水性聚氨酯建筑涂料的發(fā)展及改性分析

計(jì)少妮

摘要：為有效解決水性聚氨酯材料存在耐水性差、機(jī)械強(qiáng)度低等問題，采用交聯(lián)改性及復(fù)合改性方式對(duì)水性聚氨酯材料進(jìn)行結(jié)構(gòu)的改變，形成耐久性、相容性、力學(xué)性能更優(yōu)的改性水性聚氨酯建筑涂料。利用性能測(cè)試的方式，觀察改性水性聚氨酯乳液是否存在沉淀，以此判斷該材料的穩(wěn)定性，并利用環(huán)氧樹脂（E-54）的質(zhì)量分?jǐn)?shù)及加料順序?qū)ν苛系挠绊戇M(jìn)行分析，結(jié)果表明：當(dāng)環(huán)氧樹脂E-54質(zhì)量分?jǐn)?shù)為6%時(shí)，乳液性能較好。

關(guān)鍵詞：水性聚氨酯;建筑涂料;性能測(cè)試;改性

中圖分類號(hào)：TQ637 文獻(xiàn)標(biāo)識(shí)碼：A 文章編號(hào)：1001-5922（2022）07-0073-04

Development and modification analysis of waterborne polyurethane architectural coatings

JI Shaoni

（Architecture Zabor University Of Shaanxi Province， Xi'an 710068， China）

Abstract：In order to effectively solve the problems of poor water resistance and low mechanical strength of waterborne polyurethane materials， crosslinking modification and composite modification were used to change the structure of waterborne polyurethane materials to form modified waterborne polyurethane architectural coatings with better durability， compatibility and mechanical properties. By means of performance test， the precipitation of modified waterborne polyurethane emulsion was observed to judge the stability of the material， and the influence of the content of epoxy resin E-54 and the feeding sequence on the coating was analyzed. The results showed that when the mass fraction of epoxy resin E-54 is 6%， the performance of lotion is better.

Key words：waterborne polyurethane; architectural paint; performance test; modified

隨著我國經(jīng)濟(jì)的不斷發(fā)展，人們對(duì)于建筑物的外觀、功能等方面的要求日益增長，建筑涂料不但要滿足人們對(duì)于裝飾功能的要求，還要滿足建筑物防水、防火、安全等方面的需求。而水性聚氨酯涂料屬于一種高分子材料，可憑借自身優(yōu)異性能廣泛應(yīng)用于建筑領(lǐng)域。但是該材料在合成和使用過程中存在耐水性差、機(jī)械強(qiáng)度低等缺陷，將該材料在環(huán)氧樹脂E-54的基礎(chǔ)上進(jìn)行改性，可有效解決該材料的缺陷問題。

1水性聚氨酯建筑涂料的改性方式

由于水性聚氨酯乳液存在單一性，且在性能上存在一定缺陷，將該乳液直接應(yīng)用于建筑領(lǐng)域中，不利于建筑物的穩(wěn)定構(gòu)建。在水性聚氨酯乳液原有材料的基礎(chǔ)上進(jìn)行改性，可有效解決水性聚氨酯乳液存在的耐高溫性能差、生產(chǎn)成本高等問題。水性聚氨酯涂料的改性工藝主要包括交聯(lián)改性以及復(fù)合改性[1]。

1.1交聯(lián)改性

交聯(lián)改性工藝的方法主要包括自交聯(lián)、內(nèi)交聯(lián)以及外交聯(lián)。而水性聚氨酯涂料的涂抹硬度、光澤度、鮮艷性均較低，并且存在耐水性較差等問題。本研究為有效解決水性聚氨酯涂料存在的問題，利用交聯(lián)改性進(jìn)行實(shí)現(xiàn)。交聯(lián)改性的實(shí)現(xiàn)方法：將線型聚氨酯形成化學(xué)鍵的形式，并利用交聯(lián)改性方式將水性聚氨酯交聯(lián)成網(wǎng)狀結(jié)構(gòu)，該方式可從根源上優(yōu)化水性聚氨酯涂料的力學(xué)性能[2]。

