水性聚氨酯的基本概念

本项目经过国家自然科学基金赞助研讨及十多年的研发，已具有老练的阴离子型自乳化聚氨酯乳液和阳离子型自乳化聚氨酯乳液组成改性的技能，可提供 1吨/天出产能力的水性聚氨酯出产的整套工艺和设备技能。本项目可依据用户的需求，对水性聚氨酯进行配方规划与调整以满意实践运用的要求，并可结合纳米杂化技能制备高功能的水性聚氨酯。 按粒径和外观分可分为聚氨酯水溶液（粒径<0．001微米，外观透明）、聚氨酯水涣散体（粒径：0．001-0．1微米，外观半透明）、聚氨酯乳液（粒径>0．1微米，外观白浊）；
依亲水性基团的电荷性质，水性聚氨酯可分为阴离子型水性聚氨酯、阳离子型水性聚氨酯和非离子型水性聚氨酯。其中阴离子型最为重要，分为羧酸型和磺酸型两大类。
依组成单体不同水性聚氨酯可分为聚醚型、聚酯型和聚醚、聚酯混合型。按照选用的二异氰酸酯的不同，水性聚氨酯又可分为芳香族和脂肪族，或详细分为TDI型、HDI型等等。
依产品包装方式水性聚氨酯可分为单组分水性聚氨酯和双组分水性聚氨酯。
水性聚氨酯整个组成过程可分为两个阶段。一阶段为预逐渐聚合，即由低聚物二醇、扩链剂、水性单体、二异氰酸酯经过溶液逐渐聚合生成相对分子质量为l000量级的水性聚氨酯预聚体；第二阶段为中和后预聚体在水中的涣散。

水性PU因其具有环保效果，虽然历史不长，但发展非常敏捷。
水性聚氨酯包含聚氨酯水溶液、水涣散液和水乳液三种，为二元胶态系统，聚氨酯（PU）粒子涣散于连续的水相中，也有人称水性PU或水基PU。 因为聚氨酯质料和配方的多样性，水性聚氨酯开发40年左右的时间，人们已研讨出许多种制备办法和制备配方。水性聚氨酯种类繁多，能够按多种办法分类。
⒈以外观分
水性聚氨酯可分为聚氨酯乳液、聚氨酯涣散液、聚氨酯水溶液。实践应用最多的是聚氨酯乳液及涣散液，本书中统称为水性聚氨酯或聚氨酯乳液。
⒉按运用方式分
水性聚氨酯胶粘剂按运用方式可分为单组分及双组分两类。可直接运用，或无需交联剂即可得到所需运用功能的水性聚氨酯称为单组分水性聚氨酯胶粘剂。若独自运用不能获得所需的功能，有必要添加交联剂；或许一般单组分水性聚氨酯添加交联剂后能进步粘接功能，在这些状况中，水性聚氨酯主剂和交联剂二者就组成双组分系统。

⒊以亲水性基团的性质分
依据聚氨酯分子侧链或主链上是否含有离子基团，即是否属离子键聚合物（离聚物），水性聚氨酯可分为阴离子型、阳离子型、非离子型。含阴、阳离子的水性聚氨酯又称为离聚物型水性聚氨酯。
⑴阴离子型水性聚氨酯又可细分为磺酸型、羧酸型，以侧链含离子基团的居多。大多数水性聚氨酯以含羧基扩链剂或含磺酸盐扩链剂引人羧基离子及磺酸离子。
⑵阳离子型水性聚氨酯一般是指主链或侧链上含有铵离子（一般为季铵离子）或锍离子的水性聚氨酯，绝大多数状况是季铵阳离子。而主链含铵离子的水性聚氨酯的制备一般以选用含叔胺基团扩链剂为主，叔胺以及仲胺经酸或烷基化试剂的效果，构成亲水的铵离子。还可经过含氨基的聚氨酯与环氧氯丙烷及酸反响而构成铵离子。
