水性pu膠 相關
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- 概觀
- 基本介紹
- 特點
- 分類
- 製備方法
- 原料
- 主要品種
- 水性聚氨酯套用
水性聚氨酯是以水代替有機溶劑作為分散介質的新型聚氨酯體系，也稱水分散聚氨酯、水系聚氨酯或水基聚氨酯。水性聚氨酯以水為溶劑，無污染、安全可靠、機械性能優良、相容性好、易於改性等優點。
•中文名：水性聚氨酯
•外文名：Water Polyurethane
•又稱：水分散聚氨酯、水系聚氨酯或水基聚氨酯
•分類：聚氨酯水溶液、聚氨酯水分散體、聚氨酯乳液
•特點：無污染、安全可靠、機械性能優良、相容性好、易於改性等
•套用：輕紡、皮革加工、塗料、木材加工、建材、造紙和膠粘劑等行業
在高分子材料合成過程中使用一定的毒性溶劑，但能確保其循環利用並降低其在產品中的殘留率，也是高分子綠色合成的研究內容。水性聚氨酯樹脂的合成即是這個方面的典型例子。水性聚氨酯樹脂是將聚氨酯分散在水中形成的均勻乳液，具有不燃、氣味小、不污染環境節能、操作加工方便等優點，廣泛用作黏合劑和塗料。與溶劑型聚氨酯黏合劑相比，水性聚氨酯具有以下特點：
(1)大多數水性聚氨酯樹脂中不含反應性NCO基團，因而樹脂主要靠分子內極性基團產生內聚力和黏附力進行固化。水性聚氨酯中的羧基、羥基等在適宜條件下可參與反應，使黏合劑產生交聯。
(2)黏度是黏合劑使用性能的一個重要參數。水性聚氨酯樹脂的黏度一般通過水溶性增稠劑及水來調整。
(3)由於水的揮發性比有機溶劑的差，故水性聚氨酯黏合劑乾燥較慢，材料的耐水性較差。
(4)水性聚氨酯樹脂可與多種水性樹脂混合，以改進性能或降低成本。此時應注意水性樹脂的電性和酸鹼性，否則可能引起水性聚氨酯樹脂凝聚。
(5)水性聚氨酯樹脂氣味小，操作方便，殘膠易清理。
按粒徑和外觀分可分為聚氨酯水溶液（粒徑<0.001微米，外觀透明）、聚氨酯水分散體（粒徑：0.001-0.1微米，外觀半透明）、聚氨酯乳液（粒徑>0．1微米，外觀白濁）；依親水性基團的電荷性質，水性聚氨酯可分為陰離子型水性聚氨酯、陽離子型水性聚氨酯和非離子型水性聚氨酯。其中陰離子型最為重要，分為羧酸型和磺酸型兩大類。
依合成單體不同水性聚氨酯可分為聚醚型、聚酯型和聚醚、聚酯混合型。依照選用的二異氰酸酯的不同，水性聚氨酯又可分為芳香族和脂肪族，或具體分為TDI型、HDI型等等。
依產品包裝形式水性聚氨酯可分為單組分水性聚氨酯和雙組分水性聚氨酯。水性聚氨酯整個合成過程可分為兩個階段。第一階段為預逐步聚合，即由低聚物二醇、擴鏈劑、水性單體、二異氰酸酯通過溶液逐步聚合生成相對分子質量為l000量級的水性聚氨酯預聚體；第二階段為中和後預聚體在水中的分散。水性PU因其具有環保作用，雖然歷史不長，但發展非常迅速。水性聚氨酯包括聚氨酯水溶液、水分散液和水乳液三種，為二元膠態體系，聚氨酯（PU）粒子分散於連續的水相中，也有人稱水性PU或水基PU。
由於聚氨酯原料和配方的多樣性，水性聚氨酯開發40年左右的時間，人們已研究出許多種製備方法和製備配方。水性聚氨酯品種繁多，可以按多種方法分類。
