水性聚氨酯是以水為分散介質(替代有機溶劑)的環境友好型材料, 以其制備的涂料廣泛用于輕紡、皮革、木器、塑料、建筑、造紙、汽車和工業維護等領域。但是, 由于水性聚氨酯分子中引入了親水基團, 在耐水性、耐溶劑性、耐候性、干燥速度等方面表現欠佳, 限制了它的應用范圍。

為了滿足人們對環境友好型功能性涂料的需求, 通過對水性聚氨酯進行分子結構設計、復合改性、合成工藝和成膜技術改進等方法, 制備出特殊性能的水性涂料以應對市場需求, 如在分子尺度上進行多元醇分子設計, 或將特定分子結構(或者元素) 引入多元醇來改變大分子主鏈結構, 或在微觀尺度上進行納米復合改性, 或在成膜過程引入特定官能團進行交聯改性等多種方法來提升水性聚氨酯涂料的功能。通過功能化設計制備的功能型水性聚氨酯涂料具有一般通用型水性聚氨酯涂料所不具備的性能, 如阻燃、防腐蝕、防霉殺菌、防涂鴉、透明隔熱等特殊性能。

本研究主要介紹水性能聚氨酯涂料的功能化設計、合成技術與應用進展。<?xml:namespace prefix="o">

1  功能型水性聚氨酯的合成技術

       功能型WPU利用其分子結構的可裁剪性, 結合新的合成及交聯技術, 使W PU涂料的性能達到甚至優于傳統溶劑型聚氨酯涂料。功能型WPU的合成技術與工藝較為復雜, 總體來說大致分為幾種工藝方法, 見表1。

2  功能型水性聚氨酯的設計與應用

       WPU 的功能化是將功能型小分子與WPU骨架相連接, 有化學連接和物理連接之分。化學連接是利用接枝反應在WPU骨架上引入活性功能基, 從而改變WPU的物理化學性質, 賦予其新的功能; 物理連接是通過小分子功能化合物與WPU的共混來實現。通過功能化設計的WPU, 可以制備具有阻燃、防腐蝕、防霉殺菌、抗涂鴉、透明隔熱等特殊性能的功能型WPU涂料。

2.1  阻燃型水性聚氨酯涂料的設計與應用

2.1.1  含鹵阻燃型水性聚氨酯涂料
        在WPU分子中引入含鹵素、N、P等的基團可提高WPU的阻燃性, 還可以通過添加有機硅低聚物對WPU 進行改性,使其熱穩定性有較大的提高。
2.1.2  無鹵阻燃型水性聚氨酯涂料
       膨脹型阻燃劑具備無鹵、低煙、低毒等特性, 是目前應用比較廣泛的無鹵阻燃涂料。實驗證明，水性聚氨酯涂料膨脹型阻燃體系比非膨脹型阻燃體系的阻燃效果要好。

2.2  防腐蝕型水性聚氨酯涂料的設計與應用

        聚氨酯涂料具有優異的耐寒性、耐磨性和防腐蝕性能, 但WPU分子中由于含有親水基團, 因此其耐水、耐溶劑、防腐蝕等性能欠佳。為此,人們在聚氨酯分子主鏈或側鏈上引入環氧樹脂、丙烯酸酯、有機硅等功能性有機物制備成網絡狀聚合物, 或在WPU 中添加納米粒子, 以此來改善WPU的防腐蝕等
性能。
2.2.1  環氧樹脂改性水性聚氨酯防腐蝕涂料
        用環氧樹脂對WPU進行改性可以賦予水性聚氨酯良好的防腐蝕性能。
        此外,添加少量鋁粉能提高水性環氧聚氨酯富鋅涂料的防腐蝕性能,該涂層機械強度高, 施工方便, 在鋼鐵重防腐方面具有廣闊的應用前景。
2.2.2  環氧-丙烯酸樹脂復合改性水性聚氨酯防腐蝕涂料
        丙烯酸樹脂具有較好的耐水性、耐候性。用丙烯酸樹脂對水性聚氨酯進行改性, 可以使聚氨酯的高耐磨性及良好的機械性能與丙烯酸良好的耐候性及耐水性兩者有機地結合起來, 從而使WPU涂膜的性能得到明顯改善。環氧和丙烯酸共同改性水性聚氨酯可以綜合三者的優點, 獲得高性能的WPU防腐涂料。
2.2.3  有機硅改性水性聚氨酯防腐蝕涂料
        有機硅涂料具有優異的耐熱性、耐候性、疏水性, 而聚氨酯涂料具有突出的耐磨損性、耐油性和良好的可焊性, 但耐熱性、耐水性、耐腐蝕性不夠理想。因此, 采用有機硅改性聚氨酯材料, 可以彌補聚氨酯材料的不足。有機硅的加入增強了水性聚氨酯涂料耐腐蝕性、彈性和機械應力, 熱穩定性得到較大提高。這種高性能的耐熱防腐涂料適用于航天、海洋、汽車等領域。
2.2.4  納米材料改性水性聚氨酯防腐蝕涂料
        納米材料具有獨特的表面效應、體積效應、量子效應和界面效應等, 將納米粒子用于改性聚氨酯防腐蝕涂料方面可產生良好的效果。