⑶非离子型水性聚氨酯，即分子中不含离子基团的水性聚氨酯。非离子型水性聚氨酯的制备办法有：①普通聚氨酯预聚体或聚氨酯有机溶液在乳化剂存鄙人进行高剪切力强制乳化；②制成分子中含有非离子型亲水性链段或亲水性基团，亲水性链段一般是中低分子量聚氧化乙烯，亲水性基团一般是羟甲基。⑷混合型 聚氨酯树脂分子结构中一起具有离于型及非离子型亲水基团或链段。
⒋以聚氨酯质料分
按首要低聚物多元醇类型可分为聚醚型、聚酯型及聚烯烃型等，分别指选用聚醚多元醇、聚酯多元醇、聚丁二烯二醇等作为低聚物多元醇而制成的水性聚氨酯。还有聚醚-聚酯、聚醚—聚丁二烯等混合 以聚氨酯的异氰酸酯质料分，可分为芳香族异氰酸酯型、脂肪族异氰酸酯型、脂环族异氰酸酯型。按详细质料还可细分，如TDI型、HDI型，等等。
⒌按聚氨酯树脂的全体结构区分
⑴按质料及结构可分为聚氨酯乳液、乙烯基聚氨酯乳液、多异氰酸酯乳液、关闭型聚氨酯乳液。聚氨酯乳液是指以低聚物多元醇、扩链剂、二异氰酸酯为质料，以通常办法制备的聚氨酯涣散于水所构成的乳液。乙烯基聚氨酯乳液一般指在乙烯基树脂水溶液或乳液中参加异氰酸酯而构成的乳液，是双组分系统。多异氰酸酯乳液是指含亲水基团多异氰酸酯乳化于水，或多异氰酸酯的有机溶液涣散于含乳化剂的水而构成的乳液，也是双组分即用即配系统，适用期较短。关闭型异氰酸酯乳液是指分子中含有被关闭的异氰酸酯基团的聚氨酯乳液，是一种安稳的单组分系统。在制备聚氨酯乳液时司引入关闭异氰酸酯基团，也可制成关闭异氰酸酯基团含量高的乳液，用于和其他乳液系统共混，起交联效果，水分蒸发后加热交联。
⑵聚氨酯乳液还可细分为聚氨酯乳液和聚氨酯-脲乳液，后者是指由聚氨酯预聚体在水中涣散一起经过水或二胺扩链而构成的乳液，实质上生成了聚氨酯—脲，但因为由预聚体涣散法制备较为遍及，习惯上称为聚氨酯乳液者居多。
⑶按分子结构可分为线性分子聚氨酯乳液（热塑性）和交联型聚氨酯乳液（热固性）。交联型又可细分为内交联和外交联型。内交联型聚氨酯乳液是在组成时构成一定程度的支化交联分子结构，或引入可热反响性基团，它是安稳的单组分系统。外交联是在乳液中添加能与聚氨酯分子链中基团起反响的交联剂，是双组分系统。
⒍依据聚氨酯的水性化办法区分
依据制备办法有多种分类。举例如下。
⑴自乳化法和外乳化法
自乳化法又称内乳化法，是指聚氨酯链段中含有亲水性成分，因此无需乳化剂即可构成安稳乳液的办法。
外乳化法又称为强制乳化法，若分子链中仅含少数不足以自乳化的亲水性链段或基团，或彻底不含亲水性成分，此刻有必要添加乳化剂，才干得到乳液。
比较而言，外乳化法制备的乳液中，因为亲水性小分子乳化剂的残留，影响固化后聚氨酯胶膜的功能，而自乳化法消除了此弊端。水性聚氨酯的制备以离子型自乳化法为主。
⑵预聚体法、丙酮法、熔融涣散法
自乳化法制水性聚氨酯最常用的办法有预聚体涣散法和丙酮法。预聚体法即在预聚体中导人亲水成分，得到一定粘度范围的预聚体，在水中乳化一起进行链增长，制备安稳的水性聚氨酯（水性聚氨酯-脲）。
