水性聚氨酯防水涂料
水性聚氨酯简介。
水性聚氨酯是一种水性涂料，包括水溶性涂料、水乳性涂料和水分散性涂料的原材料。其最突出的优点是用水代替大部分或全部有机溶剂，成膜材料以不同的方式均匀分散或溶解在水中。干燥或固化后，漆膜具有与溶剂涂料相当的耐水性和物理性能。工业水性涂料中使用的粘结成分是水性环氧树脂、丙烯酸酯、聚氨酯等。总体趋势是水性醇酸和环氧比下降，丙烯酸和聚氨酯逐渐增加。制造水性涂料有两种方法:
1.在有水的条件下合成聚合物；
2.合成聚合物在本体或溶剂中分散在水中。
水性聚氨酯根据是否添加乳化剂和水性聚氨酯可分为封口型、强制乳化型和自乳化型；根据其乳化基团的性质，可分为阳离子型、阴离子型和非离子型。
自从发成功以来，自水性聚氨酯已有多种制备方法。一般采用适当的二元醇或多元醇与过量的二元或多元异氰酸酯反应，制备出端基为-NCO基团的中等分子量预聚物；二是扩链反应，以增加分子量。三是在剪切力的作用下在水中分散，聚氨酯预聚体在适当的外乳化剂和强剪切力的作用下可在水中分散或乳化。早期制备的水性聚氨酯基本采用外乳化法。60年代以后开发的一种不用乳化剂制备稳定性能的聚氨酯乳液的新方法——自乳化法[1]，即在制备聚氨酯的过程中引入亲水成分，不需要添加乳化剂。
自乳法又称内乳法，是目前制备水性聚氨酯最常用的方法。自乳法是一种水性聚氨酯乳液，不需要添加乳化剂，可以在疏水聚氨酯中引入亲水基团，使其自发乳化，制备成相对稳定、成膜性能好的水性聚氨酯乳液。制备的关键是在聚氨酯骨架中引入亲水基团，亲水基团由亲水单体和端基为NCO的预聚体反应引入。它由成盐基团和成盐试剂组成。成盐基团是指聚氨酯骨架(主链、侧链和端基)上的连接部分。成盐剂是基团的中和剂，即与成盐基团形成离子对的化合物，而含离子键的聚合物称为离子体。
亲水基团可以通过与水的作用形成氢键，或者直接在水中产生水合离子。亲水基团越多，乳液越稳定，但会导致涂层耐水性降低。这种水性聚氨酯也叫自乳化水性聚氨酯。根据不同的制备工艺，自乳化水性聚氨酯常用的制备方法如下:
一、丙酮法[2]
本文采用的水性聚氨酯制备方法均为该方法，又称低沸点溶剂法，通过二异氰酸酯和二元醇在丙酮中反应，降低粘度，增加分散性，然后用亲水单体扩展链条，然后在高速搅拌下通过强力剪切分散作用分散到水中，即得到水性聚氨酯。乳化后减压蒸馏回收溶剂可制成无溶剂水性聚氨酯分散体。由于丙酮对聚氨酯的合成反应是惰性的，与水混合，沸点很低，所以丙酮被称为丙酮法。该方法的合成反应在均相系统中进行，易于控制，适用性广，结构和粒子大小可变范围大(0.03~10um)，易于操作，重复性好，是目前生产水性聚氨酯的主要方法，但回收溶剂困难，延长了工艺流程，增加了固含量，使其发展受到极大限制，有可能被其他方法取代。
2.预聚体法[3]
该方法首先制备具有亲水基团和-NCO的预聚体，先乳化再扩展链条，得到离子型水性聚氨酯涂料。该方法技术比较简单，无需大量使用有机溶剂，得到含有支链的聚氨酯乳液，因此成为目前研究比较集中的方法之一。采用该方法得到的含有-NCO端基的预聚物，相对分子质量不太高，粘度小，不添加或添加少量溶剂，用亲水性单体扩展其部分链条，高速搅拌分散在水中。该方法的分散过程必须在低温下进行，降低-NCO与水的反应活性，然后使用反应活性高的二胺和三胺在水中扩展链条，产生高分子量的水性聚氨酯-聚氨酯。这种方法中预聚体的粘度控制非常重要，否则分散会非常困难，适合低粘度预聚体，即由脂肪族和脂环族多异氰酸酯制备的预聚体。由于这两种多异氰酸酯制备的预聚体在水中使用，避免了水性较小的连续生产。
