聚氨酯涂料綜述

1、聚氨酯涂料綜述摘要本文是一篇綜述性的論文。全論文圍繞聚氨酯涂料這一類涂料進(jìn)行了詳細(xì)的闡述和介紹。具體的思路是，先介紹這一類涂料的發(fā)展概況，然后具體到說明其組成、分類以及合成原料和制備，當(dāng)然，這些都是比較廣義的說明，沒有具體到每一個(gè)實(shí)例之中。制備方法介紹過后，就涉及到聚氨酯涂料的各類應(yīng)用了，不同的涂料對(duì)應(yīng)于不同場(chǎng)合的需求，因而加以分點(diǎn)闡述。最后，筆者大致介紹了一下我國(guó)聚氨酯涂料的發(fā)展現(xiàn)狀。關(guān)鍵詞：聚氨酯涂料 異氰酸酯 多元醇一、 引言聚氨酯涂料（簡(jiǎn)稱為PU涂料），涂膜外觀優(yōu)美，具有良好的裝飾性，且因其良好的柔韌性、耐沖擊性、耐腐蝕性、耐化學(xué)品性及優(yōu)異的耐低溫性和耐磨性、硬度大、高彈性等特點(diǎn)，已廣

2、泛地應(yīng)用于車船、航空、電子、建筑、橋梁、機(jī)床、木器及室內(nèi)裝潢等領(lǐng)域的裝飾和保護(hù)中，同時(shí)也大量用于石化設(shè)備、管道、海洋設(shè)施、重型機(jī)械等工業(yè)的防腐蝕保護(hù)和裝飾。二、 發(fā)展概況聚氨酯涂料是在20世紀(jì)后半葉才發(fā)展起來的一種新型材料。自從1937年德國(guó)Bayer教授首次合成聚氨酯以來，聚氨酯以其軟硬度可調(diào)節(jié)范圍廣、耐低溫、柔韌性好、附著力強(qiáng)等優(yōu)點(diǎn)逐漸被人們所認(rèn)識(shí)，其彈性體、泡沫塑料、涂料及粘接劑等均已獲得廣泛應(yīng)用。另外，聚氨酯的主要原料異氰酸酯很活潑，不僅能與羥基樹脂結(jié)合，還能與底材中的羥基結(jié)合，形成牢固的化學(xué)鍵和氫鍵，增強(qiáng)了與底材的粘附力，這使它集涂料的優(yōu)點(diǎn)于一身，具有極好的通用性和優(yōu)異的使用效果，聚

3、氨酯涂料是增長(zhǎng)速度最快的涂料品種之一，它在涂料中所占比例和增長(zhǎng)速度象征著一個(gè)國(guó)家的涂料工業(yè)水平，受到世界各國(guó)的高度重視和廣泛研究。三、 組成、分類及原料3.1組成聚氨酯（PU）是一種性能優(yōu)異的高分子材料，以低聚多元醇為軟段，異氰酸酯和擴(kuò)鏈劑為硬段的嵌段化合物，其化學(xué)結(jié)構(gòu)中含有氨基甲酸酯、醚鍵、脲鍵和脲基甲酸酯等多種極性鍵，賦予了它優(yōu)良的粘結(jié)性和成膜性能。聚氨酯涂料是在涂膜中含有相當(dāng)數(shù)量的聚氨酯甲酸酯的涂料。其中除了含有氨酯鍵之外，還含有脲鍵、醚鍵、酯鍵、脲基甲酸酯鍵等等。3.2分類按照產(chǎn)品的包裝形式可以分為兩大類：?jiǎn)谓M分固化聚氨酯涂料和雙組分聚氨酯涂料。單組分混固化聚氨酯是含異氰酸酯的預(yù)聚物，

4、涂布以后，涂膜與空氣中的濕氣起反應(yīng)而交聯(lián)固化。這種涂料的優(yōu)點(diǎn)主要是使用方便，可以避免配制中的麻煩，缺點(diǎn)是色漆制造比較麻煩，工藝要求嚴(yán)格，成品儲(chǔ)存期限也比較短。雙組分聚氨酯涂料包括多羥基組分與多異氰酸酯組分。在使用前兩組分混合，由多羥基組分中的羥基和多異氰酸酯中的異氰酸根反應(yīng)而交聯(lián)成膜。這種涂層具有良好的耐熱，耐油和耐水性，但是耐堿性比較差。3.3合成聚氨酯涂料的原料合成聚氨酯的主要原料有異氰酸酯（MDI、TDI、HDI、TPDI等），聚醚多元醇或聚酯多元醇及熔助劑等等。3.3.1多元醇系列聚氨酯是分子中含有（NHCOO）基團(tuán)的一類化合物，它是由多元醇中的羥基與異氰酸酯基中的酯基合成反應(yīng)而成的。