丙酮法归于溶液法，是以有机溶剂稀释或溶解聚氨酯（或预聚体），再进行乳化的办法。在溶剂存鄙人，预聚体与亲水性扩链剂进行扩链反响，生成较高分子量的聚氨酯，反响过程可依据需要加人溶剂以下降聚氨酯溶液粘度，使之易于搅拌，然后加水进行涣散，构成乳液，最后蒸去溶剂。溶剂以丙酮、甲乙酮居多，故称为丙酮法。此法的优点是丙酮、甲乙酮的沸点低、与水互容、易于收回处理，整个系统均匀，操作方便，因为下降粘度一起也下降了浓度，有利于在乳化之前制得高分子量的预聚体或聚氨酯树脂，所得乳液
的膜功能比单纯预聚体法的好。而预聚体法因为粘度的约束，为了便于剪切涣散，预聚体的分子量不能太高，可能会影响水性聚氨酯功能，例如粘度高则乳化困难，粒径大，乳液安稳性差；预聚体分子量小则NCO基团含量高，乳化后构成的脲键多，胶膜硬，缺乏柔软性。
丙酮法和预聚体法的首要区别是，在丙酮法中，聚氨酯先预聚成分子量较大的预聚体，因为分子量大的预聚体粘度大，有必要稀释下降粘度；而预聚体法中依据需要可加或不加少数丙酮等溶剂。这两者的概念有所交*，有的乳化办法既属丙酮法又属预聚体法。熔融涣散法又称熔体涣散法、预聚体涣散甲醛扩链法。预先组成含叔胺基团（或离子基团）的端NCO基团预聚体，再与尿素（或氨水）在本系统统反响，构成聚氨酯双缩二脲（或含离子基团的端脲基）低聚物，并参加氯代酰胺在高温熔融状态持续反响，持续季胺化。
聚氨酯双缩二脲离聚物具有满足的亲水性，加酸的稀水溶液构成均相溶液，再与甲醛水溶液反响进行羟甲基化，含羟甲基的聚氨酯严缩二脲能在50—130℃用无限水稀释，构成安稳乳液。当下降系统的pu值时，能在涣散相中进行缩聚反响，构成高分子量聚氨酯。含离子基团的端NCO预聚体构成端脲基或缩二脲基聚氨酯低聚物后，则直接在熔融状态乳化于水，再加甲醛水溶液进行羟甲基化及扩链反响。
⑶二元胺直接扩链与酮亚胺—酮连氮法
在预聚体涣散法中，若选用溶于水的二元伯胺扩链剂扩链，因为一NCO与一NH2的反响速度快，不易得到微细而均匀的乳液，可选用酮亚胺或酮连氮法解决此问题。酮亚胺-酮连氮法是指预聚体与被酮维护了的二元胺（酮亚胺系统）或肼（酮连氮系统）混合后，再用水涣散，涣散过程中，酮亚胺、酮连氮以一定的速率水解，释放出游离的二元胺或肼与涣散的聚合物微粒反响，得到的水性聚氨酯—脲具有杰出的功能。经过交联改性的水性聚氨酯涂料具有杰出的贮存安稳性、涂膜机械功能、耐水性、耐溶剂性及耐老化功能，并且与传统的溶剂型聚氨酯涂料的功能相近，是水性聚氨酯涂料的一个重要发展方向。种类首要包含热固型聚氨酯涂料和含关闭异氰酸酯的水性聚氨酯涂料等几个种类。
⑴热固型聚氨酯涂料。交联的聚氨酯能添加其耐溶剂性及水解安稳性。聚氨酯水涣散体在应用时与少数外加交联剂混合组成的系统叫热固型水性聚氨酯涂料，也叫做外交联水性聚氨酯涂料。运用的交联剂首要有多官能团的氮丙啶、氨基树脂（三聚氯胺树脂）或专用的环氧树脂等。选用氮丙啶，一般用量为聚氨酯质量的3%-5%，就有很好的交联薄膜生成。