探析水性聚氨酯材料性能的影响因素及改性

戴淄岳 刁春莉

摘 要：聚氨酯主要是指分子主链上包含很多氨基甲酸酯基团的高分子聚合物。聚氨酯链段结构是最具有代表性的多嵌段共聚物结构，硬段与软段相互交替出现。而水性聚氨酯材料是一种常见的材料，其性能较多，质量可靠，广泛应用于某些特殊的行业，比如：航天行业、工业等等。本文主要分析了水性聚氨酯材料性能的影响因素及改性，以供大家参考。

关键词：水性聚氨酯材料；性能；影响因素；改性

聚氨酯弹性体是一种具有鲜明特征、性能良好的热塑性树脂，水性聚氨酯材料只是作为其中的一种类型，虽然起步时间晚，但是发展速度快，综合性能显著提升，现阶段已经语句溶剂型类似的品质。溶剂型聚氨酯材料在施胶中经常需要添加许多有机溶剂以减少粘度，以便于使用。有机溶剂具有易燃、易爆等特征。多年来，随着各个国家环保法对VOC含量的限制及人们节能环保意识的加强，水性聚氨酯材料得以快速发展，通过合理利用改性手段提升其使用性能，成为目前聚氨酯树脂的主要发展趋势之一。

1 水性聚氨酯合成方式对性能产生的影响

水性聚氨酯材料的制备方式可以分为两种，一是外乳化法，二是内乳化法。后者需要增添外加乳化剂强制乳化，乳液稳定性相对较差，而且小分子乳化剂残留会直接影响聚氨酯质量。[1]当前，应用最普遍的方法是内乳化法，即在聚氨酯分子链段中融入亲水性成分，不需要添加乳化剂就可以形成稳定乳液的方式。

可用于聚氨酯水性化的亲水集团可以分为三大类，分别是非离子型、阳离子型和阴离子型，其在产物性能上存在一定的差异。通常，阴离子型有两类，分别是磺酸型和羧酸型。前者可以使用二羟甲基丙酸进行制备，其特征是分子量较小，而且因为位阻作用大多数羧基都能够保留，所以具有相当高的乳化效率。后者，主要依靠融入SO3-Na+基团来获取亲水性，成品的耐水性能超出羧酸型，但是我国几乎不会采用。由于DMPA制备具有良好的水性聚氨酯性能，应用也是最普遍的。阳离子型利用N- 甲基二乙醇胺获取亲水性，因为阳离子水性聚氨酯性质并不是稳定的，对电解质是非常敏感的，所以相关研究和应用是很少的，但是其对包含阴离子的基质具有优异的粘结性能。非离子型和两性离子型应用较少。

按照不同的扩链反应历程，内乳化法可以分为三大类，分别是丙酮法、酮亚胺连氮法和预聚体分散法。[2]其中，丙酮法制成的水性聚氨酯乳液具有稳定性的特征，相对分子量较高而分布范围窄，所以其具有较好的力学性能。然而需要消耗许多有机溶剂，成本较高，效率较低，而且受到反应速率的影响，通常只是适用于制备线性聚合物。

2 水性聚氨酯分子结构对性能产生的影响

2.1 软段对性能的影响

聚氨酯弹性体的软链段对材料的弹性有重要影响，而且对其拉伸和低温性能有较大的贡献。相对于聚醚型聚氨酯弹性体而言，聚酯型聚氨酯弹性体具有良好的耐水解性。 聚醚软段的玻璃化轉变温度是较低的，所以低温应用范围更加广泛。而聚醚或聚酯软链段的规整度能够提升其结晶度，所以可以对材料的抗拉强度进行改善，同时也可以添加聚合物的滞后特点。

2.2 微相分离结构的影响

聚氨酯的特殊性主要来自于其显著的微相分离结构，与大分子链的硬段聚集成晶区是不同的，起到物理建联的重要作用，提升体系的耐磨性能。软段基质与硬段微区存在氢键等多种形式的结合，所以可以起到活性填料的作用。导致聚氨酯微相分离的影响因素有多种，主要包括软硬嵌段的化学结构、分子量以及软硬段间相互作用等等。在相互分离的微相中还存在链段之间的混合，从而造成软段玻璃化温度的提升和硬段玻璃化温度的降低，并且降低材料的耐热性能。

3 水性聚氨酯材料改进探究的进展

水性聚氨酯最早是由化学家 Schlack 提出的，在后来的30年里，并没有引起人们的高度重视。 自从20世纪80年代后，随着环保主张的不断普及推广，水性聚氨酯的需求越来越多。特别是最近几年，由于水性聚氨酯改性技术的进步，产品性能得到大幅度提升，使用范围越来越广。当前，水性聚氨酯改性探究的热点主要体现在以下两个方面：

3.1 共聚改性

聚氨酯化学性质是非常活泼的，在催化剂作用下，丙烯酸酯类单体与氨基甲酸酯中 -NH-基团能够共聚，形成丙烯酸酯共聚物，产品自身的物理性能有所提升，此种类型的改性产品不管在国外，还是在国内，都已经是普及的。并且水性聚氨酯还能与环氧树脂、乙烯基树脂实现共聚改性。而环氧树脂具有良好的强度和粘结力。通过利用改性PU体系获取较好的韧性。国外有些国家开始将VER改性聚氨酯弹性体应用于高抗冲击材料中。

3.2 本体改性

聚氨酯弹性体的组成结构是复杂化的，原料类型多样化，突破普通的组合，经常会得到性能差异较大的材料。相对于国内而言，国外这些原料配套完善、研究应用相当多。比如：利用聚碳酸酯二醇获取强度高、耐水性好的材料，利用聚四氢呋喃醚二醇获取良好的低温使用性能。

4 结语

国外经过长期的发展，水性聚氨酯配套原料类型是相对齐全的，质量具有稳定性的特征，其产品性能良好 ，当前，我国水性聚氨酯材料性能仍旧是单一的，品种以 MDI与 PPG的组合为主，产品价格高和需求少阻碍了我国水性聚氨酯材料的研究与应用 ，因此我国相关研究和产品开发迫切需要提升。

参考文献：

[1]王寅，傅和青，颜财彬，余荣民，夏建荣.纳米材料改性水性聚氨酯研究进展[J].化工进展，2015，34（02）：463-469.

[2]王学川，任静，强涛涛.一种磺酸型水性聚氨酯扩链剂的合成、表征及应用[J].化工学报，2015，66（02）：834-842.