水性聚氨酯涂料的制备

背景及概述^[1]

相对于溶剂型聚氨酯中含有可挥发性有机物，水性聚氨酯具有的无毒、不易燃烧、无污染、节能、安全可靠及不易擦伤被涂饰表面等优点，成功地应用于皮革涂饰、纸张涂层、钢材防锈、纤维处理、 塑料及木材涂装、 玻璃涂布等领域。近年来，由于溶剂价格的高涨和人们环保意识的增强，使水性聚氨酯发展非常迅速，同时也使水性聚氨酯取代溶剂型聚氨酯成为一个重要的发展方向。国内水性聚氨酯研究起步较晚，发展也相对缓慢。研究表明，在聚氨酯主链或侧链上引入带电荷的离子集团制成聚氨酯离子聚合体，在水中自发乳化形成水性聚氨酯，可以获得优良的粘接性能和机械性能。

改性^[2]

水性涂料的主要使用的介质是水，水性涂料在实际的应用中不仅消耗资源很少， 而且是一种具有一定挥发性有机化合物，没有毒性，对环境也不会产生污染，水性聚氨酯涂料具备了普通聚氨酯涂料的固相含量高、抗腐蚀性能强，附着力强等优点，同时对还具备了普通水性涂料有机化合物含量当地等特点，对环境的危害比较小。随着现代社会的进步，人们对环保的要求越来越高，国家也对各行各业中挥发性物质中有机物含量进行了严格的限制， 这样促使水性聚氨酯涂料逐渐成为了现代涂料领域发展的焦点。

1 丙烯酸酯改性

与聚氨酯材料相比较聚丙烯酸酯不仅具有更强耐水选性、耐溶剂性能以及良好的保光性。但是聚丙烯酸脂在涂料涂膜的弹性、强度以及粘结性能等几个方面的具体变现要比聚氨酯差，因此，如果将两种材料进行有机结合必定能达到更好的互补作用，将这两种材料作为基本原料能够合成的改性水性聚氨酯材料的能够同时具备两种材料得优点，使得改性水性聚氨酯材料的综合性能得到了极大的提升。

2 环氧树脂改性

环氧树脂材料在力学性能、粘结力、稳定性等几个方面都具有良好的表现， 而且环氧树脂中含有环氧基其活泼性比较好，能够直接与水性聚氨酯进行反应。通常情况下，在进行环氧树脂改性的时候都是让环氧树脂中羟基与水性聚氨酯中的异氰酸酯基进行反应从而使得水性聚氨酯与环氧树脂的网络之间产生一定形式化学链接，并产生互穿网络结构，这样水性聚氨酯的综合机械性能、耐溶剂性能、耐水性以及耐热性能等都能得到有效的提升，环氧树脂的改性方法主要有共聚法以及机械共混法等两种方法。

制备^[1]

曲荣昌等人报道了以 PTMG-1000 和 TDI、HDI 为原料制备聚氨酯预聚体，采用阴离子乳化法，制备乳液稳定性能优良的水性聚氨酯。

实验步骤：反应装置除水: 将三口烧瓶、 冷凝管、 烧杯、 量筒、 搅拌器套管及滴管等实验器材洗净用蒸馏水冲洗两遍放于鼓风干燥箱内除水，待干燥后放于干燥器内备用。单体预处理: 将 PTMG-1000 放于真空干燥器中 120℃ 干燥 90min 除水。

(1) PTMG-1000 与 TDI 反应: 把油浴温度设定为 80℃ ，通氮气～ 0.15L/min，约 15min，打开冷凝水， 调整转速到 300r /min左右，依据配方用量，用电子天平称量 PTMG-1000 与干燥烧杯中，用温度计引流入三口烧瓶中。量筒取 8mL 丙酮刷洗烧杯后再倒入烧瓶中。待温度达到 80℃ 左右称取 TDI 加入烧瓶中， 用8mL 丙酮冲洗烧杯，根据配方用滴管取催化剂辛酸亚锡缓慢滴加至烧瓶中。

用量为 3 至 9 滴，记录时间， 反应 2h， 开始时每隔一分钟记录一次温度， 直至温度降至最低点并维持，2h 后把反应温度控制为 60℃ ，依据配方取相应的 DMPA 和 N，N-二甲基甲酰胺。倒入同一烧杯中，在通风橱中用电加热套加热直到DMPA 溶解，把 DMPA 和 N，N-二甲基甲酰胺的溶液加至烧瓶中，反应 2h，反应器内有气泡产生，温度开始下降，加入 1、 4-丁二醇，把反应温度控制为 30℃。依据配方取相应的三乙胺加入烧瓶中，反应 5min，根据配方加入丙酮，搅拌 15min。

(2) PTMG-1000 与 HDI 反应: 把油浴温度设定为80℃，通氮气～ 0.15L/min，约 15min，打开冷凝水，调整转速到 300r /min左右，依据配方用量，用电子天平称量 PTMG-1000 与干燥烧杯中。用温度计引流入三口烧瓶中。量筒取 8mL 丙酮刷洗烧杯后再倒入烧瓶中。待温度达到 80℃ 左右称取 HDI 加入烧瓶中，用8mL 丙酮冲洗烧杯，根据配方用滴管取催化剂辛酸亚锡缓慢滴加至烧瓶中。

用量为 3 至 9 滴。记录时间，反应 2h 开始时每隔 1min 记录一次温度，直至温度降至最低点并维持， 两 h 后把反应温度控制为 60℃ ，依据配方取相应的 DMPA 和 N，N-二甲基甲酰胺。倒入同一烧杯中，在通风橱中用电加热套加热直到 DMPA 溶解，把 DMPA 和 N，N-二甲基甲酰胺的溶液加至烧瓶中，反应 2h，把反应温度控制为 30℃。依据配方取相应的三乙胺加入烧瓶中。反应 15min。

聚氨酯预聚物的分散：取 A g 的预聚物于分散桶中，依据公式计算出分散所需的蒸馏水用量。安装好分散桨，调整转速到 1200r /min。在高强度剪切力作用下，先加入 20% 蒸馏水，待预聚物开始出现白色乳化状态时，调整水泵速度，用水泵滴加剩下的 80% 的蒸馏水。得到水性聚氨酯乳液。

主要参考资料

[1]曲荣昌,王龙闯,魏亿萍,杜德清,杨波,赵庆胜,尹进华.水性聚氨酯涂料的制备及性能研究[J].山东化工,2019,48(14):73-77+86.

[2]渠文学.水性聚氨酯涂料改性研究分析[J].化学工程与装备,2019(04):15-16.