一文了解水性聚氨酯相關(guān)產(chǎn)品及全新應(yīng)用
編者按
談及水性聚氨酯技術(shù)，我們眼前跳出的第一個詞匯是“環(huán)保”。經(jīng)歷了多年的發(fā)展，水性聚氨酯已經(jīng)從單純的概念產(chǎn)品，開始得到市場的認(rèn)可和追捧。尤其是涂料領(lǐng)域，在水性木器漆以及汽車涂裝上的應(yīng)用已趨于成熟。
然而，在“油改水”的熱潮中，還是有很多問題暴露出來，比如設(shè)備昂貴、生產(chǎn)效率低、設(shè)備與涂料產(chǎn)品配合性能差、三廢處理等。
最受關(guān)注的是，水性涂料能否達(dá)到溶劑型涂料原有的指標(biāo)如硬度、耐刮擦性、豐滿度、飽和度……國家政策的推動和消費者的選擇觀念轉(zhuǎn)變，使得“油改水”這條道路勢在必行，而這條路遠(yuǎn)沒有想象的那么簡單。
與此同時，水性聚氨酯在新興領(lǐng)域的應(yīng)用層出不窮，意味著一個全新時代的降臨。
水性聚氨酯的發(fā)展歷程
聚氨酯從20世紀(jì)30年代開始發(fā)展,而在40年代才有少量水性聚氨酯的研究，如1943年德國化學(xué)家Schlack在乳化劑及保護(hù)膠體存在下，將二異氰酸酯在水中乳化首次成功制備出聚氨酯乳液。
1953 年 Du Pont 公 司 的 研究人員將二異氰酸酯基團(tuán)聚氨酯預(yù)聚體的甲苯溶液分散于水，用二元胺擴鏈，合成了水性聚氨酯。但是當(dāng)時聚氨酯材料科學(xué)剛剛起步，水性聚氨酯還未受到重視
1967 年水性聚氨酯實現(xiàn)首次工業(yè)化。
1972 年拜耳公司正式將聚氨酯水分散體作為皮革涂飾劑進(jìn)行大批量生產(chǎn)。同時，我國也開始了水性聚氨酯的研制，其研究方向主要是水性聚氨酯皮革涂飾劑。
20 世紀(jì)七八十年代，美、德、日等國的一些水性聚氨酯產(chǎn)品已從試制階段發(fā)展為實際生產(chǎn)和應(yīng)用，一些公司有多種牌號的水性聚氨酯產(chǎn)品供應(yīng)， 如 德 國 Bayer 公 司 的Dispercoll KA 等系列、美國Wyandotte 化學(xué)公司的 X 及E 等系列、日本光洋產(chǎn)業(yè)公司的水性乙烯基聚氨酯膠黏劑 KR 系列等等。
20 世紀(jì) 90 年代是我國水性聚氨酯皮革化材技術(shù)科研成果轉(zhuǎn)化的高峰期。安徽大學(xué)、丹東輕化工研究院、成都科技大學(xué) (現(xiàn)四川大學(xué)分部)等的 PUD 技術(shù)成果都先后被轉(zhuǎn)化.
20世紀(jì)90年代末，國外巨頭和不少臺灣企業(yè)在浙江等地興建皮化產(chǎn)品生產(chǎn)企業(yè)，其中半數(shù)以上為水性聚氨酯產(chǎn)品。
目前，我國已有不少領(lǐng)域應(yīng)用水性聚氨酯產(chǎn)品，但其中許多高檔產(chǎn)品仍然不能自給，因此自主研發(fā)高性能水性聚氨酯就成為國內(nèi)聚氨酯領(lǐng)域最熱門的方向之一。
水性聚氨酯的分類
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水性聚氨酯相關(guān)產(chǎn)品
水性聚氨酯涂料
水性聚氨酯涂料是以水作為溶劑，將聚氨酯樹脂分散于水中而形成的一種涂料，體系中無或很少存在機溶劑，具有氣味小、不污染環(huán)境、節(jié)能、施工方便等優(yōu)點，將聚氨酯涂膜的附著力強、硬度高、耐溶劑性好、耐磨蝕等優(yōu)點與水性聚氨酯涂料的低揮發(fā)性有機化合物 (VOC) 含量相結(jié)合，更適合日益嚴(yán)格的環(huán)保要求，受到人們的高度重視，成為當(dāng)今世界上發(fā)展速度最迅速的涂料品種之一。