1、以外觀分
水性聚氨酯可分為聚氨酯乳液、聚氨酯分散液、聚氨酯水溶液。實際套用最多的是聚氨酯乳液及分散液，本書中統稱為水性聚氨酯或聚氨酯乳液。
根據製備方法有多種分類，舉例如下：
（1）自乳化法和外乳化法
自乳化法又稱內乳化法，是指聚氨酯鏈段中含有親水性成分，因而無需乳化劑即可形成穩定乳液的方法。外乳化法又稱為強制乳化法，若分子鏈中僅含少量不足以自乳化的親水性鏈段或基團，或完全不含親水性成分，此時必須添加乳化劑，才能得到乳液。
比較而言，外乳化法製備的乳液中，由於親水性小分子乳化劑的殘留，影響固化後聚氨酯膠膜的性能，而自乳化法消除了此弊病。水性聚氨酯的製備以離子型自乳化法為主。
（2）預聚體法、丙酮法、熔融分散法
自乳化法制水性聚氨酯最常用的方法有預聚體分散法和丙酮法。預聚體法即在預聚體中導人親水成分，得到一定粘度範圍的預聚體，在水中乳化同時進行鏈增長，製備穩定的水性聚氨酯（水性聚氨酯-脲）。
1、低聚物多元醇
水性聚氨酯樹脂製備中常用的低聚物多元醇一般以聚醚二醇、聚酯二醇居多，有時還使用
聚醚三醇、低支化度聚酯多元醇、聚碳酸酯二醇等低聚物多元醇。聚醚型聚氨酯的柔順性、耐水性較好，常用的聚氧化丙烯二醇(PPG)的價格比聚酯二醇的低，因此我國的水性聚氨酯研究開發大多以聚氧化丙烯二醇為主要原料。由聚四氫呋喃醚醇製得的聚氨酯力學性能及耐水解性均較好，但其價格相對較髙，限制了它的廣泛套用。
聚酯型聚氨酯強度高、黏結力好，但由於聚酯本身耐水解性能比聚醚的差，故採用一般原料製得的聚酯型水性聚氨酯，其儲存穩定期較短。國外的聚氨酯乳液及塗料的主流產品是聚酯型的。脂肪族非規整結構聚酯的柔順性也較好，由規整結構的結晶性聚酯二醇製備的單組分聚氨酯乳液黏合劑，膠層經熱活化黏結，初始強度較高。而芳香族聚酯多元醇製成的水性聚氨酯對金屬、PET等材料的黏結力高，內聚強度大聚碳酸酯型聚氨酯耐水性、耐候性、耐熱性好，但易結晶，價格髙，套用受到限制。
2、二異氰酸酯
製備聚氨酯乳液常用的二異氰酸酯有TDI、MD等芳香族二異氰酸酯，以及六亞甲基二
水性聚氨酯塗料是以水性聚氨酯樹脂為基料並以水為分散介質的一類塗料。通過交聯改性的水性聚氨酯塗料具有良好的貯存穩定性、塗膜機械性能、耐水性、耐溶劑性及耐老化性能，而且與傳統的溶劑型聚氨酯塗料的性能相近，是水性聚氨酯塗料的一個重要發展方向。品種主要包括熱固型聚氨酯塗料和含封閉異氰酸酯的水性聚氨酯塗料等幾個品種。
（1）熱固型聚氨酯塗料。交聯的聚氨酯能增加其耐溶劑性及水解穩定性。聚氨酯水分散體在套用時與少量外加交聯劑混合組成的體系叫熱固型水性聚氨酯塗料，也叫做外交聯水性聚氨酯塗料。使用的交聯劑主要有多官能團的氮丙啶、氨基樹脂（三聚氯胺樹脂）或專用的環氧樹脂等。採用氮丙啶，一般用量為聚氨酯質量的3%-5%，就有很好的交聯薄膜生成；
