聚氨酯涂料文獻(xiàn)綜述

水性聚氨酯涂料的改性及其應(yīng)用進(jìn)展應(yīng)化0803 李楊 Abstract: The development history of waterborne polyurethane was summarized in this paper. The modified methods including epoxy resin modification, silicone modification, fluorine modification, acrylate modification, nano material modification and research progress were mainly introduced. The application fields of waterborne polyurethane such as wood coatings, paper coatings, leather finishing agents, automotive coatings and so on were described. The domestic development direction of water-borne polyurethane was also pointed out.水性聚氨酯(WPU)是一類可在水中分散溶脹的聚合物,因其中的揮發(fā)性有機(jī)物含量低,在工業(yè)水性漆、建筑涂料、水性膠黏劑等領(lǐng)域有很大的發(fā)展和應(yīng)用空間1-3。WPU不但保留了傳統(tǒng)的溶劑型聚氨酯優(yōu)良性能,如良好的柔韌性、耐低溫性和耐疲勞性等,而且還具有環(huán)保、節(jié)能、安全可靠、使用方便等優(yōu)點(diǎn)。近5年來,世界水性聚氨酯分散體(PUD)消費(fèi)保持6. 3%以上的年均增速,約為全球GDP增速的2倍,而2005年我國的PUD消費(fèi)量達(dá)到4. 1萬噸, 2006年達(dá)到5. 5萬噸, 2007年突破7. 0萬噸,近3年我國PUD消費(fèi)量年均增長率超過15%。隨著各國對揮發(fā)性有機(jī)物及有毒物質(zhì)使用限制越來越嚴(yán)格,水性聚氨酯因具有環(huán)境友好的特點(diǎn),將具有巨大的市場空間。1水性聚氨酯涂料的發(fā)展歷程聚氨酯從20世紀(jì)30年代開始發(fā)展,而在40年代才有少量水性聚氨酯的研究,如1943年德國化學(xué)家Schlack在乳化劑及保護(hù)膠體存在下,將二異氰酸酯在水中乳化首次成功制備出聚氨酯乳液。1953年Du Pont公司的研究人員將二異氰酸酯基團(tuán)聚氨酯預(yù)聚體的甲苯溶液分散于水,用二元胺擴(kuò)鏈,合成了水性聚氨酯。但是當(dāng)時(shí)聚氨酯材料科學(xué)剛剛起步,水性聚氨酯還未受到重視,直至1967年才首次工業(yè)化, 1972年拜耳公司正式將聚氨酯水分散體作為皮革涂料進(jìn)行大批量生產(chǎn)。20世紀(jì)七八十年代,美、德、日等國的一些水性聚氨酯產(chǎn)品已從試制階段發(fā)展為實(shí)際生產(chǎn)和應(yīng)用,一些公司有多種牌號(hào)的水性聚氨酯產(chǎn)品供應(yīng),如德國Bayer公司的DispercollKA等系列、美國Wyandotte化學(xué)公司的X及E等系列、日本光洋產(chǎn)業(yè)公司的水性乙烯基聚氨酯膠黏劑KR系列等等。自20世紀(jì)90年代后期,水性聚氨酯的應(yīng)用領(lǐng)域開始不斷拓寬,在PVC黏結(jié)、汽車內(nèi)飾件、涂層、涂料等方面都有一定的工業(yè)化應(yīng)用。