水性聚氨酯涂料對金屬、木材、混凝土及塑料等表面有良好的附著力，且耐沖擊性和抗磨性能良好。與其他乳膠涂料相比，低溫成膜效果好，不需要成膜助劑；也不需要外加乳化劑、分散劑或增塑劑等；易于通過固化劑和交聯(lián)劑進(jìn)行改性來提高抗化學(xué)性和耐溶劑性，改進(jìn)耐水性，可提供高光澤涂膜，對各種顏料包括金屬顏料有良好的適應(yīng)性等優(yōu)點。
水性聚氨酯涂料相關(guān)型號
其中應(yīng)用最廣泛的是水性聚氨酯木器漆涂料，又具體分為以下幾個品種：
在家具行業(yè)，消費者對高端產(chǎn)品的接受度不斷提升，實木家具的占比越來越高。同時，消費者對涂料的環(huán)保性和性能方面也提出了更高的要求。那么什么樣的木器漆才是好漆？一般而言，人們認(rèn)為沒味的就是好漆。實際上，除了環(huán)保性之外，木器漆還需具備以下性能：足夠的硬度、耐磨性、光澤度、附著力、耐候性、豐滿度、耐溶劑性等。為了迎合環(huán)保的趨勢，木器漆行業(yè)內(nèi)掀起了一股“油改水”的風(fēng)暴，而不同的水性涂料存在著各自的優(yōu)勢和缺點。
從上表可以看出，以上幾種水性木器漆都存在不同優(yōu)缺點。乳液作為漆的基料，在漆中扮演著至關(guān)重要的角色。因此，科研人員嘗試著把水性丙烯酸酯分散體和水性聚氨酯分散體復(fù)合，通過兩者優(yōu)勢互補，研究出新一代水性聚氨酯---丙烯酸樹脂木器漆，簡稱PUA木器漆。它兼?zhèn)淞硕叩膬?yōu)點，能形成耐磨、耐腐蝕、光亮、柔軟有彈性的漆膜，且漆膜有耐水性強、力學(xué)性能強和耐候性佳等特性，因此被譽為“第三代水性聚氨酯”。
其次是汽車用水性聚氨酯涂料，主要應(yīng)用在汽車底漆、面漆、修補漆工序中。
汽車底漆：汽車底漆即直接涂裝于車身的第一道涂料。世界各國汽車底漆絕大部分使用陰極電泳漆。用封閉型聚氨酯 (PU)、聚酯樹脂、環(huán)氧樹脂等一起，可制備陰極電泳聚氨酯 (PU) 涂料。如今，在走向水性化的過程中，首先將底色漆水性化，能大大降低 VOC 的排放。Nissan 就在 2010最先開始使用水性底色漆的 3C1B 工藝，并且使用雙組分聚氨酯作為清漆滿足外觀的要求。而 Honda 則在水性化底色漆的 3C1B 工藝中，使用溶劑型雙組分聚氨酯中涂底漆，以提高體系的抗石擊性。據(jù)悉，中涂底漆也開始了水性化，豐田 (Toyota) 和通用 (GM) 都開始使用水性 3C1B 工藝。在通用的未來全球工藝規(guī)劃中，使用雙組分聚氨酯清漆的水性3C1B 工藝已經(jīng)成為標(biāo)準(zhǔn)。
聚氨酯 (PU) 電泳涂料主要包括以下 3 類：水性聚氨酯(PU) 樹脂電泳漆、聚氨酯 (PU) 改性水性樹脂電泳漆和水性封閉多異氰酸酯。其中，水性封閉多異氰酸酯作為各種電泳漆的交聯(lián)劑使用最為普遍。
汽車面漆：面包括底色漆與罩光清漆，均可使用涂料。目前使用的面漆主要為溶劑型，但從發(fā)展角度看，水性化、高固體份、粉末化是其發(fā)展方向。現(xiàn)在有的 2 種主要水性底色漆就包括水性聚氨酯底色漆，如科思創(chuàng)商品名字為Bayhydrol? 的水性聚氨酯分散體等等；罩光漆基本為溶劑型雙組分聚氨酯，主要是在多水性涂層的基礎(chǔ)上，采用雙組分溶劑型聚氨酯罩光漆后，VOC 排放已經(jīng)達(dá)到歐洲標(biāo)準(zhǔn)。因此，現(xiàn)有涂裝線上使用水性罩光漆的情況比較少，僅僅在新建設(shè)的涂裝線上使用。當(dāng)然，使用雙組分水性聚氨酯罩光漆也能夠獲得與溶劑型聚氨酯罩光漆相當(dāng)?shù)男阅堋?