2.3  防霉殺菌型水性聚氨酯涂料的設計與應用

2.3.1  無機抗菌型水性聚氨酯涂料
        目前, 國內研究抗菌聚氨酯主要是通過添加無機抗菌劑,其中以添加銀為主, 并可添加氧化鋅和納米TiO2作為抗菌劑。比如，銳鈦型納米TiO2對海洋細菌的附著有抑制作用, 其光催化氧化性對附著細菌有殺滅作用, 細菌附著數量隨銳鈦型納米TiO2含量的增加而減少。
2.3.2  有機抗菌型水性聚氨酯涂料
        帶有抗菌基團的有機高分子化合物是將抗菌基團共價結合在不溶性載體上, 不僅可以重復利用, 且抗菌基團集中在載體表面, 殺菌高效快速, 因此高分子抗菌劑正成為當今研究和開發的熱點。

2.4  防涂鴉型水性聚氨酯涂料的設計與應用

        涂鴉小廣告被稱為&ldquo;城市牛皮癬&rdquo;, 會對市容市貌造成不良的影響, 且清除困難。較為有效的方法是涂刷防涂鴉涂料。防涂鴉涂料須具有多功能特性, 包括良好的疏水疏油性、耐沾污性、耐刮性、耐化學品性和易清潔性。決定防涂鴉涂料主要性能的是所采用的樹脂, 目前所用大多是溶劑型的聚氨酯、硅樹脂、氟樹脂等。隨著世界各國對VOC排放量的限制, 開發改性的WPU 防涂鴉涂料已經勢在必行。提高涂膜的防涂鴉性主要是通過改善涂膜的表面性能使之對污染物難以吸附并容易除去, 以及提高涂膜的致密性使污染物不易滲入這2個基本途徑。目前, 主要是利用有機硅和氟樹脂來改善WPU涂料的表面性能, 并降低表面吉布斯自由能。

2.5  透明隔熱型水性聚氨酯涂料的設計與應用

        玻璃耗能在整個建筑能耗中占的比例較大, 近幾年隨著納米技術的飛速發展, 水性納米透明隔熱涂料應運而生。以該涂料制成的隔熱夾層玻璃具有較高的可見光透過率和紅外阻隔性, 在滿足室內采光需要的同時, 又使玻璃具有一定的隔熱功能。這種涂料在建筑、汽車玻璃等需要透明隔熱功能的領域具有良好的應用前景。

3  結語

       目前, 國內功能型WPU 涂料的生產及應用與國外相比尚處于起步階段, 產品性能有待進一步提升。同時, 功能型WPU涂料的研究正朝著高性能化和多功能化方向發展, 尤其要強調WPU的分子設計和合成工藝方法。合成WPU時, 采用各種方法引入具有特殊功能的分子鏈節到分子主鏈或側鏈上,使WPU具有特殊功能性; 開發新型高效親水擴鏈劑或利用各種官能團間反應引入專用交聯劑, 提高WPU涂膜耐水、耐溶劑性能以及貯存穩定性; 利用各類納米材料、可再生材料通過化學改性達到分子級復合以大幅提升材料性能, 這些方法都是功能型WPU涂料的未來發展方向。