水性聚氨酯是以水代替有機(jī)溶劑作為分散介質(zhì)的新型聚氨酯體系，也稱水分散聚氨酯、水系聚氨酯或水基聚氨酯。水性聚氨酯以水為溶劑，無(wú)污染、安全******、機(jī)械性能優(yōu)良、相容性好、易于改性等優(yōu)點(diǎn)。
中文名水性聚氨酯外文名Water Polyurethane漆膜顏色各種附著力漆膜不脫落耐水性允許輕微變色無(wú)銹無(wú)泡耐鹽霧允許輕微變色無(wú)銹無(wú)泡耐濕熱允許輕微變色無(wú)銹無(wú)泡耐汽油無(wú)變化耐溶劑無(wú)變化耐熱性允許輕微變色
基本概念
聚氨酯樹脂的水性化已逐步取代溶劑型，成為聚氨酯工業(yè)發(fā)展的重要方向。水性聚氨酯可廣泛應(yīng)用于涂料、
膠粘劑、織物涂層與整理劑、皮革涂飾劑、紙張表面處理劑和纖維表面處理劑。
本項(xiàng)目經(jīng)過(guò)國(guó)家自然科學(xué)基金資助研究及十多年的研發(fā)，已具有成熟的陰離子型自乳化聚氨酯乳液和陽(yáng)離子型自乳化聚氨酯乳液合成改性的技術(shù)，可提供 1噸/天生產(chǎn)能力的水性聚氨酯生產(chǎn)的整套工藝和設(shè)備技術(shù)。本項(xiàng)目可根據(jù)用戶的需求，對(duì)水性聚氨酯進(jìn)行配方設(shè)計(jì)與調(diào)整以滿足實(shí)際使用的要求，并可結(jié)合納米雜化技術(shù)制備高性能的水性聚氨酯。
水性聚氨酯簡(jiǎn)單分類
按粒徑和外觀分可分為聚氨酯水溶液（粒徑<0．001微米，外觀透明）、聚氨酯水分散體（粒徑：0．001-0．1微米，外觀半透明）、聚氨酯乳液（粒徑>0．1微米，外觀白濁）；
依親水性基團(tuán)的電荷性質(zhì)，水性聚氨酯可分為陰離子型水性聚氨酯、陽(yáng)離子型水性聚氨酯和非離子型水性聚氨酯。其中陰離子型***為重要，分為羧酸型和磺酸型兩大類。
依合成單體不同水性聚氨酯可分為
聚醚型、
聚酯型和聚醚、聚酯混合型。依照選用的二異氰酸酯的不同，水性聚氨酯又可分為芳香族和脂肪族，或具體分為TDI型、HDI型等等。
依產(chǎn)品包裝形式水性聚氨酯可分為單組分水性聚氨酯和雙組分水性聚氨酯。
水性聚氨酯整個(gè)合成過(guò)程可分為兩個(gè)階段。******階段為預(yù)逐步聚合，即由
低聚物二醇、擴(kuò)鏈劑、水性單體、二異氰酸酯通過(guò)溶液逐步聚合生成相對(duì)分子質(zhì)量為l000量級(jí)的水性聚氨酯預(yù)聚體；******階段為中和后預(yù)聚體在水中的分散。
水性PU因其具有環(huán)保作用，雖然歷史不長(zhǎng)，但發(fā)展非常迅速。
水性聚氨酯包括聚氨酯水溶液、水分散液和水乳液三種，為二元膠態(tài)體系，聚氨酯（PU）粒子分散于連續(xù)的水相中，也有人稱水性PU或水基PU。
水性聚氨酯的詳細(xì)分類
由于聚氨酯原料和配方的多樣性，水性聚氨酯開發(fā)40年左右的時(shí)間，人們已研究出許多種制備方法和制備配方。水性聚氨酯品種繁多，可以按多種方法分類。
⒈以外觀分
水性聚氨酯可分為聚氨酯乳液、聚氨酯分散液、聚氨酯水溶液。實(shí)際應(yīng)用***多的是聚氨酯乳液及分散液，本書中統(tǒng)稱為水性聚氨酯或聚氨酯乳液。
⒉按使用形式分