5、羥基中的活潑氫原子與異氰酸酯基中的NCO鍵反應(yīng)成氨基甲酸酯。多元醇的官能度、相對(duì)分子質(zhì)量以及分子結(jié)構(gòu)都對(duì)PU制品的性能有直接影響。通常官能度高、相對(duì)分子量低，制得的制品硬度高、物理機(jī)械性能好，耐低溫性能也佳。反之，官能度低、相對(duì)分子量高，制得的制品彈性和斷裂伸長(zhǎng)率較佳。在聚氨酯的制備中常用的多元醇聚合物有聚酯多元醇，聚醚多元醇。有時(shí)也用山梨醇、蔗糖、聚丁二烯二元醇及其加氫化合物、聚已內(nèi)酯多元醇、聚碳酸酯多元醇和有機(jī)硅多元醇等。相對(duì)分子質(zhì)量為25008000，官能度為28。聚醚多元醇是以二元醇三元醇為起始劑，由氧化烯烴（如環(huán)氧丙烷、環(huán)氧乙烷等）在氫氧化鉀等堿性催化劑存在下，開環(huán)聚合而成的。產(chǎn)品的

6、酸值應(yīng)該在2mgKOH/g之下，最好是1mgKOH/g以下。由聚酯多元醇制得的PU制品機(jī)械性能高，耐油耐熱，但是其耐水解性、耐低溫性、耐氧化性以及耐酸堿穩(wěn)定性與聚醚多元醇相比稍遜一籌。它主要用于制備膠粘劑，彈性體和涂料等。3.3.2異氰酸酯系列縱觀整個(gè)聚氨酯涂料，可以說幾乎都和異氰酸酯的反應(yīng)活性有著密切的關(guān)系。多異氰酸酯系聚氨酯的關(guān)鍵原料，常用的多異氰酸酯是TDI和MDI。它們的工業(yè)化程度高，易得，價(jià)格適中，制備PU時(shí)，操作簡(jiǎn)便。同時(shí)由于聚氨酯涂料的種類很多，針對(duì)不同的聚氨酯涂料，也有與之適應(yīng)的多異氰酸酯種類。比如，對(duì)于雙組分的WPU涂料的固化劑就包括未改性的多異氰酸酯和改性的多異氰酸酯兩種。

7、大多數(shù)未改性的多異氰酸酯很難與羥基組分混合均勻，必須使用粘度和反應(yīng)活性低的多異氰酸酯。改性的多異氰酸酯就是把多異氰酸酯水性化，包括外乳化法和內(nèi)乳化法。在聚氨酯涂料的生產(chǎn)中，以雙組分醇酸聚氨酯涂料為主，脂肪族異氰酸酯在涂料中使用的有六亞甲基二異氰酸酯（HDI）、異佛爾酮二異氰酸酯（IPDI）、二環(huán)已基甲烷二異氰酸酯使用最多。最重要的是HDI。二苯甲烷二異氰酸酯（MDI）在涂料中也有相當(dāng)?shù)谋戎?。但因?yàn)榇嬖诜狐S的問題，故只能使用在深色內(nèi)漆中。四、 制備關(guān)于聚氨酯涂料的制備，最關(guān)鍵的一步在于預(yù)聚物的合成。預(yù)聚體的合成實(shí)質(zhì)是異氰酸酯與聚合物多元醇的反應(yīng)，可形成多異氰酸酯聚合物，又稱聚氨酯預(yù)聚物，主要包括

8、聚氨酯加成物、縮二脲和三聚體（異氰脲酸酯）。端基為異氰酸酯基的預(yù)聚體能與水、二元醇、二元胺等進(jìn)行反應(yīng)，形成更長(zhǎng)鏈的線性高聚物。也能與二異氰酸酯反應(yīng)形成高交聯(lián)型高聚物。活潑氫組分的親核性愈強(qiáng)，與異氰酸酯的反應(yīng)性也愈強(qiáng)。典型的聚氨酯加成物是由TDI與TMP（三羥甲基丙烷）反應(yīng)制備得到的。加成物經(jīng)薄膜蒸發(fā)，使其游離TDI含量降至0.7%（固體）以下，則這種預(yù)聚物的應(yīng)用量大而廣。由于HDI的兩個(gè)異氰酸酯基的活性相同，與TMP反應(yīng)所得產(chǎn)品的粘度較高，固體含量低，工藝復(fù)雜，操作困難，因此，采用一種多元醇醚與HDI反應(yīng)制備HDI加成物，將其用于橡膠涂料，其涂膜彈性較好，即使在零下30下，也能保持良好的柔韌性