面漆的耐候性是其重要指標(biāo)之一，很明顯，面漆將直接暴露于大氣和陽光之中，必須有滿足使用要求的耐候能力。聚氨酯面漆的耐候性要優(yōu)于另外一類廣泛使用的面漆品種丙烯酸磁漆。聚氨酯面漆抗 UV 能力和抗?jié)B水性能均強于丙烯酸磁漆，其綜合性能也是強于丙烯酸磁漆。另外，前些年還開發(fā)了由雙組分水性聚氨酯制成的可直接附著在金屬上面，不需要底漆的水性面漆，它可用于室內(nèi)外車輛上，且防腐蝕性能有重大改進(jìn)。
汽車修補漆：汽車原車漆要求漆膜有比較好的光澤、快干、良好的耐水性、耐溶劑性和耐老化性。汽車修補漆除了要達(dá)到這些性能外，還必須能夠低溫固化，而雙組分聚氨酯涂料正好能滿足這些要求，由丙烯酸酯多元醇和多異氰酸酯組成的雙組分聚氨酯涂料，能室溫或者低溫烘烤固化，可用在汽車的金屬、塑料、木材及其他底材上，這類涂料由于使用了比較多揮發(fā)性有機化合物作為溶劑，因此對環(huán)境造成了嚴(yán)重危害。
隨著各國限制揮發(fā)性有機化合物標(biāo)準(zhǔn)的出臺，對傳統(tǒng)的溶劑型聚氨酯涂料提出了挑戰(zhàn)，前些年又開發(fā)了水性雙組分聚氨酯涂料，并獲得成功。汽車修補漆用的水性雙組分聚氨酯涂料的含羥基組分中通常要加入流平劑、消泡劑、催化劑、光穩(wěn)定劑、增稠劑和有機共溶劑等助劑，再與多異氰酸酯組分混合后加水調(diào)整粘度 , 用噴涂法施工。而用于汽車修補的水性雙組分聚氨酯涂料早已經(jīng)商品化了，其 VOC 比溶劑型聚氨酯涂料低很多，可滿足任何嚴(yán)格的溶劑排放法規(guī)。但是由于其組分中仍然含有乳化劑或有較高的酸值，因此漆膜的耐水性和耐溶劑性等性能仍需繼續(xù)改進(jìn)，另外難以制成較厚而不起泡的涂膜。水性雙組分聚氨酯涂料正在逐步取代傳統(tǒng)的溶劑型涂料，隨著環(huán)保法規(guī)的日益嚴(yán)格，它必將占據(jù)更大的市場份額。
水性聚氨酯其他產(chǎn)品
水性聚氨酯膠粘劑
水性聚氨酯膠粘劑最初在制鞋工藝中使用 ,主要是為了適應(yīng)法律法規(guī)的要求。單組分熱塑型水性聚氨酯膠粘劑的固化 ,主要為水分揮發(fā)后乳液成膜,依靠膠膜與基材之間的物理吸附達(dá)到膠接效果。由于不使用有機溶劑 ,鞋的產(chǎn)過程及最后成品均符合環(huán)保和安全的要求。而與傳統(tǒng)的溶劑型聚氨酯膠粘劑相比 ,其缺點也是很明顯的。水的揮發(fā)速度慢 ,這增加了生產(chǎn)過程中的能耗 ,制鞋的原料多為疏水性 ,容易出現(xiàn)膠膜不連續(xù) ,使膠接部分耐水性差 ,物理吸附的形式經(jīng)常使膠接強度不能令人滿意。
為了提高膠接強度 ,滿足生產(chǎn)需要。雙組分熱固型膠粘劑開始大量使用。這種膠粘劑在使用時 ,通過加入交聯(lián)劑 ,形成ＮＣＯ基團(tuán)與基材的活潑氫發(fā)生化學(xué)交聯(lián) ,使膠接強度明顯增加。
這種膠粘劑所使用的交聯(lián)劑主要為適用于水性體系的異氰酸酯類交聯(lián)劑 ,添加量一般為主劑(水性聚氨酯)的10% 左右 ,加入交聯(lián)劑后 ,膠粘劑必須攪拌均勻。配好的粘劑有適用期限制 ,必須現(xiàn)配現(xiàn)用 ,并盡快用完。目前歐美各國制鞋企業(yè)主要采用這一類聚氨酯膠粘劑。
水性聚氨酯合成革
