水性聚氨酯防水涂料
水性聚氨酯簡介。
水性聚氨酯是一種水性涂料，包括水溶性涂料、水乳性涂料和水分散性涂料的原材料。其最突出的優點是用水代替大部分或全部有機溶劑，成膜材料以不同的方式均勻分散或溶解在水中。干燥或固化后，漆膜具有與溶劑涂料相當的耐水性和物理性能。工業水性涂料中使用的粘結成分是水性環氧樹脂、丙烯酸酯、聚氨酯等。總體趨勢是水性醇酸和環氧比下降，丙烯酸和聚氨酯逐漸增加。制造水性涂料有兩種方法:
1.在有水的條件下合成聚合物；
2.合成聚合物在本體或溶劑中分散在水中。
水性聚氨酯根據是否添加乳化劑和水性聚氨酯可分為封口型、強制乳化型和自乳化型；根據其乳化基團的性質，可分為陽離子型、陰離子型和非離子型。
自從發成功以來，自水性聚氨酯已有多種制備方法。一般采用適當的二元醇或多元醇與過量的二元或多元異氰酸酯反應，制備出端基為-NCO基團的中等分子量預聚物；二是擴鏈反應，以增加分子量。三是在剪切力的作用下在水中分散，聚氨酯預聚體在適當的外乳化劑和強剪切力的作用下可在水中分散或乳化。早期制備的水性聚氨酯基本采用外乳化法。60年代以后開發的一種不用乳化劑制備穩定性能的聚氨酯乳液的新方法——自乳化法[1]，即在制備聚氨酯的過程中引入親水成分，不需要添加乳化劑。
自乳法又稱內乳法，是目前制備水性聚氨酯最常用的方法。自乳法是一種水性聚氨酯乳液，不需要添加乳化劑，可以在疏水聚氨酯中引入親水基團，使其自發乳化，制備成相對穩定、成膜性能好的水性聚氨酯乳液。制備的關鍵是在聚氨酯骨架中引入親水基團，親水基團由親水單體和端基為NCO的預聚體反應引入。它由成鹽基團和成鹽試劑組成。成鹽基團是指聚氨酯骨架(主鏈、側鏈和端基)上的連接部分。成鹽劑是基團的中和劑，即與成鹽基團形成離子對的化合物，而含離子鍵的聚合物稱為離子體。
親水基團可以通過與水的作用形成氫鍵，或者直接在水中產生水合離子。親水基團越多，乳液越穩定，但會導致涂層耐水性降低。這種水性聚氨酯也叫自乳化水性聚氨酯。根據不同的制備工藝，自乳化水性聚氨酯常用的制備方法如下:
一、丙酮法[2]
本文采用的水性聚氨酯制備方法均為該方法，又稱低沸點溶劑法，通過二異氰酸酯和二元醇在丙酮中反應，降低粘度，增加分散性，然后用親水單體擴展鏈條，然后在高速攪拌下通過強力剪切分散作用分散到水中，即得到水性聚氨酯。乳化后減壓蒸餾回收溶劑可制成無溶劑水性聚氨酯分散體。由于丙酮對聚氨酯的合成反應是惰性的，與水混合，沸點很低，所以丙酮被稱為丙酮法。該方法的合成反應在均相系統中進行，易于控制，適用性廣，結構和粒子大小可變范圍大(0.03~10um)，易于操作，重復性好，是目前生產水性聚氨酯的主要方法，但回收溶劑困難，延長了工藝流程，增加了固含量，使其發展受到極大限制，有可能被其他方法取代。
2.預聚體法[3]
該方法首先制備具有親水基團和-NCO的預聚體，先乳化再擴展鏈條，得到離子型水性聚氨酯涂料。該方法技術比較簡單，無需大量使用有機溶劑，得到含有支鏈的聚氨酯乳液，因此成為目前研究比較集中的方法之一。采用該方法得到的含有-NCO端基的預聚物，相對分子質量不太高，粘度小，不添加或添加少量溶劑，用親水性單體擴展其部分鏈條，高速攪拌分散在水中。該方法的分散過程必須在低溫下進行，降低-NCO與水的反應活性，然后使用反應活性高的二胺和三胺在水中擴展鏈條，產生高分子量的水性聚氨酯-聚氨酯。這種方法中預聚體的粘度控制非常重要，否則分散會非常困難，適合低粘度預聚體，即由脂肪族和脂環族多異氰酸酯制備的預聚體。由于這兩種多異氰酸酯制備的預聚體在水中使用，避免了水性較小的連續生產。