9、。五、 聚氨酯涂料的種類及應(yīng)用5.1水性聚氨酯涂料水性聚氨酯涂料是以水代替有機(jī)溶劑作為分散介質(zhì)的新型聚氨酯涂料體系。從1942年Slack首次成功地制備了陽離子型水性聚氨酯，到上世紀(jì)70年代水性聚氨酯開始工業(yè)化生產(chǎn)，發(fā)展到現(xiàn)在，全世界水性聚氨酯樹脂估計(jì)年產(chǎn)量為56萬t。雖然水性聚氨酯涂料在某些性能如耐水性、耐溶劑方面，與溶劑型聚氨酯涂料還存在一定的差距，但其具有無污染、安全可靠、機(jī)械性能優(yōu)良、與顏料染料的相溶性好、且不易損傷被涂飾表面、易于改性等優(yōu)點(diǎn)，如今已在皮革涂飾、紙張涂層、鋼材防腐、現(xiàn)為處理等許多領(lǐng)域逐步取代溶劑型聚氨酯涂料。5.2聚氨酯粉末涂料聚氨酯粉末涂料是由粉末狀聚氨酯樹脂、固化劑

10、、顏料、填料及助劑等組成的粉狀混合物，通常是將各物料高速混合后，于100120下基礎(chǔ)、冷卻、粉碎、篩分而制得，且具有良好的耐化學(xué)藥品性，不易黃變，耐候和耐曬等性能。聚氨酯粉末涂料目前已成為粉末涂料的主流。聚氨酯粉末涂料一般有3大系列：封閉型聚氨酯粉末涂料；帶官能團(tuán)的聚氨酯體系；含NCO端基的聚氨酯粉末涂料。Bayer公司率先進(jìn)行了聚氨酯粉末涂料的基礎(chǔ)研究和開發(fā)，成功研制了封閉的異氰酸酯交聯(lián)體系，常用的是己內(nèi)酰胺封閉的IPDI固化體系，它的固化溫度在170以上，這種高溫固化有利于涂膜的高度流平，是無揮發(fā)性副產(chǎn)物放出的品種。5.3聚氨酯涂料的應(yīng)用5.3.1聚氨酯汽車涂料汽車涂料按涂裝工藝分汽車底漆

11、、中間層涂料和面漆。當(dāng)今世界，汽車生產(chǎn)中，底漆有92%采用電泳漆（CED），其中90%為陰極電泳漆，聚氨酯電泳漆以其綜合性能優(yōu)異的特點(diǎn)，如涂膜厚，表面高度平整，耐碎落，對(duì)防銹鋼板的適用性很強(qiáng)，在其中所占的比例越來越大。中間層涂料對(duì)抗石擊性要求較高，而聚氨酯涂料的抗石擊性能最佳，被人們極為重視。在汽車面漆中，聚氨酯涂料具有金屬閃光性的特點(diǎn)，已成為發(fā)展方向。5.3.2聚氨酯木器家具涂料聚氨酯涂膜具有堅(jiān)韌性、耐沸水性、耐香煙頭灼燒及耐沖洗性，其固體分高，減少了施工道數(shù)，常溫下干燥迅速，涂膜平整豐滿，優(yōu)于其他系列的涂料，已成為高檔家具用涂料。我國(guó)聚氨酯木器家具涂料中，單組分聚氨酯木器家具涂料以聚氨酯醇

12、酸（氨酯油）為主，雙組分聚氨酯木器家具涂料的NCO基組分以TDI加成物和HDI縮二脲居多，TDI加成物包括TDI/TMP加成物和蓖麻油多元醇預(yù)聚物/TDI的加成物。聚氨酯木器家具涂料由單一品種迅速向多品種、系列化或配套產(chǎn)品發(fā)展，包括開發(fā)聚氨酯清漆、磁漆、木器封閉底漆及專用助劑和稀釋劑等。5.3.3聚氨酯防腐蝕材料聚氨酯涂料可低溫固化，彈性好，濕固化聚氨酯涂料能全天候施工，可用多種樹脂改性（如環(huán)氧、聚烯烴和氯磺化橡膠等），用作橋梁、石油貯罐、化工廠設(shè)備等的重防腐蝕涂料，已引起防腐蝕專家的關(guān)注，具有很好的發(fā)展前景。5.3.4聚氨酯防水材料防水涂料是指起著防潮、保護(hù)涂飾物及其構(gòu)件不受水侵蝕破壞作用的