（2）含封閉異氨酸酯的水性聚氨酯塗料。該塗料的成膜原料由多異氰酸酯組分和含羥基組分兩部分組成。多異氰酸酯被苯酚或其它含單官能團的活潑氫原子的化合物所封閉，因此兩部分可以合裝而不反應，成為單組分塗料，並具有良好的貯藏穩定性。多異氰酸酯組分與苯酚、丙二酸酯、己內醯胺等封閉劑反應生成氨酯鍵，而氨酯鍵在加熱的情況下又裂解生成異氰酸酯，再與羥基組分反應生成聚氨酯。因此封閉型聚氨酯水性塗料的成膜就是利用不同結構的氨酯鍵的熱穩定性的差異，以較穩定的氨酯鍵來取代較弱的氨酯鍵。封閉劑的種類很多，但是芳香族異氰酸酯水性聚氨酯塗料主要用苯酚或甲酚。脂肪族水性聚氨酯漆則不用酚類，以免變色，可採用乳酸乙酯、己內醯胺、丙二酸二乙酯、乙醯丙酮、乙醯乙酸乙酯等；
（3）室溫固化水性聚氨酯塗料。對於某些熱敏基材和大型製件，不能採用加熱的方式交聯，必須採用室溫交聯的水性聚氨酯塗料。美國空氣產品和化學公司報導，通過與水分散性多異氰酸酯結合，可以改進水性端羥基聚氨酯預聚物/丙烯酸酯混合物，尤其是羥基丙烯酸酯混合物的性能。此類水性聚氨酯塗料，採用特製的多異氰酸酯交聯劑，即含（-NCO）端基的異氰酸酯預聚物，經親水處理後分散於各種含羥基聚合物中而形成的分散體，與多種含羥基聚合物水分散體組成能在室溫固化的聚氨酯水性塗料；
（4）光固化水性聚氨酯塗料。光固化水性聚氨酯塗料採用電子束輻射、紫外光輻射的高強度輻射引發低活性的聚物體系產生交聯固化，以紫外光固化形式為主。先用不飽和聚酯多元醇製備預聚物，然後用常規的方法引進粒子基團，經親水處理後製得在主鏈上帶雙鍵的聚氨酯水分散體，再與易溶的高活性三丙烯酸烷氧基酯單體、光敏劑等助劑混合得到光固化水性聚氨酯塗料；
（5）第三代水性聚氨酯塗料（PUA）。聚氨酯（PU）乳液和聚丙烯酸（PA）乳液同其溶劑型產品相比，具有價廉，安全，不燃燒，無毒，不污染環境等優點。純PA乳液存在耐磨性、耐水性和耐化學品性差的缺陷，單一的PU乳液也存在一些不足，如穩定性、白增稠性和膜的保光性差，固含量高，套用範圍不廣等。PU和PA在性質上具有互補作用。PUA複合乳液兼備了二者的優點，具有耐磨、耐腐蝕和光亮，柔軟有彈性，耐水性和機械力學性能好，耐候性佳等特性，因此被譽為"第三代水性聚氨酯"，成為當今塗料的一個發展趨勢。
水性聚氨酯樹脂主要在塗料、黏合劑和處理劑等領域得到廣泛的套用。
1、黏合劑
和溶劑型聚氨酯黏合劑一樣，水性聚氨酯黏合劑黏結性能好，膠膜物性可調節範圍大，除可用作各種基材的塗層膠外，還可用於多種基材的黏結
(1)多種層壓製品的製造，包括膠合板、食品包裝複合塑膠薄膜、織物層壓製品、各種薄層材料的層壓製品，如軟質PVC塑膠薄膜或塑膠片與其他材料(如木材、織物、紙、皮革、金屬)的層壓製品。
(2)植絨黏合劑、人造革黏合劑、玻璃纖維及其他纖維集束黏合劑、油墨黏合劑的製備。
(3)普通材料的黏結，如汽車內裝飾材料的黏結。水性聚氨酯用於黏合劑時，一般必須進行調配，以適合施工條件及基材等因素。以水性聚氨酯為基礎，可添加交聯劑、增稠劑、填料、增塑劑、顏料、其他類型水性樹脂及水。施膠之前必須將漿料攪拌均勻，還需考慮各添加劑對水性聚氨酯的短期穩定性有無影響。為了獲得較髙的耐水性、耐熱性及黏結強度，許多水性聚氨酯系統已廣泛使用交聯劑，組成雙組分系統，這和雙組分溶劑型(揮髮型)聚氨酯黏合劑系統有點類似。木材加工是水性黏合劑的最大套用領域。製造膠合板、纖維板、刨花板常用的水性黏合劑為“三醛樹脂”，即脲醛樹脂、三聚氰胺甲醛樹脂、酚醛樹脂等。