第三，水性聚氨酯的發展趨勢。
與溶劑型聚氨酯相比，水性聚氨酯不僅具有普通聚氨酯的高強度、耐摩擦性和柔韌性，而且具有以下優點:
1.以水為分散介質，對環境污染小，不燃燒，使用安全；
2.產品性能的可調性更大。水性聚氨酯乳液的粘度與其分子量和分子結構沒有直接關系，而是直接關系到系統的水合體積。因此，在實際合成中，聚氨酯的分子量和交聯度可以根據需要進行調整，而不影響乳液的粘度。
3.乳液改性方便，可以通過不同的方法改性，得到各種性能的聚合物材料。
㈡目前水性聚氨酯還存在一些明顯的不足：
1.固體含量相對較低，試圖提高固體含量是目前研究的主要內容之一。
2.由于性能的限制，水性聚氨酯的應用領域不夠廣泛，需要擴大其應用。
3.目前水性聚氨酯的應用比較全面，但其理論研究，尤其是乳液研究和成膜機理研究嚴重不足。
(3)綜合國內外水性聚氨酯的研究，水性聚氨酯的研究將呈現以下趨勢:
1.增加固體含量；
2.開發雙組分水性聚氨酯；
3.功能水性聚氨酯的合成；
總而言之，水性聚氨酯正朝著高性能、低成本的方向發展。
水性聚氨酯是一種水性涂料，包括水溶性涂料、水乳性涂料和水分散性涂料的原材料。其最突出的優點是用水代替大部分或全部有機溶劑，成膜材料以不同的方式均勻分散或溶解在水中。干燥或固化后，漆膜具有與溶劑涂料相當的耐水性和物理性能。工業水性涂料中使用的粘結成分是水性環氧樹脂、丙烯酸酯、聚氨酯等。總體趨勢是水性醇酸和環氧比下降，丙烯酸和聚氨酯逐漸增加。制造水性涂料有兩種方法:
1.在有水的條件下合成聚合物；
2.合成聚合物在本體或溶劑中分散在水中。
聚合物在水中溶解分散的關鍵在于分子鏈上有一定數量的極性親水基。比如羧基、黃酸基、氨基、羥基、酰氨基等。，這些基的含量在很大程度上決定了聚合物在水中的形狀。此外，通過調節PH值，聚合物的酸性或堿性基可以得到不同程度的離子化，從而控制聚合物的親水性和系統粘度。
水性聚氨酯根據是否添加乳化劑和水性聚氨酯可分為封口型、強制乳化型和自乳化型；根據其乳化基團的性質，可分為陽離子型、陰離子型和非離子型。
自從發成功以來，自水性聚氨酯已有多種制備方法。一般采用適當的二元醇或多元醇與過量的二元或多元異氰酸酯反應，制備出端基為-NCO基團的中等分子量預聚物；二是擴鏈反應，以增加分子量。三是在剪切力的作用下在水中分散，聚氨酯預聚體在適當的外乳化劑和強剪切力的作用下可在水中分散或乳化。早期制備的水性聚氨酯基本采用外乳化法。60年代以后開發的一種不用乳化劑制備穩定性能的聚氨酯乳液的新方法——自乳化法[1]，即在制備聚氨酯的過程中引入親水成分，不需要添加乳化劑。
自乳法又稱內乳法，是目前制備水性聚氨酯最常用的方法。自乳法是一種水性聚氨酯乳液，不需要添加乳化劑，可以在疏水聚氨酯中引入親水基團，使其自發乳化，制備成相對穩定、成膜性能好的水性聚氨酯乳液。制備的關鍵是在聚氨酯骨架中引入親水基團，親水基團由親水單體和端基為NCO的預聚體反應引入。它由成鹽基團和成鹽試劑組成。成鹽基團是指聚氨酯骨架(主鏈、側鏈和端基)上的連接部分。成鹽劑是基團的中和劑，即與成鹽基團形成離子對的化合物，而含離子鍵的聚合物稱為離子體。