水性聚氨酯合成革加工采用水性聚氨酯樹脂代替溶劑型樹脂為原料，通過制革生產(chǎn)線制得革成品。水性樹脂不含有毒的有機化學(xué)溶劑，生產(chǎn)過程中揮發(fā)出來的主體是水蒸氣，對人體、環(huán)境無危害，極大地降低了環(huán)境污染的治理費用。另外，采用水性樹脂生產(chǎn)的合成革成品中沒有任何毒性物殘留，完全可以達(dá)到合成革環(huán)保的高要求。在物理性能上，水性聚氨酯高分子鏈中存在氨基甲酸酯基、脲基甲酸酯基、脲基酯基、醚基、酮基、苯環(huán)等一系列多功能基團(tuán)，從而使水性樹脂具有耐水性、耐溶劑性、耐磨性、耐刮性、耐皺折性，透濕、透氣性能，及與真皮一樣的手感。
但是，目前采用水性聚氨酯樹脂生產(chǎn)水性生態(tài)合成革的研發(fā)仍受技術(shù)、設(shè)備和生產(chǎn)工藝所制約。
水性聚氨酯全新應(yīng)用
醫(yī)療用品
2016 年 8 月，蘭州科天健康科技股份有限公司宣布成功研發(fā)出薄至 0.01 中國首款水性聚氨酯避孕套，并率先通過食品藥品監(jiān)督管理局批準(zhǔn)上市，2017 年 5 月 20 日，中國首款水性聚氨酯避孕套品牌中川 001 正式發(fā)布，并通過京東全球首發(fā)。
在中川 001 問世之前，世界上只有日本兩家公司掌握聚氨酯避孕套生產(chǎn)技術(shù)。中川 001 的問世，打破了日本在聚氨酯避孕套生產(chǎn)領(lǐng)域的技術(shù)壟斷，至此中國有了品質(zhì)高端、安全可靠的水性聚氨酯避孕套。中川 001 聚氨酯避孕套薄至0.01 是普通乳膠避孕套厚度的 1/5，幾近于肥皂泡的薄度，而且可以提供更舒適的體驗感，更柔軟更細(xì)膩的親膚觸感，多倍于普通乳膠避孕套的導(dǎo)熱速度。
在帶來完美體驗感的同時，水性聚氨酯避孕套無孔洞、致密度高的特點，也大大增強了避孕套的安全性，除能有效避孕外，還能夠有效阻隔HPV、HIV，HBV 等病毒。同時，聚氨酯避孕套避免了傳統(tǒng)乳膠避孕套中存在的蛋白質(zhì)引起的過敏問題。
化妝品
科思創(chuàng)一直在嘗試將水性聚氨酯運用到新的領(lǐng)域，化妝品就是其中之一。科思創(chuàng)將 Baycusan?C1004 水性聚氨酯分散體應(yīng)用到提拉緊致產(chǎn)品配方中，能夠在皮膚表面快速形成一層隱形的膜，支撐皮膚達(dá)到更佳的緊致效果。聚氨酯隱形膜具有良好的透氣性、成膜性和拉伸性能，可以幫助肌膚產(chǎn)生形變記憶，強化并鞏固緊致效果。將 Baycusan?C1004 添加到眼部或臉部緊致產(chǎn)品里，可以通過簡單的涂敷即時在肌膚上成一層極薄的膜，所形成的膜可以很好地貼合皮膚，使皮膚呈現(xiàn)出年輕緊實的狀態(tài)。
科思創(chuàng)將 Baycusan?C1010 水性聚氨酯分散體應(yīng)用到發(fā)蠟、乳液、霜狀和泡沫類美發(fā)產(chǎn)品，它能在頭發(fā)表面形成具有彈性和拉伸性的薄膜，保持發(fā)型在各種氣候下持久不變，且手感不黏膩。同時，它不會在頭發(fā)上留下殘留。
在亞洲市場，造型產(chǎn)品的最重要標(biāo)準(zhǔn)之一是沒有剝落。Baycusan?C1010 具有強效定型效果且不影響自然外觀。使用后能使頭發(fā)看起來舒服自然。在配方中添加Baycusan?C1010 能使得頭發(fā)在極度潮濕和干燥的環(huán)境中，依然具有良好的定型保持效果。通過實驗室高濕環(huán)境卷曲保持率測試，使Baycusan?C1010 的美發(fā)造型產(chǎn)品無論在標(biāo)準(zhǔn)的 65% 相對濕度環(huán)境，或更高的 90% 相對濕度環(huán)境下，都表現(xiàn)出更優(yōu)異的持久定型效果。更多濾芯膠請訪問www.www.gtpgruppo.com
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