我國從1972年開始研究水性聚氨酯, 20世紀(jì)90年代,安徽大學(xué)、丹東輕化工研究院、成都科技大學(xué)(現(xiàn)四川大學(xué)分部)等的PUD技術(shù)成果都先后被轉(zhuǎn)化5。目前,我國已有不少領(lǐng)域應(yīng)用水性聚氨酯產(chǎn)品,但其中許多高檔產(chǎn)品仍然不能自給,因此自主研發(fā)高性能水性聚氨酯就成為國內(nèi)聚氨酯領(lǐng)域最熱門的方向之一。2水性聚氨酯涂料的改性為了更好地提高水性聚氨酯涂料的綜合性能,克服其自身存在的耐水性差、固含量低等缺點(diǎn),擴(kuò)大其應(yīng)用范圍,近年來改性水性聚氨酯研究已成為一大熱點(diǎn),許多研究學(xué)者進(jìn)行了深入的研究,改性方法也日新月異。根據(jù)改性劑不同,水性聚氨酯乳液的改性主要有環(huán)氧樹脂改性、有機(jī)硅改性、有機(jī)氟改性、丙烯酸酯改性、納米材料改性、復(fù)合改性等。2.1環(huán)氧樹脂改性環(huán)氧樹脂(EP)具有許多優(yōu)良的性能,如易固化、機(jī)械強(qiáng)度高、粘附力強(qiáng)、成型收縮率低、化學(xué)穩(wěn)定性好、電絕緣性好、成本低,還具備高模量、高強(qiáng)度和熱穩(wěn)定性好等特點(diǎn),經(jīng)環(huán)氧樹脂改性的水性聚氨酯其力學(xué)性能、黏結(jié)強(qiáng)度、耐水、耐溶劑等性能都會(huì)得到提高。文秀芳等6制備了防腐涂料用環(huán)氧改性水性聚氨酯,環(huán)氧樹脂的加入顯著地提高了涂膜的耐水性、耐化學(xué)品性、硬度和拉伸強(qiáng)度,其適宜的用量為8%-9%,并通過傅立葉紅外光譜研究分析了涂膜的氫鍵化行為。不同的改性方法制備的環(huán)氧改性聚氨酯會(huì)具有不同的性能。2.2有機(jī)硅改性有機(jī)硅聚合物分子結(jié)構(gòu)中含有元素硅,具有耐低溫、耐氣候老化、電絕緣、耐臭氧、生理惰性許多優(yōu)異性能。有機(jī)硅改性水性聚氨酯以彌補(bǔ)水性聚氨酯耐水性稍差的缺陷,使改性聚氨酯表現(xiàn)出良好的憎水性、表面富集性、低柔順性和優(yōu)良的生物相容性。2.3有機(jī)氟改性由于氟原子半徑小,電負(fù)性強(qiáng)、碳氟鍵的鍵能高,因此賦予了氟涂料極好的耐輻射性、柔韌性、耐磨性、高抗張強(qiáng)度、高耐候性、耐化學(xué)品性7,已經(jīng)在建筑幕墻涂料、耐酸雨涂料、耐溫防腐涂料、防污涂料和汽車面漆方面得到應(yīng)用。2.4丙烯酸酯改性丙烯酸酯改性水性聚氨酯可以將聚氨酯較高的拉伸強(qiáng)度和抗沖強(qiáng)度、優(yōu)異的耐磨性與丙烯酸酯樹脂良好的附著力、耐候性有機(jī)結(jié)合,可制備高固含量、低成本以及達(dá)到使用要求的WPU8國外學(xué)者已對聚氨酯-丙烯酸酯(PUA)復(fù)合乳液進(jìn)行了較多的研究開發(fā),國內(nèi)近年也有研究者對復(fù)合乳液進(jìn)行了探索性研究。曾小君等9采用共混法制取PUA,發(fā)現(xiàn)共混改性的涂膜性能有一定提高。3 水性聚氨酯涂料的應(yīng)用水性聚氨酯在涂料領(lǐng)域的應(yīng)用日益擴(kuò)大,分別在木器涂料、皮革涂飾劑、汽車涂料、紙張涂料等領(lǐng)域都取得一定的進(jìn)展。3.1木器涂料木器涂料是涂料工業(yè)的重要組成部分,是指用于實(shí)木板、木紋面板、膠木板、纖維板等原材料制備的器材上的涂料,主要適用于家具、地板、文體用品、樂器及建筑裝修材料等4。目前,高性能和低VOCs含量相結(jié)合的水性聚氨酯涂料,由于聚氨酯分子具有裁剪性,結(jié)合新的合成和交聯(lián)技術(shù),可以有效控制涂料的組成和結(jié)構(gòu),從而使其具有良好的低溫成膜性、耐高溫回黏性、高強(qiáng)度、耐磨性、環(huán)保性等,因此成為發(fā)展最快的涂料品種之一。