1.2復(fù)合改性

復(fù)合改性方法主要包含5種，其中，丙烯酸酯的耐水性、耐候性等性能較好，可使水性聚氨酯乳液具有高環(huán)保性能。環(huán)氧樹脂的性能十分優(yōu)異，可廣泛應(yīng)用于建筑領(lǐng)域，對(duì)于水性聚氨酯乳液的耐熱、耐水性等具有重要提升作用。有機(jī)硅和氟具有良好的耐熱性，可通過與水性聚氨酯分子充分結(jié)合，形成交聯(lián)密度較大的共聚物，提升水性聚氨酯乳液的性能。天然植物油主要成分為脂肪酸甘油酯，通過該方式對(duì)乳液進(jìn)行改性，可使乳液具有優(yōu)良的耐熱、耐水性。而納米粒子改性方式可為水性聚氨酯材料提供紫外屏蔽、導(dǎo)電、耐磨等性能，具有制備出性能更加優(yōu)異的建筑用涂料的優(yōu)勢(shì)[3]。

2水性聚氨酯建筑涂料的性能測(cè)試

2.1實(shí)驗(yàn)主要原料

水性聚氨酯建筑涂料性能測(cè)試開始之前，首先應(yīng)準(zhǔn)備實(shí)驗(yàn)原料，本次測(cè)試的實(shí)驗(yàn)原料主要包括：異佛爾酮二異氰酸酯、聚丙二醇、二羥甲基丙酸、阿拉丁試劑、1，4-丁二醇、二正丁胺、二丁基二月桂酸錫、三乙胺、乙二胺、丙酮以及環(huán)氧樹脂E-54[4]。

2.2水性聚氨酯涂料合成工藝

環(huán)氧樹脂改性水性聚氨酯的合成工藝流程為：首先對(duì)環(huán)氧樹脂、異佛爾酮二異氰酸酯以及聚丙二醇進(jìn)行含量的確定，將定量后的材料混合均勻，裝入250 mL的燒瓶內(nèi)。為保證實(shí)驗(yàn)材料可以充分混勻，利用油浴加熱的方式，將混合后的材料加熱至85 ℃，熱量保持時(shí)間為2 h。待實(shí)驗(yàn)材料加熱時(shí)間完畢后，向該材料中加入丙酮，2 h后再將溫度降至75 ℃，由于丙酮對(duì)于降低反應(yīng)體系黏度具有重要作用，將丙酮應(yīng)用于水性聚氨酯涂料合成過程中，可有效解決實(shí)驗(yàn)材料過于黏稠的問題。溫度達(dá)到規(guī)定值后，向燒瓶內(nèi)加入混合后的6滴二丁基二月桂酸錫、1，4-丁二醇以及二羥甲基丙酸，溫度保持時(shí)間為4 h，最后向該材料中加入丙酮。為得到異氰酸酯基數(shù)值，可采用二正丁胺法進(jìn)行數(shù)值計(jì)算。將溫度調(diào)至50 ℃后，向其中加入三乙胺進(jìn)行材料中和后，加入去離子水進(jìn)行攪拌，攪拌時(shí)間控制在0.5 h，最后向其中加入乙二胺進(jìn)行減壓蒸餾操作，即可得到環(huán)氧樹脂改性水性聚氨酯 [5]。

2.3涂膜的制作流程

為得到效果較好的涂膜材料，針對(duì)涂膜材料進(jìn)行制作時(shí)，首先應(yīng)準(zhǔn)備聚四氟乙烯板、烘箱。將制成的改性水性聚氨酯乳液均勻涂抹在聚四氟乙烯板上，并放置于室溫條件下晾干，直至淺表層處于干燥狀態(tài)時(shí)，將其放入80 ℃的烘箱內(nèi)進(jìn)行3.0 h的烘干，即可得到厚度約為1 mm的涂膜。

