单组分水性聚氨酯涂料的主要制备方法及存在问题

自20世纪60年代以来，进入市场的水性聚氨酯大部分为线型结构的高分子材料。单组分水性聚氨酯涂料属于热塑性树脂，聚合物相对分子量较大，其最大优点是以水为分散介质，作为涂料使用时不含液体有机填料，在成膜过程中只是水分挥发到环境中，符合环保的要求，且施工简单。单组分水性聚氨酯涂料是应用最早的水性聚氨酯涂料，具有很高的断裂延伸率（可达800%）和适当的强度（20 MPa）​，并能常温干燥。

单组分水性聚氨酯涂料的制备方法主要有热固法、封闭端基法、自乳化法、室温固化法、光固化法等。聚氨酯水分散体在应用时与少量外加交联剂混合组成的体系叫热固型水性聚氨酯涂料，也叫作外交联水性聚氨酯涂料。首先，在合成原材料上选用多官能度反应物如多元醇、多元胺扩链剂和多异氰酸酯交联剂等，合成具有交联结构的水性聚氨酯分散体。其次是添加内交联剂，早期的内交联剂有碳化二亚胺和甲亚胺，在聚氨酯乳液中能稳定存在，在涂膜干燥过程中由于水及中和剂的挥发，胶膜的pH值下降，交联反应得以进行。例如，采用氮丙啶，一般用量为聚氨酯质量的3%～5%，就有很好的交联薄膜生成；氨基树脂用量为5%～10%时，需要较高的温度固化；环氧交联剂用量为3%～5%，也要在较高的温度下固化。封闭端基法就是合成含封闭异氰酸酯的水性聚氨酯，封闭水性聚异氰酸酯及含羟基的聚多元醇同时分散在水中，形成单组分体系，是由于多异氰酸酯被苯酚或其他含单官能团活泼氢原子的化合物所封闭，封闭异氰酸酯基团在室温下不会与羟基发生固化反应，也不会与水反应，只有当温度升高到一定程度时，解封以后才能与交联剂发生交联固化反应。具有良好的储藏稳定性。多异氰酸酯组分与苯酚、丙二酸酯、己内酰胺等封闭剂反应生成氨酯键，而氨酯键在加热的情况下又裂解生成异氰酸酯，再与羟基组分反应生成聚氨酯，因此封闭型聚氨酯水性涂料的成膜就是利用不同结构的氨酯键的热稳定性的差异，以较稳定的氨酯键来取代较弱的氨酯键。封闭剂的种类很多，但是芳香族异氰酸酯水性聚氨酯涂料主要用苯酚或甲酚。脂肪族水性聚氨酯漆不用酚类，以免变色，一般用乳酸乙酯、己内酰胺、丙二酸二乙酯、乙酰丙酮、乙酰乙酸乙酯等。自乳化法的关键在于采用合理的工艺制备稳定的水性聚氨酯分散体。在疏水的聚氨酯分子结构中引入亲水的离子基团，制成含离子键的聚氨酯，然后将其分散于水中，并在油水两相体系中进行扩链反应，季铵离子化形成离子时，即得到稳定的水性聚氨酯。这种方法进行的反应可不加外乳化剂，因此又称自乳化法。通常是用低分子量二元醇聚合物、二羟甲基丙酸与异氰酸酯单体反应，其反应产物带—NCO和—COOH，然后再用叔胺中和，以改善其亲水性，再用二元胺扩链得到分子量较高的水分散体。亲水基团越多制成的乳液越稳定，但涂层的耐水性降低。室温固化法是指对于某些热敏基材和大型制件，不能采用加热的方式交联，必须采用室温交联的水性聚氨酯涂料。光固化水性聚氨酯涂料采用电子束辐射、紫外光辐射的高强度辐射引发低活性的聚物体系产生交联固化，考虑到设备投资等因素，目前以紫外光固化形式为主。通常采用不饱和聚酯或者聚醚多元醇制备预聚物，再采用常规的方法引入粒子基团，然后经亲水处理后便制得在主链上带有双键的聚氨酯水分散体，最后与易溶的高活性三丙烯酸烷氧基酯单体、光敏剂等助剂混合就制得光固化水性聚氨酯涂料。

但单组分水性聚氨酯涂料也存在一些问题。因为相对分子量高的聚合物不能形成良好而稳定的水分散体，所以传统的单组分水性聚氨酯涂料通常具有较低的相对分子量或低交联度，并且在其骨架结构中存在亲水性基团，在干燥固化过程中，如果成盐试剂不能完全逸出，那么亲水性基团会残留在体系中，使胶膜耐水性变差，单组分水性聚氨酯的机械和耐化学品性能也较差。