水性聚氨酯是以水为分散介质(替代有机溶剂)的环境友好型材料, 以其制备的涂料广泛用于轻纺、皮革、木器、塑料、建筑、造纸、汽车和工业维护等领域。但是, 由于水性聚氨酯分子中引入了亲水基团, 在耐水性、耐溶剂性、耐候性、干燥速度等方面表现欠佳, 限制了它的应用范围。

为了满足人们对环境友好型功能性涂料的需求, 通过对水性聚氨酯进行分子结构设计、复合改性、合成工艺和成膜技术改进等方法, 制备出特殊性能的水性涂料以应对市场需求, 如在分子尺度上进行多元醇分子设计, 或将特定分子结构(或者元素) 引入多元醇来改变大分子主链结构, 或在微观尺度上进行纳米复合改性, 或在成膜过程引入特定官能团进行交联改性等多种方法来提升水性聚氨酯涂料的功能。通过功能化设计制备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备的性能, 如阻燃、防腐蚀、防霉杀菌、防涂鸦、透明隔热等特殊性能。

本研究主要介绍水性能聚氨酯涂料的功能化设计、合成技术与应用进展。<?xml:namespace prefix="o">

1  功能型水性聚氨酯的合成技术

       功能型WPU利用其分子结构的可裁剪性, 结合新的合成及交联技术, 使W PU涂料的性能达到甚至优于传统溶剂型聚氨酯涂料。功能型WPU的合成技术与工艺较为复杂, 总体来说大致分为几种工艺方法, 见表1。

2  功能型水性聚氨酯的设计与应用

       WPU 的功能化是将功能型小分子与WPU骨架相连接, 有化学连接和物理连接之分。化学连接是利用接枝反应在WPU骨架上引入活性功能基, 从而改变WPU的物理化学性质, 赋予其新的功能; 物理连接是通过小分子功能化合物与WPU的共混来实现。通过功能化设计的WPU, 可以制备具有阻燃、防腐蚀、防霉杀菌、抗涂鸦、透明隔热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设计与应用

2.1.1  含卤阻燃型水性聚氨酯涂料
        在WPU分子中引入含卤素、N、P等的基团可提高WPU的阻燃性, 还可以通过添加有机硅低聚物对WPU 进行改性,使其热稳定性有较大的提高。
2.1.2  无卤阻燃型水性聚氨酯涂料
       膨胀型阻燃剂具备无卤、低烟、低毒等特性, 是目前应用比较广泛的无卤阻燃涂料。实验证明，水性聚氨酯涂料膨胀型阻燃体系比非膨胀型阻燃体系的阻燃效果要好。

2.2  防腐蚀型水性聚氨酯涂料的设计与应用

        聚氨酯涂料具有优异的耐寒性、耐磨性和防腐蚀性能, 但WPU分子中由于含有亲水基团, 因此其耐水、耐溶剂、防腐蚀等性能欠佳。为此,人们在聚氨酯分子主链或侧链上引入环氧树脂、丙烯酸酯、有机硅等功能性有机物制备成网络状聚合物, 或在WPU 中添加纳米粒子, 以此来改善WPU的防腐蚀等
性能。
2.2.1  环氧树脂改性水性聚氨酯防腐蚀涂料
        用环氧树脂对WPU进行改性可以赋予水性聚氨酯良好的防腐蚀性能。
        此外,添加少量铝粉能提高水性环氧聚氨酯富锌涂料的防腐蚀性能,该涂层机械强度高, 施工方便, 在钢铁重防腐方面具有广阔的应用前景。
2.2.2  环氧-丙烯酸树脂复合改性水性聚氨酯防腐蚀涂料
        丙烯酸树脂具有较好的耐水性、耐候性。用丙烯酸树脂对水性聚氨酯进行改性, 可以使聚氨酯的高耐磨性及良好的机械性能与丙烯酸良好的耐候性及耐水性两者有机地结合起来, 从而使WPU涂膜的性能得到明显改善。环氧和丙烯酸共同改性水性聚氨酯可以综合三者的优点, 获得高性能的WPU防腐涂料。
2.2.3  有机硅改性水性聚氨酯防腐蚀涂料
        有机硅涂料具有优异的耐热性、耐候性、疏水性, 而聚氨酯涂料具有突出的耐磨损性、耐油性和良好的可焊性, 但耐热性、耐水性、耐腐蚀性不够理想。因此, 采用有机硅改性聚氨酯材料, 可以弥补聚氨酯材料的不足。有机硅的加入增强了水性聚氨酯涂料耐腐蚀性、弹性和机械应力, 热稳定性得到较大提高。这种高性能的耐热防腐涂料适用于航天、海洋、汽车等领域。
2.2.4  纳米材料改性水性聚氨酯防腐蚀涂料
        纳米材料具有独特的表面效应、体积效应、量子效应和界面效应等, 将纳米粒子用于改性聚氨酯防腐蚀涂料方面可产生良好的效果。