如北京國家游泳中心即“水立方”的藝術(shù)地坪所使用的就是拜耳材料科技公司提供的水性聚氨酯涂料。3.2皮革涂飾劑涂飾可增加皮革美觀和耐用性能,提高皮革檔次,是皮革制造過程中的重要環(huán)節(jié)。水性聚氨酯涂飾劑以水為溶劑,消除了溶劑型聚氨酯生產(chǎn)、貯運(yùn)和使用過程中易燃易爆等危險(xiǎn),滿足安全環(huán)保的要求,具有成膜性能好,涂層光滑耐熱耐寒,易于清潔保養(yǎng),受到高度重視和廣泛研究。目前許多公司都有水性聚氨酯皮革涂飾產(chǎn)品,如德國BASF公司的Astacin Finish PUD系列、德國Bayer公司的Bayderm系列、日本Takeda公司的W-615系列等。3.3汽車涂料我國汽車工業(yè)正處在成長時(shí)期,汽車涂料的需求量大。從現(xiàn)代環(huán)保要求角度考慮,水性化是汽車涂料的發(fā)展趨勢。歐美國家已完成汽車漆水性化的50%以上,日本已完成研究工作并有少量應(yīng)用?，F(xiàn)在許多汽車制造商都指定要求在汽車內(nèi)部配件上使用水性聚氨酯涂料以滿足環(huán)保法規(guī)的要求。如通用汽車(GM)指定美國最大的儀表板生產(chǎn)商Delphi為其GMT800和GMT425汽車選用水性聚氨酯內(nèi)部涂料。3.4紙張涂料涂布紙涂料常用的是苯丙乳液和羧基丁苯乳液,但是表面強(qiáng)度不夠,而涂布水性聚氨酯體系能夠得到柔韌性和強(qiáng)度等性能都很出色的效果,在許多種油墨上面的附著力也很好,且無毒無味,符合日益嚴(yán)格的環(huán)保法規(guī)要求,近年發(fā)展十分迅猛5。3.5其他涂料除上述類型的涂料,水性聚氨酯也應(yīng)用在一些特殊功能涂料方面,如防腐涂料、抗菌涂料及特種涂料等。如氟改性的聚氨酯涂料,具有極好的耐紫外線和和輻射性,已在美國海軍中廣泛使用。4展望隨著經(jīng)濟(jì)的發(fā)展和人們環(huán)保意識(shí)的提高,水性聚氨酯將朝著高科技含量、高附加值以及多功能性方向發(fā)展。今后在合成原料上充分利用可再生資源如松香、植物油等合成水性聚氨酯涂料,提高生物質(zhì)資源的利用率;廣泛利用聚氨酯分子的可裁剪性,在聚氨酯鏈上引入特殊功能的分子結(jié)構(gòu),賦予聚氨酯涂膜多功能性;并應(yīng)重視應(yīng)用技術(shù)的研究,加強(qiáng)對水性聚氨酯專用設(shè)備的研究與開發(fā),加快其生產(chǎn)和推廣;同時(shí)應(yīng)進(jìn)一步完善和發(fā)展高性能水性聚氨酯涂料體系,加強(qiáng)復(fù)合改性技術(shù)的理論及機(jī)理研究,開拓新的應(yīng)用領(lǐng)域。在高新技術(shù)的驅(qū)動(dòng)下,水性聚氨酯涂料將會(huì)擁有更大的發(fā)展和應(yīng)用空間。參考文獻(xiàn)1 錢伯章.水性聚氨酯材料成新寵J.橡塑技術(shù)與裝備, 2008,34(8): 13.2 中國聚氨酯工業(yè)協(xié)會(huì)涂料專業(yè)委員會(huì).我國聚氨酯涂料發(fā)展現(xiàn)狀J.涂料技術(shù)與文摘, 2008, 29 (5): 8-12.3 趙建設(shè),劉治猛,賈德民.水性聚氨酯耐水性改性研究進(jìn)展J.粘結(jié), 2008, 29(8): 38-42.4 陳麗珠,黃洪,陳煥欽.水性聚氨酯的發(fā)展與應(yīng)用研究進(jìn)展J.涂料技術(shù)與文摘, 2008, 29(5): 13-16, 22.5 馬偉,陸麗濃.環(huán)境友好型水性聚氨酯的研究進(jìn)展J.聚氨酯工業(yè), 2008, 23(2): 8-11.6 文秀芳,皮丕輝,程江,等.防腐涂料用環(huán)氧改性水性聚氨酯樹脂的合成J.腐蝕科學(xué)與防護(hù)技術(shù), 200