水性聚氨酯膠粘劑按使用形式可分為單組分及雙組分兩類。可直接使用，或無(wú)需交聯(lián)劑即可得到所需使用性能的水性聚氨酯稱為單組分水性聚氨酯膠粘劑。若單獨(dú)使用不能獲得所需的性能，必須添加交聯(lián)劑；或者一般單組分水性聚氨酯添加交聯(lián)劑后能提高粘接性能，在這些情況中，水性聚氨酯主劑和交聯(lián)劑二者***組成雙組分體系。
⒊以親水性基團(tuán)的性質(zhì)分
根據(jù)聚氨酯分子側(cè)鏈或主鏈上是否含有離子基團(tuán)，即是否屬離子鍵聚合物（離聚物），水性聚氨酯可分為陰離子型、陽(yáng)離子型、非離子型。含陰、陽(yáng)離子的水性聚氨酯又稱為離聚物型水性聚氨酯。
⑴陰離子型水性聚氨酯又可細(xì)分為磺酸型、羧酸型，以側(cè)鏈含離子基團(tuán)的居多。大多數(shù)水性聚氨酯以含羧基擴(kuò)鏈劑或含磺酸鹽擴(kuò)鏈劑引人羧基離子及磺酸離子。
⑵陽(yáng)離子型水性聚氨酯一般是指主鏈或側(cè)鏈上含有銨離子（一般為季銨離子）或锍離子的水性聚氨酯，絕大多數(shù)情況是季銨陽(yáng)離子。而主鏈含銨離子的水性聚氨酯的制備一般以采用含叔胺基團(tuán)擴(kuò)鏈劑為主，叔胺以及仲胺經(jīng)酸或烷基化試劑的作用，形成親水的銨離子。還可通過(guò)含氨基的聚氨酯與環(huán)氧氯丙烷及酸反應(yīng)而形成銨離子。
⑶非離子型水性聚氨酯，即分子中不含離子基團(tuán)的水性聚氨酯。非離子型水性聚氨酯的制備方法有：①普通聚氨酯預(yù)聚體或聚氨酯有機(jī)溶液在乳化劑存在下進(jìn)行高剪切力強(qiáng)制乳化；②制成分子中含有非離子型親水性鏈段或親水性基團(tuán)，親水性鏈段一般是中低分子量聚氧化乙烯，親水性基團(tuán)一般是羥甲基。⑷混合型 聚氨酯樹脂分子結(jié)構(gòu)中同時(shí)具有離于型及非離子型親水基團(tuán)或鏈段。
⒋以聚氨酯原料分
按主要低聚物多元醇類型可分為聚醚型、聚酯型及聚烯烴型等，分別指采用聚醚多元醇、聚酯多元醇、聚丁二烯二醇等作為低聚物多元醇而制成的水性聚氨酯。還有聚醚-聚酯、聚醚—聚丁二烯等混合 以聚氨酯的異氰酸酯原料分，可分為芳香族異氰酸酯型、脂肪族異氰酸酯型、脂環(huán)族異氰酸酯型。按具體原料還可細(xì)分，如TDI型、HDI型，等等。
⒌按聚氨酯樹脂的整體結(jié)構(gòu)劃分
⑴按原料及結(jié)構(gòu)可分為聚氨酯乳液、乙烯基聚氨酯乳液、多異氰酸酯乳液、封閉型聚氨酯乳液。聚氨酯乳液是指以低聚物多元醇、擴(kuò)鏈劑、二異氰酸酯為原料，以通常方法制備的聚氨酯分散于水所形成的乳液。乙烯基聚氨酯乳液一般指在乙烯基樹脂水溶液或乳液中加入異氰酸酯而形成的乳液，是雙組分體系。多異氰酸酯乳液是指含親水基團(tuán)多異氰酸酯乳化于水，或多異氰酸酯的有機(jī)溶液分散于含乳化劑的水而形成的乳液，也是雙組分即用即配體系，適用期較短。封閉型異氰酸酯乳液是指分子中含有被封閉的異氰酸酯基團(tuán)的聚氨酯乳液，是一種穩(wěn)定的單組分體系。在制備聚氨酯乳液時(shí)司引入封閉異氰酸酯基團(tuán)，也可制成封閉異氰酸酯基團(tuán)含量高的乳液，用于和其他乳液體系共混，起交聯(lián)作用，水分揮發(fā)后加熱交聯(lián)。