13、一類涂料。水性聚氨酯由于其良好的綜合防水性能，已經(jīng)越來越多地受到人們的關(guān)注，成為防水涂料領(lǐng)域中新的發(fā)展方向。水性聚氨酯具有優(yōu)異的耐磨性、柔韌性、流動(dòng)性、機(jī)械性能及耐化學(xué)品性，同時(shí)還有光亮、附著力強(qiáng)等優(yōu)良性能，既有效避免了溶劑型聚氨酯體系中有毒、易燃揮發(fā)性有機(jī)化合物（VOC）的排放，又具有不燃、無毒、不污染環(huán)境、節(jié)約能源等優(yōu)點(diǎn)。5.3.5其他應(yīng)用如聚氨酯涂料漆包線漆、聚氨酯地板漆、紡織印染加工用水性聚氨酯等等。六、 我國(guó)聚氨酯涂料的發(fā)展現(xiàn)狀我國(guó)聚氨酯涂料的研制和開發(fā)始于20世紀(jì)50年代，自80年代后，隨著人民生活水平的提高，對(duì)木器家具、汽車、鐵路機(jī)車需求增長(zhǎng)，以及石油化工、橋梁船舶、機(jī)械工業(yè)等產(chǎn)

14、業(yè)的發(fā)展，使聚氨酯涂料進(jìn)入飛速發(fā)展時(shí)期，聚氨酯涂料產(chǎn)量從1980年的0.17萬t增加到2004年20萬t以上，該領(lǐng)域TDI大約消耗5.5萬t。產(chǎn)量?jī)H次于醇酸樹脂漆、酚醛樹脂漆和丙烯酸樹脂漆，成為第四大涂料品種。目前我國(guó)聚氨酯涂料以雙組分聚氨酯涂料為主流，主要用于木器家具的涂裝。其次是單組分聚氨酯涂料，以聚氨酯為基料，可以生產(chǎn)清漆和色漆。丙烯酸聚氨酯漆用HDI縮二脲為固化劑，作為汽車補(bǔ)修漆，在我國(guó)大多用于涂裝面包車和大客車以及輕型汽車。2007年用于涂料工業(yè)的聚氨酯涂料占我國(guó)涂料總產(chǎn)量的7%。聚氨酯涂料在木器涂料工業(yè)中占主導(dǎo)地位，占到木器涂料市場(chǎng)的75%，緊接著是汽車補(bǔ)修漆，占40%多的市場(chǎng)份額

15、。七、 結(jié)束語隨著經(jīng)濟(jì)與技術(shù)的發(fā)展，聚氨酯涂料的優(yōu)點(diǎn)越來越被人們所認(rèn)識(shí)，其應(yīng)用范圍也越來越廣。聚氨酯的發(fā)展趨勢(shì)為開發(fā)高性能、低能耗和無污染的聚氨酯涂料，即開發(fā)高固體含量、水性和無容積聚氨酯涂料。具體的發(fā)展方向有：完善TDI固化劑的多樣化和系列化，開發(fā)MDI系列涂料產(chǎn)品；研發(fā)脂肪族異氰酸酯固化劑，發(fā)展HDI縮二脲、HDI三聚體、IPDI加成物和三聚體等固化劑產(chǎn)品，以填補(bǔ)國(guó)內(nèi)空白，推動(dòng)我國(guó)聚氨酯涂料的發(fā)展；解決固化劑生產(chǎn)過程中的關(guān)鍵技術(shù)，加大相關(guān)設(shè)備的開發(fā)與設(shè)計(jì)，有效降低固化劑體系中游離異氰酸酯單體含量，增加固化劑與羥基樹脂的相容性；研制開發(fā)額高性能、低毒、低污染的聚氨酯涂料。豐富和完善水性聚氨酯涂料品種；開發(fā)HMDI、IMCI等新型粉末聚氨酯涂料固化劑，改善聚氨酯粉末涂料的外觀，研究其固化機(jī)理；發(fā)展和完善聚氨酯專用涂料品種，擴(kuò)大聚氨酯涂料的應(yīng)用領(lǐng)域。