第三，水性聚氨酯的发展趋势。
与溶剂型聚氨酯相比，水性聚氨酯不仅具有普通聚氨酯的高强度、耐摩擦性和柔韧性，而且具有以下优点:
1.以水为分散介质，对环境污染小，不燃烧，使用安全；
2.产品性能的可调性更大。水性聚氨酯乳液的粘度与其分子量和分子结构没有直接关系，而是直接关系到系统的水合体积。因此，在实际合成中，聚氨酯的分子量和交联度可以根据需要进行调整，而不影响乳液的粘度。
3.乳液改性方便，可以通过不同的方法改性，得到各种性能的聚合物材料。
㈡目前水性聚氨酯还存在一些明显的不足：
1.固体含量相对较低，试图提高固体含量是目前研究的主要内容之一。
2.由于性能的限制，水性聚氨酯的应用领域不够广泛，需要扩大其应用。
3.目前水性聚氨酯的应用比较全面，但其理论研究，尤其是乳液研究和成膜机理研究严重不足。
(3)综合国内外水性聚氨酯的研究，水性聚氨酯的研究将呈现以下趋势:
1.增加固体含量；
2.开发双组分水性聚氨酯；
3.功能水性聚氨酯的合成；
总而言之，水性聚氨酯正朝着高性能、低成本的方向发展。
水性聚氨酯是一种水性涂料，包括水溶性涂料、水乳性涂料和水分散性涂料的原材料。其最突出的优点是用水代替大部分或全部有机溶剂，成膜材料以不同的方式均匀分散或溶解在水中。干燥或固化后，漆膜具有与溶剂涂料相当的耐水性和物理性能。工业水性涂料中使用的粘结成分是水性环氧树脂、丙烯酸酯、聚氨酯等。总体趋势是水性醇酸和环氧比下降，丙烯酸和聚氨酯逐渐增加。制造水性涂料有两种方法:
1.在有水的条件下合成聚合物；
2.合成聚合物在本体或溶剂中分散在水中。
聚合物在水中溶解分散的关键在于分子链上有一定数量的极性亲水基。比如羧基、黄酸基、氨基、羟基、酰氨基等。，这些基的含量在很大程度上决定了聚合物在水中的形状。此外，通过调节PH值，聚合物的酸性或碱性基可以得到不同程度的离子化，从而控制聚合物的亲水性和系统粘度。
水性聚氨酯根据是否添加乳化剂和水性聚氨酯可分为封口型、强制乳化型和自乳化型；根据其乳化基团的性质，可分为阳离子型、阴离子型和非离子型。
自从发成功以来，自水性聚氨酯已有多种制备方法。一般采用适当的二元醇或多元醇与过量的二元或多元异氰酸酯反应，制备出端基为-NCO基团的中等分子量预聚物；二是扩链反应，以增加分子量。三是在剪切力的作用下在水中分散，聚氨酯预聚体在适当的外乳化剂和强剪切力的作用下可在水中分散或乳化。早期制备的水性聚氨酯基本采用外乳化法。60年代以后开发的一种不用乳化剂制备稳定性能的聚氨酯乳液的新方法——自乳化法[1]，即在制备聚氨酯的过程中引入亲水成分，不需要添加乳化剂。
自乳法又称内乳法，是目前制备水性聚氨酯最常用的方法。自乳法是一种水性聚氨酯乳液，不需要添加乳化剂，可以在疏水聚氨酯中引入亲水基团，使其自发乳化，制备成相对稳定、成膜性能好的水性聚氨酯乳液。制备的关键是在聚氨酯骨架中引入亲水基团，亲水基团由亲水单体和端基为NCO的预聚体反应引入。它由成盐基团和成盐试剂组成。成盐基团是指聚氨酯骨架(主链、侧链和端基)上的连接部分。成盐剂是基团的中和剂，即与成盐基团形成离子对的化合物，而含离子键的聚合物称为离子体。