親水基團可以通過與水的作用形成氫鍵，或者直接在水中產生水合離子。親水基團越多，乳液越穩定，但會導致涂層耐水性降低。這種水性聚氨酯也叫自乳化水性聚氨酯。根據不同的制備工藝，自乳化水性聚氨酯常用的制備方法如下:
一、丙酮法[2]
本文采用的水性聚氨酯制備方法均為該方法，又稱低沸點溶劑法，通過二異氰酸酯和二元醇在丙酮中反應，降低粘度，增加分散性，然后用親水單體擴展鏈條，然后在高速攪拌下通過強力剪切分散作用分散到水中，即得到水性聚氨酯。乳化后減壓蒸餾回收溶劑可制成無溶劑水性聚氨酯分散體。由于丙酮對聚氨酯的合成反應是惰性的，與水混合，沸點很低，所以丙酮被稱為丙酮法。該方法的合成反應在均相系統中進行，易于控制，適用性廣，結構和粒子大小可變范圍大(0.03~10um)，易于操作，重復性好，是目前生產水性聚氨酯的主要方法，但回收溶劑困難，延長了工藝流程，增加了固含量，使其發展受到極大限制，有可能被其他方法取代。
2.預聚體法[3]
該方法首先制備具有親水基團和-NCO的預聚體，先乳化再擴展鏈條，得到離子型水性聚氨酯涂料。該方法技術比較簡單，無需大量使用有機溶劑，得到含有支鏈的聚氨酯乳液，因此成為目前研究比較集中的方法之一。采用該方法得到的含有-NCO端基的預聚物，相對分子質量不太高，粘度小，不添加或添加少量溶劑，用親水性單體擴展其部分鏈條，高速攪拌分散在水中。該方法的分散過程必須在低溫下進行，降低-NCO與水的反應活性，然后使用反應活性高的二胺和三胺在水中擴展鏈條，產生高分子量的水性聚氨酯-聚氨酯。這種方法中預聚體的粘度控制非常重要，否則分散會非常困難，適合低粘度預聚體，即由脂肪族和脂環族多異氰酸酯制備的預聚體。由于這兩種多異氰酸酯制備的預聚體在水中使用，避免了水性較小的連續生產。
第三，水性聚氨酯的發展趨勢。
與溶劑型聚氨酯相比，水性聚氨酯不僅具有普通聚氨酯的高強度、耐摩擦性和柔韌性，而且具有以下優點:
1.以水為分散介質，對環境污染小，不燃燒，使用安全；
2.產品性能的可調性更大。水性聚氨酯乳液的粘度與其分子量和分子結構沒有直接關系，而是直接關系到系統的水合體積。因此，在實際合成中，聚氨酯的分子量和交聯度可以根據需要進行調整，而不影響乳液的粘度。
3.乳液改性方便，可以通過不同的方法改性，得到各種性能的聚合物材料。
㈡目前水性聚氨酯還存在一些明顯的不足：
1.固體含量相對較低，試圖提高固體含量是目前研究的主要內容之一。
2.由于性能的限制，水性聚氨酯的應用領域不夠廣泛，需要擴大其應用。
3.目前水性聚氨酯的應用比較全面，但其理論研究，尤其是乳液研究和成膜機理研究嚴重不足。
(3)綜合國內外水性聚氨酯的研究，水性聚氨酯的研究將呈現以下趨勢:
1.增加固體含量；
2.開發雙組分水性聚氨酯；
3.功能水性聚氨酯的合成；
總而言之，水性聚氨酯正朝著高性能、低成本的方向發展。
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