⑵聚氨酯乳液還可細(xì)分為聚氨酯乳液和聚氨酯-脲乳液，后者是指由聚氨酯預(yù)聚體在水中分散同時(shí)通過(guò)水或二胺擴(kuò)鏈而形成的乳液，實(shí)質(zhì)上生成了聚氨酯—脲，但由于由預(yù)聚體分散法制備較為普遍，習(xí)慣上稱為聚氨酯乳液者居多。
⑶按分子結(jié)構(gòu)可分為線性分子聚氨酯乳液（熱塑性）和交聯(lián)型聚氨酯乳液（熱固性）。交聯(lián)型又可細(xì)分為內(nèi)交聯(lián)和外交聯(lián)型。內(nèi)交聯(lián)型聚氨酯乳液是在合成時(shí)形成一定程度的支化交聯(lián)分子結(jié)構(gòu)，或引入可熱反應(yīng)性基團(tuán)，它是穩(wěn)定的單組分體系。外交聯(lián)是在乳液中添加能與聚氨酯分子鏈中基團(tuán)起反應(yīng)的交聯(lián)劑，是雙組分體系。
⒍根據(jù)聚氨酯的水性化方法劃分
根據(jù)制備方法有多種分類。舉例如下。
⑴自乳化法和外乳化法
自乳化法又稱內(nèi)乳化法，是指聚氨酯鏈段中含有親水性成分，因而無(wú)需乳化劑即可形成穩(wěn)定乳液的方法。
外乳化法又稱為強(qiáng)制乳化法，若分子鏈中僅含少量不足以自乳化的親水性鏈段或基團(tuán)，或******不含親水性成分，此時(shí)必須添加乳化劑，才能得到乳液。
比較而言，外乳化法制備的乳液中，由于親水性小分子乳化劑的殘留，影響固化后聚氨酯膠膜的性能，而自乳化法消除了此弊病。水性聚氨酯的制備以離子型自乳化法為主。
⑵預(yù)聚體法、丙酮法、熔融分散法
自乳化法制水性聚氨酯***常用的方法有預(yù)聚體分散法和丙酮法。預(yù)聚體法即在預(yù)聚體中導(dǎo)人親水成分，得到一定粘度范圍的預(yù)聚體，在水中乳化同時(shí)進(jìn)行鏈增長(zhǎng)，制備穩(wěn)定的水性聚氨酯（水性聚氨酯-脲）。
丙酮法屬于溶液法，是以有機(jī)溶劑稀釋或溶解聚氨酯（或預(yù)聚體），再進(jìn)行乳化的方法。在溶劑存在下，預(yù)聚體與親水性擴(kuò)鏈劑進(jìn)行擴(kuò)鏈反應(yīng)，生成較高分子量的聚氨酯，反應(yīng)過(guò)程可根據(jù)需要加人溶劑以降低聚氨酯溶液粘度，使之易于攪拌，然后加水進(jìn)行分散，形成乳液，***后蒸去溶劑。溶劑以丙酮、甲乙酮居多，故稱為丙酮法。
丙酮法的優(yōu)點(diǎn)是丙酮、甲乙酮的沸點(diǎn)低、與水互容、易于回收處理，整個(gè)體系均勻，操作方便，由于降低粘度同時(shí)也降低了濃度，有利于在乳化之前制得高分子量的預(yù)聚體或聚氨酯樹脂，所得乳液的膜性能比單純預(yù)聚體法的好。而預(yù)聚體法由于粘度的限制，為了便于剪切分散，預(yù)聚體的分子量不能太高，可能會(huì)影響水性聚氨酯性能，例如粘度高則乳化困難，粒徑大，乳液穩(wěn)定性差；預(yù)聚體分子量小則NCO基團(tuán)含量高，乳化后形成的脲鍵多，膠膜硬，缺乏柔軟性。
丙酮法和預(yù)聚體法的主要區(qū)別是，在丙酮法中，聚氨酯先預(yù)聚成分子量較大的預(yù)聚體，由于分子量大的預(yù)聚體粘度大，必須稀釋降低粘度；而預(yù)聚體法中根據(jù)需要可加或不加少量丙酮等溶劑。這兩者的概念有所交叉，有的乳化方法既屬丙酮法又屬預(yù)聚體法。
