水性聚氨酯涂料研究现状及发展前景

水性聚氨酯涂料研究现状及发展前景

张敏1黄静2

1.广西华都建筑科技有限公司广西南宁530031；2.广西壮族自治区产品质量检验研究院广西南宁530007

摘要：水性聚氨酯涂料因其突出的耐油、耐盐水、耐磨、抗冲击等性能，是一种具有优异综合性能和良好发展前景的防腐树脂涂料基料，但由于其涂膜的耐水、耐化学性、耐溶剂型较差，使其在金属防腐涂料行业中，并没有获得有效应用。本文通过对水性聚氨酯防腐涂料改性以及研究进展进行了综述，并对今后的发展前景进行了展望。

关键词：水性聚氨酯涂料；改性；防腐性能

随着人们环保意识的日益提高，21世纪的世界涂料行业正走在“水性化”、“无溶剂化”、“绿色化”发展的快车道。近年来在不断改善涂料防腐性能的同时，也迅速向“水性化”方向发展。聚氨酯防腐涂料是最通用的防腐涂料品种，其中水性聚氨酯防腐涂料因其优良的物理性能及优异的耐强酸碱、耐老化、耐盐雾、耐盐水等化学性能，在水性防腐涂料领域得到迅速发展，正逐渐成为水性防腐涂料中的佼佼者。但是由于水性聚氨酯以水为分散剂，含有亲水基团，其涂膜的耐水性能较差，且较溶剂型涂料交联密度低，非常不利于阻挡腐蚀性因子进入基材内部。

一、水性聚氨酯的分类

目前水性聚氨酯涂料主要包括单组份水性聚氨酯涂料、双组份水性聚氨酯涂料。

1.单组份水性聚氨酯涂料是应用最早的水性聚氨酯涂料，具有很高的断裂延伸率（可达800%）和适当的强度（可达20MPa），并能常温干燥，但耐水性和耐溶剂性很差，硬度、表面光泽度和鲜艳性都较低。它是以水性聚氨酯树脂为基料并以水为分散介质的一类涂料。因为高分子量化合物不能形成良好而稳定的水分散体，所以传统的单组份水性聚氨酯涂料通常是较低的分子量或低交联度。通常需要对单组分水性涂料的涂膜进行后处理，以提高涂膜的交联度。因此，单组分水性聚氨酯防腐蚀涂料在防腐蚀领域的应用受到很大的限制。

2.双组分水性聚氨酯涂料是一种新的环境友好型涂料，它主要由含羟基的水性多元醇和含异氰酸酯基的固化剂组成。由于双组分水性聚氨酯涂料以水为介质，成功的将双组份溶剂型涂料的高性能与人们日益提高的环保意识结合起来，成为众多高校学者及涂料生产企业竞相研究的热点。

二、水性聚氨酯涂料研究现状

水性聚氨酯涂料具有优异的黏合性和柔韧性，但因其交联密度低，水性聚氨酯涂料综合性能较溶剂型聚氨酯（PU）仍有一定差距，水性聚氨酯涂料虽符合涂料行业发展环保型涂料的趋势，但不能满足防腐性能的要求，因此需要使用一定方法对水性聚氨酯涂料进行改性，从而提高水性聚氨酯涂料的防腐性能。

1.纳米粒子改性水性聚氨酯涂料。纳米技术的发展，为制备多功能水性聚氨酯涂料提供了捷径，纳米粒子被广泛应用于水性聚氨酯涂料的改性中，纳米粒子的主要防腐机理是通过纳米粒子具有与宏观颗粒所不同的特殊的体积效应、表面(或界面)效应和宏观量子隧道效应等，将其用于制备聚合物基纳米复合材料可以赋予材料一些特殊性能，因此，引起了科学工作者的广泛兴趣。同样，它在改性聚氨酯防腐蚀涂料方面也产生了良好的效果。余贵菊[1]采用原位分散聚合法制备纳米粒子/水性聚氨酯涂料，将改性后的SiO2与水性聚氨酯复合制备复合材料，结果表明，纳米SiO2粒子的添加能够提高水性聚氨酯涂料的粘度、耐酸性、耐水性，并且能改善涂膜硬度喝耐磨性。试验表明TDI:PPG=1:1时，改性的纳米SiO2与水性聚氨酯的复合材料综合性能最好。

2.环氧树脂改性水性聚氨酯涂料。环氧树脂具有良好的物理化学性能，具有高模量、高强度、优良的附着力和低收缩率，对水、中等酸、碱和其他溶剂有良好的耐蚀性和耐化学性，并可直接参与水性聚氨酯的合成反应，提高水性聚氨酯涂膜的综合性能。环氧树脂目前单组分水性聚氨酯防腐蚀涂料主要以环氧树脂为改性剂，环氧树脂作为防腐蚀领域一类重要的高分子材料，将其用于改性水性聚氨酯可以赋予聚氨酯良好的防腐蚀性能。近年来，这方面的研究报道引起科研工作者的积极关注。佟喜国[2]为制备环保且防腐性能优异的涂料，以环氧树脂E-44对脂肪族水性聚氨酯乳液进行改性，并研究了E-12、E-51等不同类型的环氧树脂对聚氨酯性能的影响，以及不同R值对聚氨酯性能的影响。研究发现使用E-44对水性聚氨酯乳液进行改性的效果最佳，当R值为1.8左右时聚氨酯涂膜效果最佳。并得出结论：使用环氧树脂对水性聚氨酯进行改性，提高了涂膜的耐水性、硬度，弥补了水性聚氨酯涂料在应用中的不足，所制备的水性涂料性能更加完善；王春艳[3]为制得环保且防腐蚀性能优异的富锌涂料，引入环氧树脂来改性水性聚氨酯，以水性环氧聚氨酯为基料制备富锌涂料，通过对其腐蚀电位和电化学阻抗谱(EIS)的测试分析，研究了添加不同含量锌粉的富锌涂层在3%NaCl溶液中的腐蚀电化学行为，并与添加少量铝粉的富锌涂料及传统富锌涂料进行了对比。结果表明，水性环氧聚氨酯富锌涂料的防腐蚀能力比传统环氧富锌底漆强；锌粉的添加量对涂层的防腐蚀效果有一定的影响，添加少量铝粉能提高涂层的防腐蚀性能；水性环氧聚氨酯富锌涂料防腐蚀性能优良，涂层机械强度高，环境污染小，施工方便，在钢铁重防腐方面具有广阔的应用前景。