2.4改性水性聚氨酯涂料性能測(cè)試

性能測(cè)試開始之前，首先應(yīng)對(duì)測(cè)試環(huán)境進(jìn)行準(zhǔn)備：改性水性聚氨酯乳液熱穩(wěn)定性測(cè)試采用Pyris Diamond型熱重分析儀，該儀器的溫度在0～500 ℃，其升溫速率高達(dá)10 ℃/min。為觀察改性水性聚氨酯乳液的透亮程度，可采用目測(cè)的方式進(jìn)行外觀查看。對(duì)涂膜硬度進(jìn)行測(cè)量時(shí)可采用GB/T 6739—2006進(jìn)行測(cè)試;涂膜黏度用GB/T 2794—1995測(cè)試。為驗(yàn)證改性水性聚氨酯乳液的拉伸性能，采用CNMT6104型萬能拉力試驗(yàn)機(jī)按GB/T 1040.2—2006測(cè)試，測(cè)試過程中為保證測(cè)量結(jié)果的準(zhǔn)確性，將實(shí)驗(yàn)樣本裁剪成10 mm×4 mm的啞鈴狀，并將膠膜厚度測(cè)量的次數(shù)控制在3次。測(cè)量完畢后，取3次測(cè)量結(jié)果的平均值，拉伸速度250 mm/min，拉伸力為5 000 N[6]。

涂膜在實(shí)際應(yīng)用過程中存在一定吸水性，為避免涂膜因吸水性對(duì)性能造成影響，對(duì)涂膜吸水率進(jìn)行計(jì)算。首先將涂膜材料進(jìn)行裁剪，大小為1 cm×1 cm，該材料的質(zhì)量記作m。裁剪完成的涂膜材料放置于蒸餾水中浸泡48 h后取出，此時(shí)的質(zhì)量可記作m，其吸水率公式：

p=[（m-m）/m]×100% （1）

改性水性聚氨酯乳液內(nèi)部固體含量計(jì)算時(shí)，首先應(yīng)準(zhǔn)備潔凈的玻璃器皿，并將玻璃器皿放置于110 ℃的真空環(huán)境下進(jìn)行干燥，時(shí)間為1.0 h，干燥完畢后將其取出冷卻并稱重，此時(shí)玻璃器皿的質(zhì)量記作W;干燥前試驗(yàn)樣本質(zhì)量記作G。將試驗(yàn)樣本放置于冷卻后的玻璃器皿中，連同玻璃器皿一同放置于110 ℃的真空環(huán)境下進(jìn)行干燥，時(shí)間為2.0 h，干燥完畢后將其取出冷卻并稱重，此時(shí)玻璃器皿加試驗(yàn)樣本的總質(zhì)量記作W。為保證性能測(cè)試結(jié)果的準(zhǔn)確性，重復(fù)上述操作，若連續(xù)兩次誤差皆小于等于0.01 g，其公式：

固體含量=（W-W）/G×100% （2）

改性水性聚氨酯乳液穩(wěn)定性測(cè)試時(shí)，首先稱取10 mL試驗(yàn)樣本，并將該樣本放置于離心機(jī)上，該離心機(jī)的轉(zhuǎn)速為3 500 r/min，轉(zhuǎn)動(dòng)時(shí)間為10 min，離心完畢后將其取出，觀察該乳液是否產(chǎn)生沉淀，若改性水性聚氨酯乳液沒有沉淀產(chǎn)生，可表明該材料的穩(wěn)定性較好，可保存6個(gè)月。

3改性水性聚氨酯建筑涂料性能測(cè)試的結(jié)果分析

3.1環(huán)氧樹酯（E-54）加料順序?qū)Ω男运跃郯滨ネ苛贤庥^的影響

為驗(yàn)證環(huán)氧樹脂（E-54）加料方式對(duì)乳液外觀的影響，采取2種不同方式進(jìn)行加料：

方式1：將反應(yīng)液與環(huán)氧樹脂（E-54）混合后產(chǎn)生反應(yīng)，再進(jìn)行中和，加水;