熔融分散法又稱熔體分散法、預(yù)聚體分散甲醛擴(kuò)鏈法。預(yù)先合成含叔胺基團(tuán)（或離子基團(tuán)）的端NCO基團(tuán)預(yù)聚體，再與尿素（或氨水）在本體體系反應(yīng)，形成聚氨酯雙縮二脲（或含離子基團(tuán)的端脲基）低聚物，并加入氯代酰胺在高溫熔融狀態(tài)繼續(xù)反應(yīng)，繼續(xù)季胺化。聚氨酯雙縮二脲離聚物具有足夠的親水性，加酸的稀水溶液形成均相溶液，再與甲醛水溶液反應(yīng)進(jìn)行羥甲基化，含羥甲基的聚氨酯嚴(yán)縮二脲能在50—130℃用無(wú)限水稀釋，形成穩(wěn)定乳液。當(dāng)降低體系的pu值時(shí)，能在分散相中進(jìn)行縮聚反應(yīng)，形成高分子量聚氨酯。含離子基團(tuán)的端NCO預(yù)聚體形成端脲基或縮二脲基聚氨酯低聚物后，則直接在熔融狀態(tài)乳化于水，再加甲醛水溶液進(jìn)行羥甲基化及擴(kuò)鏈反應(yīng)。
⑶二元胺直接擴(kuò)鏈與酮亞胺—酮連氮法
在預(yù)聚體分散法中，若采用溶于水的二元伯胺擴(kuò)鏈劑擴(kuò)鏈，由于一NCO與一NH2的反應(yīng)速度快，不易得到微細(xì)而均勻的乳液，可采用酮亞胺或酮連氮法解決此問(wèn)題。酮亞胺-酮連氮法是指預(yù)聚體與被酮保護(hù)了的二元胺（酮亞胺體系）或肼（酮連氮體系）混合后，再用水分散，分散過(guò)程中，酮亞胺、酮連氮以一定的速率水解，釋放出游離的二元胺或肼與分散的聚合物微粒反應(yīng)，得到的水性聚氨酯—脲具有良好的性能。
水性聚氨酯涂料
水性
聚氨酯涂料是以水性聚氨酯樹脂為基料并以水為分散介質(zhì)的一類涂料。通過(guò)交聯(lián)改性的水性聚氨酯涂料具有良好的貯存穩(wěn)定性、涂膜機(jī)械性能、耐水性、耐溶劑性及耐老化性能，而且與傳統(tǒng)的溶劑型聚氨酯涂料的性能相近，是水性聚氨酯涂料的一個(gè)重要發(fā)展方向。品種主要包括熱固型聚氨酯涂料和含封閉異氰酸酯的水性聚氨酯涂料等幾個(gè)品種。
⑴熱固型聚氨酯涂料。交聯(lián)的聚氨酯能增加其耐溶劑性及水解穩(wěn)定性。聚氨酯水分散體在應(yīng)用時(shí)與少量外加交聯(lián)劑混合組成的體系叫熱固型水性聚氨酯涂料，也叫做外交聯(lián)水性聚氨酯涂料。使用的交聯(lián)劑主要有多官能團(tuán)的氮丙啶、氨基樹脂（三聚氯胺樹脂）或?qū)Ｓ玫沫h(huán)氧樹脂等。采用氮丙啶，一般用量為聚氨酯質(zhì)量的3%-5%，***有很好的交聯(lián)薄膜生成；
⑵含封閉異氨酸酯的水性聚氨酯涂料。該涂料的成膜原料由多異氰酸酯組分和含羥基組分兩部分組成。多異氰酸酯被苯酚或其它含單官能團(tuán)的活潑氫原子的化合物所封閉，因此兩部分可以合裝而不反應(yīng)，成為單組分涂料，并具有良好的貯藏穩(wěn)定性。多異氰酸酯組分與苯酚、丙二酸酯、己內(nèi)酰胺等封閉劑反應(yīng)生成氨酯鍵，而氨酯鍵在加熱的情況下又裂解生成異氰酸酯，再與羥基組分反應(yīng)生成聚氨酯。因此封閉型聚氨酯水性涂料的成膜***是利用不同結(jié)構(gòu)的氨酯鍵的熱穩(wěn)定性的差異，以較穩(wěn)定的氨酯鍵來(lái)取代較弱的氨酯鍵。封閉劑的種類很多，但是芳香族異氰酸酯水性聚氨酯涂料主要用苯酚或甲酚。脂肪族水性聚氨酯漆則不用酚類，以免變色，可采用乳酸乙酯、己內(nèi)酰胺、
丙二酸二乙酯、乙酰丙酮、
乙酰乙酸乙酯等；