亲水基团可以通过与水的作用形成氢键，或者直接在水中产生水合离子。亲水基团越多，乳液越稳定，但会导致涂层耐水性降低。这种水性聚氨酯也叫自乳化水性聚氨酯。根据不同的制备工艺，自乳化水性聚氨酯常用的制备方法如下:
一、丙酮法[2]
本文采用的水性聚氨酯制备方法均为该方法，又称低沸点溶剂法，通过二异氰酸酯和二元醇在丙酮中反应，降低粘度，增加分散性，然后用亲水单体扩展链条，然后在高速搅拌下通过强力剪切分散作用分散到水中，即得到水性聚氨酯。乳化后减压蒸馏回收溶剂可制成无溶剂水性聚氨酯分散体。由于丙酮对聚氨酯的合成反应是惰性的，与水混合，沸点很低，所以丙酮被称为丙酮法。该方法的合成反应在均相系统中进行，易于控制，适用性广，结构和粒子大小可变范围大(0.03~10um)，易于操作，重复性好，是目前生产水性聚氨酯的主要方法，但回收溶剂困难，延长了工艺流程，增加了固含量，使其发展受到极大限制，有可能被其他方法取代。
2.预聚体法[3]
该方法首先制备具有亲水基团和-NCO的预聚体，先乳化再扩展链条，得到离子型水性聚氨酯涂料。该方法技术比较简单，无需大量使用有机溶剂，得到含有支链的聚氨酯乳液，因此成为目前研究比较集中的方法之一。采用该方法得到的含有-NCO端基的预聚物，相对分子质量不太高，粘度小，不添加或添加少量溶剂，用亲水性单体扩展其部分链条，高速搅拌分散在水中。该方法的分散过程必须在低温下进行，降低-NCO与水的反应活性，然后使用反应活性高的二胺和三胺在水中扩展链条，产生高分子量的水性聚氨酯-聚氨酯。这种方法中预聚体的粘度控制非常重要，否则分散会非常困难，适合低粘度预聚体，即由脂肪族和脂环族多异氰酸酯制备的预聚体。由于这两种多异氰酸酯制备的预聚体在水中使用，避免了水性较小的连续生产。
第三，水性聚氨酯的发展趋势。
与溶剂型聚氨酯相比，水性聚氨酯不仅具有普通聚氨酯的高强度、耐摩擦性和柔韧性，而且具有以下优点:
1.以水为分散介质，对环境污染小，不燃烧，使用安全；
2.产品性能的可调性更大。水性聚氨酯乳液的粘度与其分子量和分子结构没有直接关系，而是直接关系到系统的水合体积。因此，在实际合成中，聚氨酯的分子量和交联度可以根据需要进行调整，而不影响乳液的粘度。
3.乳液改性方便，可以通过不同的方法改性，得到各种性能的聚合物材料。
㈡目前水性聚氨酯还存在一些明显的不足：
1.固体含量相对较低，试图提高固体含量是目前研究的主要内容之一。
2.由于性能的限制，水性聚氨酯的应用领域不够广泛，需要扩大其应用。
3.目前水性聚氨酯的应用比较全面，但其理论研究，尤其是乳液研究和成膜机理研究严重不足。
(3)综合国内外水性聚氨酯的研究，水性聚氨酯的研究将呈现以下趋势:
1.增加固体含量；
2.开发双组分水性聚氨酯；
3.功能水性聚氨酯的合成；
总而言之，水性聚氨酯正朝着高性能、低成本的方向发展。
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