环氧改性双组分水性聚氨酯的制备(3)

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1.2 水性聚氨酯

1.2.1 水性聚氨酯的优点

众所周知，有机溶剂大多含有较大的毒性，这也导致早期的溶剂型聚氨酯VOC（挥发性有机化合物）排放量严重超标。这些问题在聚氨酯发展的早期没有得到足够的重视，但随着近年生活水平的提高，人们对环境水平的要求也越来越高，环保法对VOC的排放要求有了明确的规定。所以水性聚氨酯也逐步进入了人们的视线。水性聚氨酯在传统聚氨酯反应中加入了亲水扩链剂与成盐剂（本次实验主要使用三乙胺）和羧基等基团反应形成聚合物盐，而由于亲水性链段的存在，使得材料可以在极性溶剂中被处理为常规的分散体。水性聚氨酯以水作为分散剂，是分散于水溶液中聚氨酯的胶体形态，相比于溶剂型聚氨酯有着很多的优点[3]，同时继承了水性乳液的优点，VOC挥发含量较溶剂型显著降低，具有无毒，节能，无污染等优点[4-5]。

1.2.2 水性聚氨酯的发展

在上世纪四十年代，德国化学家P.Schlack最早制备了水性聚氨酯，他使用急速搅拌的方法将二异氰酸酯分散于水中，并添加了二元胺扩链。而在1953年美国Du Pont公司使用了由-NCO-封端的聚氨酯，乳化后在高强度的剪切力下制备出了水性聚氨酯。但由于技术所限，无法做出符合要求的粒径，导致粒径过大，成膜效果不好，并没有得到大规模应用。直到1972年才由拜尔公司大批量生产，并应用于皮革涂料领域。国内水性聚氨酯的研究由于起步晚，尚处于初级阶段，目前仍存在着诸多问题，有着极大地发展空间，需要科研工作者们不懈的努力。

1.3 双组分水性聚氨酯

单组分聚氨酯由于亲水基团的影响导致水解的稳定性与耐水性不佳，而其交联度低机械性能达不到理想要求，所以引入不同的反应物进行交联，以期提高材料的性能，可以得到更好的使用效果。直到上世纪九十年代，Jacobs的发现首开双组分水性聚氨酯（2K-WPU ）研究的先河，他发现了一种异氰酸酯固化剂，该固化剂可以较好的分散于水中，作为反应中的第二组分加入反应。

双组分水性聚氨酯使用外交联法，利用交联弥补由于相对分子量上的限制导致的性能缺陷，可以使双组分产品的性能与溶剂型产品更接近，又避免了后者VOC挥发对环境的影响，在很多方面应用中前者可以替代后者。2K-WPU 主要由两部分组成，含有-OH的多元醇水分散体（乙组分）和含-NCO的多异氰酸酯固化剂（甲组分）。固化剂的选择对于2K-WPU的性能有着重要影响，固化剂要有良好的水溶性以使其可以更好的分散在水中，同时要保证适宜的黏度与反应活性，以方便产品与其他树脂混合。为避免异氰酸酯基团毒性的危害，一般在使用前对异氰酸酯进行预聚，增强其亲水性，降低挥发性。本次实验产用Bayer公司生产的三聚体HDI。

1.4 水性聚氨酯的改性

为了使聚氨酯在水中更好的分散，水性聚氨酯加入了一些其余官能团，导致自身结构发生改变，对其性能有一定影响，存在着诸如耐候性、耐溶剂性、耐磨性差、初始黏度表现差等不足。针对这些问题，目前的解决方法是对PU进行改性，将带有羟基的不同的基团加入PU，与异氰酸酯基团生成氨基甲酸脂键，使PU兼具两种基团的性质。目前，常见的改性方法有以下几种。

1.4.1 共混改性

共混改性是一种物理改性的方法，操作简便，效果也不赖。一般是指把不同比例的水性聚氨酯同树脂、纳米粒子等材料机械地混合在一起，使得新加入的优良性质的材料同水性聚氨酯材料形成优势互补的形势，来提升聚合物的硬度、耐水性与粘合性等。比如将丙烯酸树脂加入WPU体系进行物理改性，机械混合之后得到的改性乳液在硬度、耐水性、光泽度等方面均有一定程度的提升。