特殊性能帕功能制WPU

溶料。

2．1阻燃型水性聚氯酯涂料的设计与应用

2 1台卤阻燃型水性聚氯酣涂料

在WFU分子巾引^古卤索N P等的筚M可提高WPU

的Hl燃性．迁ur“通过添加有机硅低辈物对WPU进行政性．

使其热稳定性有较大的提高．

陈鹤等“蚺卉溲的对二：豌新m二肺(DBNH，)作为碰段

引^WPU链i．制备出丁求性古卤阻燃聚氯睹．乳浊稳定性

良好．暖水率最著减小．氧指数测试表明．DBNw坩量为15％

时改性水性聚氨酵的氧指数B选29 6％．以其制蔷的涂料县

胄较好舳阻燃性。

2 l 2无卤阻燃型水性聚氨酯涂料

膨胀型阻燃荆具备无卤、低炯、低毒等特性．是目前碰用

比较广泛的正卣阻燃豫料。

孙家琛等”Ⅲ术性聚氯酯潦料膨胀型和非膨胀型阻燃体

§的性能差剐进行了研究。膨胀型阻燃体系选择APP—PER

—MEL复台膨胀星阻燃体系．非膨胀型阻燃体系选用Mg

(OH)：／AI(OH)】。试验缩果发现APP—PER—MEL膨胀塑阻

燃体系比Mg(OH)2／AI(OH)，非影胀型阻燃体系舯WPU诛

料的阻璐蝗果要好。APP—PER—ME[一舔加量为50％埘碳化

时问为263州硎目样播加量的Mg(OH)：／AtfOH)，体系仅为

t23k许晓光等7用丙烯醯酯政性WPU，然后加^=聚讯瞎

和平虎B薛．明H提离撩膜的阻燃性能，而HT会破坏儿耐水

性能

2 2防腐蚀型水性聚氨酯涂料的设计与应用

壤氰酯踉抖n卉优异的蝌寒性耐磨性和斩腐蚀性能．仉

WPU分子中山f含有亲水晕研．州此J E耐水、耐溶剂、防腐蚀

菩性能欠佳。为此．人州庄聚缸醋分子主链或侧链上引人环

氧树脂、丙烯醺酯、有帆硅等功能性有机物制备成网络状聚骨

物，或在WPU中曝加纳米粒子，“此束吐善WPU的防腐蚀等

性能。

2 2 l 环氧树脂政性水性聚氯酯防腐蚀洽刺

崩环氧辫85对WPL进行改性可“赋于水性聚氯酯良好

的防腐蚀性能。f春艳等。“环氰树脂改性庳性鼙氰酯为罄

料．材备m环保儿防脚蚀性能优异的富锌髂科。结米裘明．水

性环钮聚氯醋常锌涂料的甜腐蚀能力比传统玲氧高锌底潦

强；锌扮的添加量时诛层的防腐蚀艘来有一定的影响．此外．

潦加少量错粉能提岛踩层的防腐蚀性能。该诛料防腐蚀性能

优良．鲦层机槭强腰高，施I打便在钢铁重防腐方面其打广

阔的鹰州扮景。

孙道兴等’蒋环氧坩脂E一44与吉硅聚氨酯料脂接枝搀

策，制得术性聚氰酯改性环毓丙烯酸树脂。结果表明，当环韫

讨脂E一“在拼脂中所。～质盈分数为30％时．涂料的综合性

能选到艟优：选用钍铁粉和碡艘锌无毒防锈颜料町制备出具

有较好的肪锈敢粜的环保防腐簿料，且钍铁籽甩量为5％时Ⅺ

使谈防腐涂料的防腐性能和机槭性能处于_睦佳水平。

2 2 2环氟一丙烯酸树脂复合垃性水性聚氯酯防腐

蚀潦抖

丙烯酸树脂具有较好的耐柬性，耐候性”⋯。用丙烯酸树

的机械性能与丙烯酸良好的耐候性及耐水性两者有机地结合

起来，从而使WPU涂膜的性能得到明显改善¨“。环氧和丙

烯酸共同改性水性聚氨酯可以综合三者的优点，获得高性能

的WPU防腐涂料¨“。

吴校彬等¨31通过原位聚合制备了水性聚氨酯一环氧树

脂一丙烯酸(WPUEA)复合乳液。实验结果表明，当一

NC0／一OH物质的量比为1．2—1．5，TMP用量为2％～3％，

E20用量为4％一6％，DMPA用量为6％一9％，MMA用量为

20％～30％时，乳液贮存期超过10个月，冻融循环大于5次，

涂膜摆杆硬度大于0．70，拉伸强度大于10 MPa，耐水性、耐酸

碱性、耐溶剂性和防腐性能较未改性的WPU涂料有明显

改善。

2．2．3有机硅改性水性聚氨酯防腐蚀涂料

有机硅涂料具有优异的耐热性、耐候性、疏水性¨4—51，而

聚氨酯涂料具有突出的耐磨损性、耐油性和良好的可焊性，但

耐热性、耐水性、耐腐蚀性不够理想。因此，采用有机硅改性

聚氨酯材料，可以弥补聚氨酯材料的不足¨⋯。

领域具有良好的应用前景。

李宁等四。用纳米ATO隔热浆料和WPU通过一定的工艺

制备了纳米透明隔热涂料，将其涂在洁净玻璃上常温下即可

成膜。分析表明玻璃涂膜后节能效果较为明显，遮蔽系数可

以达到0．61．而可见光透过率为60．6％，且可阻隔66．43％的

紫外线。廖阳飞等m1以水性聚氨酯一丙烯酸酯(PUA)树脂

为基料，以纳米氧化铟锡(ITO)浆料为颜填料制备水性透明隔

热玻璃涂料，并制得隔热夹层玻璃。该玻璃耐辐照、耐热和耐

冲击等性能好，且具有良好的隔热效果和可见光透射比。当

颜基质量比为1：4时，纳米ITO透明隔热涂料涂层在可见光区

(380—780 nm)透射比在75％左右，遮阳系数可达0．57，隔热

效果达到15℃以上。杜郑帅等p¨合成了聚氨酯丙烯酸酯预

聚物，添加功能纳米粉体水性浆料制备了水性紫外光(UV)固

化纳米透明隔热涂料。研究表明，功能纳米粉体水性浆料的

平均粒径为27．8 am，添加到预聚物中后涂料的平均粒径为

38．8 nm；以隔热粉体的用量为4．2％、涂层厚度为8 p,m为宜，

涂层玻璃的可见光透过率达80％，涂层玻璃比空白玻璃在平

衡时的温度降低10℃以上，并具有很好的硬度、耐磨、耐水等

基本性能。

3结语

目前，国内功能型WPU涂料的生产及应用与国外相比尚

处于起步阶段，产品性能有待进一步提升。同时，功能型WPU

涂料的研究正朝着高性能化和多功能化方向发展，尤其要强

调WPU的分子设计和合成工艺方法。合成WPU时，采用各

种方法引入具有特殊功能的分子链节到分子主链或侧链上，

使WPU具有特殊功能性；开发新型高效亲水扩链剂或利用各

种官能团间反应引入专用交联剂，提高WPU涂膜耐水、耐溶

剂性能以及贮存稳定性；利用各类纳米材料、可再生材料通过

化学改性达到分子级复合以大幅提升材料性能，这些方法都

是功能型WPU涂料的未来发展方向。