2.3  防霉杀菌型水性聚氨酯涂料的设计与应用

2.3.1  无机抗菌型水性聚氨酯涂料
        目前, 国内研究抗菌聚氨酯主要是通过添加无机抗菌剂,其中以添加银为主, 并可添加氧化锌和纳米TiO2作为抗菌剂。比如，锐钛型纳米TiO2对海洋细菌的附着有抑制作用, 其光催化氧化性对附着细菌有杀灭作用, 细菌附着数量随锐钛型纳米TiO2含量的增加而减少。
2.3.2  有机抗菌型水性聚氨酯涂料
        带有抗菌基团的有机高分子化合物是将抗菌基团共价结合在不溶性载体上, 不仅可以重复利用, 且抗菌基团集中在载体表面, 杀菌高效快速, 因此高分子抗菌剂正成为当今研究和开发的热点。

2.4  防涂鸦型水性聚氨酯涂料的设计与应用

        涂鸦小广告被称为&ldquo;城市牛皮癣&rdquo;, 会对市容市貌造成不良的影响, 且清除困难。较为有效的方法是涂刷防涂鸦涂料。防涂鸦涂料须具有多功能特性, 包括良好的疏水疏油性、耐沾污性、耐刮性、耐化学品性和易清洁性。决定防涂鸦涂料主要性能的是所采用的树脂, 目前所用大多是溶剂型的聚氨酯、硅树脂、氟树脂等。随着世界各国对VOC排放量的限制, 开发改性的WPU 防涂鸦涂料已经势在必行。提高涂膜的防涂鸦性主要是通过改善涂膜的表面性能使之对污染物难以吸附并容易除去, 以及提高涂膜的致密性使污染物不易渗入这2个基本途径。目前, 主要是利用有机硅和氟树脂来改善WPU涂料的表面性能, 并降低表面吉布斯自由能。

2.5  透明隔热型水性聚氨酯涂料的设计与应用

        玻璃耗能在整个建筑能耗中占的比例较大, 近几年随着纳米技术的飞速发展, 水性纳米透明隔热涂料应运而生。以该涂料制成的隔热夹层玻璃具有较高的可见光透过率和红外阻隔性, 在满足室内采光需要的同时, 又使玻璃具有一定的隔热功能。这种涂料在建筑、汽车玻璃等需要透明隔热功能的领域具有良好的应用前景。

3  结语

       目前, 国内功能型WPU 涂料的生产及应用与国外相比尚处于起步阶段, 产品性能有待进一步提升。同时, 功能型WPU涂料的研究正朝着高性能化和多功能化方向发展, 尤其要强调WPU的分子设计和合成工艺方法。合成WPU时, 采用各种方法引入具有特殊功能的分子链节到分子主链或侧链上,使WPU具有特殊功能性; 开发新型高效亲水扩链剂或利用各种官能团间反应引入专用交联剂, 提高WPU涂膜耐水、耐溶剂性能以及贮存稳定性; 利用各类纳米材料、可再生材料通过化学改性达到分子级复合以大幅提升材料性能, 这些方法都是功能型WPU涂料的未来发展方向。