⑶室溫固化水性聚氨酯涂料。對(duì)于某些熱敏基材和大型制件，不能采用加熱的方式交聯(lián)，必須采用室溫交聯(lián)的水性聚氨酯涂料。美國(guó)空氣產(chǎn)品和化學(xué)公司報(bào)道，通過(guò)與水分散性多異氰酸酯結(jié)合，可以改進(jìn)水性端羥基聚氨酯預(yù)聚物/丙烯酸酯混合物，尤其是羥基丙烯酸酯混合物的性能。此類水性聚氨酯涂料，采用特制的多異氰酸酯交聯(lián)劑，即含（-NCO）端基的異氰酸酯預(yù)聚物，經(jīng)親水處理后分散于各種含羥基聚合物中而形成的分散體，與多種含羥基聚合物水分散體組成能在室溫固化的聚氨酯水性涂料；
⑷光固化水性聚氨酯涂料。光固化水性聚氨酯涂料采用電子束輻射、紫外光輻射的高強(qiáng)度輻射引發(fā)低活性的聚物體系產(chǎn)生交聯(lián)固化，以紫外光固化形式為主。先用不飽和聚酯多元醇制備預(yù)聚物，然后用常規(guī)的方法引進(jìn)粒子基團(tuán)，經(jīng)親水處理后制得在主鏈上帶雙鍵的聚氨酯水分散體，再與
易溶的高活性三丙烯酸烷氧基酯單體、光敏劑等助劑混合得到光固化水性聚氨酯涂料；
⑸第三代水性聚氨酯涂料（PUA）。聚氨酯（PU）乳液和聚丙烯酸（PA）乳液同其溶劑型產(chǎn)品相比，具有價(jià)廉，安全，不燃燒，無(wú)毒，不污染環(huán)境等優(yōu)點(diǎn)。純PA乳液存在耐磨性、耐水性和耐化學(xué)品性差的缺陷，單一的PU乳液也存在一些不足，如穩(wěn)定性、白增稠性和膜的保光性差，固含量高，應(yīng)用范圍不廣等。PU和PA在性質(zhì)上具有互補(bǔ)作用。PUA復(fù)合乳液兼?zhèn)淞硕叩膬?yōu)點(diǎn)，具有耐磨、耐腐蝕和光亮，柔軟有彈性，耐水性和機(jī)械力學(xué)性能好，耐候性佳等特性，因此被譽(yù)為"第三代水性聚氨酯"，成為當(dāng)今涂料的一個(gè)發(fā)展趨勢(shì)。應(yīng)用范圍
水性PU分散體已在通用溶劑型PU所覆蓋的領(lǐng)域大量使用，成功地應(yīng)用于輕紡、皮革加工、涂料、木材加工、建材、造紙和膠粘劑等行業(yè)。
皮革工業(yè)加工中PU乳液涂飾后的皮革，具有光澤度高、手感好、耐磨耗、不易斷裂、彈性好、耐低溫性能和耐撓屈性能優(yōu)良等特點(diǎn)，克服了
丙烯酸類樹脂涂飾劑“熱粘冷脆”的缺陷。
此外，在紡織品涂層整理中有廣泛的應(yīng)用。水性PU對(duì)紡織品的成膜性好、粘接強(qiáng)度高、能賦予織物柔軟、豐滿的手感，改善織物耐磨性、抗皺性、回彈性、通透性和耐熱性等。
水性PU比有機(jī)溶劑型PU應(yīng)用成本低、無(wú)公害、易處理、粘合效果好，在膠粘劑及涂料行業(yè)有很好的發(fā)展前途。PU離子聚合物對(duì)天然和合成橡膠表面均具有很好粘接性，可用于鞋類的制造。
水性PU主要用做家具漆、電泳漆、電沉積涂料、建筑涂料、紙張?zhí)幚硗苛稀⒉ＡЮw維涂料等 除此之外
水性涂料還有一些特殊用途，如用作安全玻璃的中間涂膜，以制成不碎裂的安全玻璃，廣泛用于汽車、飛機(jī)、輪船或航天儀器。
水性分散體主要用作金屬涂料，如陽(yáng)離子型電沉積涂料被廣泛用于汽車底漆，以提高車體的抗腐蝕性能。
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