採用¨三醛樹脂”製造複合板材，一般要求木材水分含量在2%以內，而未經乾燥處理的木材水分含量在10%左右甚至更高，需要經過乾燥處理才能進行層壓複合加匚，耗能大，否則壓制的板材發生爆裂；三醛樹脂在黏結過程及製品使用、放置過程中均可能產生有刺激性氣味和毒性的甲醛，對環境造成污染；脲醛膠黏合的製品耐水性較差，白膠黏合的製品耐水及耐熱性均不佳，熱壓時易透膠。而採用含異氰酸酯基團的乙烯基水性聚氨酯黏合劑及異氰酸酯乳液可避免以上缺陷，固化快，製品耐水性好。水性聚氨酯類黏合劑用量少，可彌補價格高的不足。日本、美國、德國等國家已用水性乙烯基聚氨酯黏合劑部分取代了污染嚴重的“三醛樹脂”黏合劑
水性聚氨酯分散劑，也被稱為水性聚氨酯乳液，是含有聚氨酯微粒懸浮於水中的水性聚合物塗料。 與傳統的溶劑型聚氨酯塗料不同，PUDs提供了一種更環保的選擇，其揮發性有機化合物（VOC）排放量低，並且減少了對健康的危害。 這些分散劑通過合成聚氨酯聚合物並將其分散在水中來製備，形成一個穩定的膠體懸浮液。 水性聚氨酯分散劑的優勢： 環境可持續性：PUDs以其環保性而聞名，與溶劑型塗料相比，它們大幅降低了VOC排放和有害空氣污染物的產生。 這使得它們成為追求可持續目標和符合法規的行業的理想選擇。 優異性能：水性聚氨酯分散劑表現出優越的特性，包括優異的附著力、耐化學性、耐磨損性和柔韌性。 這些分散劑提供了耐用和保護性的塗層，能夠抵禦惡劣的環境條件，確保長久的性能。
水性聚氨酯分散劑 (PUD)是一種將聚氨酯聚合物微粒分散於水中的技術，其中「自分散離子型聚氨酯預聚體」是最常見的技術之一。 在這個過程中，二甲基丙二醇酸（DMPA）通常被用來與聚氨酯預聚體反應，合成用於水性聚氨酯分散劑的離子型預聚體。 形成水性聚氨酯分散劑的化學反應是將異氰酸鹽與羥基和一個特定組分進行化學反應。 根據水性聚氨酯的最終應用和需求，PUD預聚體中的聚醇和異氰酸鹽的結構可以有很大的變化。 例如，典型的水性聚氨酯分散劑是異氰酸鹽端基的，但是羥基端基的預聚體被用於配製雙組份水性聚氨酯。 在水分散過程之前，預聚體中的羧酸基必須用強鹼中和成羧酸鹽，這使得聚氨酯微粒能夠在水中分散並穩定。 鹼中和後，必須立即進行水性分散過程。
就如同水性聚氨酯黏著劑與溶劑型聚氨酯黏著劑名稱字面上所表示，水性PU黏著劑與溶劑型PU黏著劑最大的不同就是水性不含有機溶劑，而溶劑型PU黏著劑，又稱油性PU黏著劑，含有高比例的有機溶劑做為其分散介質，而有機溶劑多屬有毒有害物質，不但對人體產生危害，而且會對自然環境造成污染。 因此在環保性與安全性考量下，水性PU黏著劑逐漸取代溶劑型PU黏著劑。 水性PU黏著劑 與 溶劑型PU黏著劑 簡略比較表： 溶劑型PU黏著劑請參考下列網址: https://www.taiwanpu.com/tw/product/PU-Adhesives-and-Hot-Melt/Shoe-adhesive. 水性PU黏著劑請參考下列網址:
水性聚氨酯樹脂 Water-based Polyurethane Dispersion 特性：無溶劑型、耐水分解性、手感佳、特製化 應用：塗料、特殊塗層、粘結劑、印花加工、透溼防水
