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水性聚氨酯固化剂的概述与分类,收藏

发表时间:2023-07-19 访问量:9249

在水性聚氨酯的合成工艺中,聚氨酯分子链结构常呈现为线型或微交联状态,这种结构特性导致了分子量较小,交联度相对较低,这正是水性聚氨酯与溶剂型聚氨酯在材料性能上表现出差异的主要原因。传统的聚氨酯涂料固化剂多为溶剂型,这些溶剂在固化过程中的挥发不仅会导致大气污染,而且绝大部分有机溶剂具有潜在的毒性,对人体健康构成严重威胁。此外,尽管水性聚氨酯通过引入亲水疏水链段能够部分乳化溶剂型聚氨酯固化剂,但总体而言,溶剂型聚氨酯固化剂在水中的分散性较差,难以形成稳定的体系,甚至在施工前就可能发生相分离。

水性聚氨酯固化剂,更准确地来说,应被称为水分散型多异氰酸酯或亲水改性聚异氰酸酯。它凭借出色的水可分散性,在环保涂料领域展现出巨大的应用潜力。近年来,随着公众环保意识的不断提高,以及对挥发性有机化合物(VOC)排放的严格限制,推动了低污染、高性能的环保型水性涂料的研发进程,同时也促进了水性异氰酸酯固化剂的快速发展。这种固化剂不仅能够满足环保要求,还具备优异的性能,为水性聚氨酯涂料的广泛应用提供了有力支持。

水性聚氨酯固化剂的研发初衷是通过引入亲水基团对多异氰酸酯进行化学改性,以确保最终产品中仍然保留有活性的异氰酸酯基团。然而,由于异氰酸酯基团极易与水分子发生反应,这一初衷在实践中一直难以达成。在早期的尝试中,科研人员采用阳离子型、阴离子型或非离子型的乳化剂来促使多异氰酸酯能够分散于水体系中。但这种方法存在诸多弊端,如乳化剂使用量大、分散后的颗粒较为粗糙、储存稳定性不佳、胶层的物理机械性能不理想以及耐水性差等。

直到20世纪90年代初期,P.B.Jacobs和P.C.Yu取得了重要突破。他们利用聚乙二醇单甲醚对三聚HDI进行改性,成功制备出了一种能够在水中良好分散的亲水性多异氰酸酯固化剂。这种固化剂不仅可以在水中均匀分散,而且能够长期保持稳定性,不发生相分离或沉淀。他们的这一发明为水性聚氨酯固化剂的工业化生产奠定了坚实的基础,推动了水性涂料行业的发展。


亲水改性的多异氰酸酯固化剂是通过将带有亲水基团的物质与多异氰酸酯进行化学反应,合成出具有特殊结构的新型多异氰酸酯。这种新型多异氰酸酯能够与水混合,混合后,其亲水基团会倾向于朝向水相,形成一层保护层,防止异氰酸酯基团与水直接接触。同时,由于亲水基团带有同种电荷,它们之间会相互排斥,从而确保多异氰酸酯在水中的分散相处于稳定状态。在此过程中,亲水基团的选择至关重要,根据亲水基团电荷的性质,水性聚氨酯固化剂通常被分为以下三大类:

(1)非离子型:Jacobs等人研发的就是非离子型水性聚氨酯固化剂,这也是目前市场上最为常见和广泛应用的水性固化剂之一。通过氨基甲酸酯反应,将含有环氧乙烷或环氧丙烷等亲水基团的物质引入多异氰酸酯中,使其具备亲水性能。通常,会使用一个摩尔的亲水聚醚多元醇,如聚乙二醇(PEG)、聚丙二醇(PPG)、聚乙二醇单丁醚或环氧乙烷与环氧丙烷的共聚物,与两个多异氰酸酯分子进行交联反应。这种固化剂能够有效提高聚异氰酸酯的官能度,并且仅需少量聚醚醇即可使产品达到理想的分散性,适用于多种应用场景。然而,由于此类固化剂的异氰酸酯平均官能度较低,所得到的胶膜交联密度较小,因此在耐化学品性等方面表现相对较弱。

(2)离子型:通过使用带有阴离子或阳离子基团的化合物与多异氰酸酯进行反应,也可以为多异氰酸酯赋予亲水性,从而制备出离子型水性聚氨酯固化剂。含阴离子基团的化合物主要包括羧酸盐和磺酸盐,而含阳离子基团的化合物则包括叔铵盐、季铵盐和磺胺盐等。目前,市场上较为常见的是阴离子磺酸盐型固化剂。此类固化剂的异氰酸酯平均官能度相对较高,因此所得到的胶膜交联密度大,耐化学品性等性能也更为优异。使用此类固化剂所制备的双组分水性聚氨酯胶膜在性能上接近甚至超越溶剂型产品。

(3)混合型:混合型水性聚氨酯固化剂则是同时利用非离子型和离子型亲水基团对多异氰酸酯进行改性得到的。这种固化剂兼具非离子型和离子型固化剂的优点,能够根据具体需求进行灵活调整,以满足不同应用场景的需求。


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