3.丙烯酸改性水性聚氨酯涂料。丙烯酸乳液具有很好的耐候性、耐水性，但其不耐溶剂且硬度大，用丙烯酸树脂对水性聚氨酯涂料进行改性，可以使水性聚氨酯涂膜高耐磨性和良好的机械性能与丙烯酸良好的耐水性及耐候性完美结合，从而使水性聚氨酯涂料的综合性能得到明显的改善，目前常用的改性方法有化学改性和物理改性两种。陈梁[4]等通过综述了各类水性聚氨酯—聚丙烯酸酯复合乳液的制备方法及性能特点。使用乳液共聚法可有效改善改性水性聚氨酯涂料的耐水性从而提高其防腐性能。王士财[5]等通过对丙烯酸乙酯（EA）改性水性聚氨酯（WPU）乳液合成工艺的考察，研制出环境友好型EA改性WPU涂料，并对其性能进行了研究，研究表明EA的添加量为总固体质量分数的30%～40%时，改性WPU乳液及其涂膜性能最优，能明显提高WPU的硬度、拉伸强度和模量，并显著改善涂膜的耐水性。

4.植物油改性水性聚氨酯涂料。由于植物油来源广、品种多、可选择性强、可降解、可再生等优点，加之植物油组份中长链非极性脂肪酸链使涂膜具有良好的疏水作用，同时赋予涂层良好的柔韧性、抗弯曲性和耐寒性，脂肪中的不饱和碳碳双键可以通过氧化交联，提高水性聚氨酯涂料的综合性能，用其改性水性聚氨酯涂料的研究越来越受重视。作为内交联改性剂的桐油酸酐酯多元醇，是从桐油中提取加工而成的，它既保留了桐油结构中的共轭双键，同时又新添了羟基结构，其与异氰酸酯反应形成带有支链的聚氨酯链段，既起到了内交联剂的作用，同时共轭双键又可以氧化交联成膜，从而提高水性聚氨酯防腐涂料涂膜的耐水、耐酸碱和奶延误等性能。贺玉平[6]等通过桐油酸酐多元醇改性水性聚氨酯乳液，制备改性水性聚氨酯防腐涂料，并对涂料配方进行了优化，使涂膜防腐性能明显提高。

5.有机硅改性水性聚氨酯涂料。有机硅聚合物分子结构中含有元素硅，是属于半有机、半无机结构的高分子化合物，它们兼具有机化合物和无机化合物的特性，具有耐低温、耐气候老化、电绝缘、耐臭氧、厌水、难燃、生理惰性等许多优异性能。有机硅聚合物最显著的特点就是耐氧化性和低表面能，耐氧化性就是耐候性好，而低表面能会产生优良的疏水性。有机硅改性水性聚氨酯可以弥补水性聚氨酯耐水解性稍差的缺陷，它在涂膜中向表面富集，赋予涂膜优良的耐水性、耐候性、耐酸碱性、耐高低温性和良好的机械性能，因而得到了广泛的研究与应用。随着新材料的深入研究，有机硅改性聚氨酯材料的性能将更加优异，以满足不同行业和领域的需求。

结语

各国对环保事业的重视度越来越高，传统的聚氨酯涂料中的有机溶剂对人类和环境造成危害，使聚氨酯涂料“绿色化”已变得刻不容缓。这意味着人们对于水性聚氨酯防腐涂料的性能和需求量都会有所提升，经过改性的水性聚氨酯涂料固然能够满足人们在某一方面的需求，但是还存在着缺陷。因而，开发各种新型添加剂如纳米材料、可再生植物油等制备新型水性聚氨酯涂料，发展多种形式的改性技术，都有助于实现水性聚氨酯涂料向高性能和多功能化方向发展，并为提高水性聚氨酯涂料在工业涂料中的市场占有率提供了强有力的支撑。

参考文献

[1]余贵菊.改性纳米粒子/水性聚氨酯复合材料的制备与性能研究[D].华中农业大学,2009.

[2]佟喜国.环氧改性水性聚氨酯防腐涂料的制备与性能研究[D].长春理工大学,2011.

[3]王春艳.环氧改性水性丙烯酸树脂、水性聚氨酯的合成及性能研究[D].华中师范大学,2006.

[4]陈梁、吕满庚.丙烯酸改性水性聚氨酯研究进展[J].涂料工业，2005.

[5]王士财，李宝霞等.丙烯酸乙酯改性水性聚氨酯涂料的研制[J].聚氨酯工业,2007.

[6]贺玉平，彭时贵。改性水性聚氨酯防腐涂料的研制[J].材料保护,2015.