方式2：在乳液合成過程中，反應(yīng)液先中和，加水，再與環(huán)氧樹脂（E-54）進(jìn)行反應(yīng)后乳化。

不同加料方式對(duì)改性水性聚氨酯涂料產(chǎn)生的影響各不相同，加料方式1的改性水性聚氨酯乳液在外觀上呈透明狀、泛藍(lán)光，無分層現(xiàn)象，該狀態(tài)下的改性水性聚氨酯乳液固體質(zhì)量分?jǐn)?shù)為47.69%，并且該材料具有較強(qiáng)的穩(wěn)定性，無沉淀發(fā)生。而加料方式2的改性水性聚氨酯乳液在外觀上呈半透明狀態(tài)，存在少許渾濁、沉淀現(xiàn)象，該狀態(tài)下的改性水性聚氨酯乳液固體質(zhì)量分?jǐn)?shù)為44.54%，穩(wěn)定性較差。因此，本研究采用方式1改性水性聚氨酯涂料的制備[7]。

3.2環(huán)氧樹酯（E-54）含量對(duì)改性水性聚氨酯涂料性能的影響

環(huán)氧樹脂（E-54）的質(zhì)量分?jǐn)?shù)對(duì)于乳液性能的影響較大，隨著環(huán)氧樹脂（E-54）質(zhì)量分?jǐn)?shù)的持續(xù)增加，可使乳液的硬度不斷增大。對(duì)改性水性聚氨酯乳液的外觀、性能等方面進(jìn)行觀察時(shí)發(fā)現(xiàn)，乳液黏度先增長后下降，外觀由最初的透明泛藍(lán)光轉(zhuǎn)變?yōu)槿榘咨核{(lán)光，穩(wěn)定性逐漸降低，且出現(xiàn)少許沉淀現(xiàn)象。引起改性水性聚氨酯乳液外觀、性能出現(xiàn)變化的主要原因是由于體系中添加了環(huán)氧樹脂，使改性水性聚氨酯乳液出現(xiàn)部分交聯(lián)現(xiàn)象，從而提升乳液的黏度。但是當(dāng)環(huán)氧樹脂（E-54）質(zhì)量分?jǐn)?shù)大于6%的情況下，保持原有的剪切速率對(duì)改性水性聚氨酯乳液進(jìn)行乳化，可使乳液的黏度降低，穩(wěn)定性不斷下降。引起該現(xiàn)象發(fā)生的根本原因：聚氨酯內(nèi)部預(yù)聚體的黏度較高，乳液粒徑較大，對(duì)于乳膠粒表面的電凝滯效應(yīng)具有降低作用，使乳液的外觀等方面出現(xiàn)不同程度的變化。而體系中添加的環(huán)氧樹脂（E-54）具有交聯(lián)結(jié)構(gòu)，可使乳液的分子相互結(jié)合，形成更加密集的分子排列，對(duì)涂抹硬度提高具有重要作用。

3.3環(huán)氧樹酯（E-54）含量對(duì)涂膜吸水率的影響

通常情況下，可將水性聚氨酯的作用分為2種：水進(jìn)入分子間起增塑劑作用，通過水解發(fā)生化學(xué)反應(yīng)，前者具有可逆性;而后者一旦出現(xiàn)，結(jié)果無法改變。環(huán)氧樹脂（E-54）質(zhì)量分?jǐn)?shù)對(duì)涂膜吸水率的影響，如圖1所示。

由圖1可知，涂膜的吸水率可隨環(huán)氧樹脂（E-54）質(zhì)量分?jǐn)?shù)的增加而出現(xiàn)下降現(xiàn)象，該現(xiàn)象可證明涂膜的耐水性能明顯提高。涂膜吸水率下降的主要原因：環(huán)氧樹脂（E-54）內(nèi)部環(huán)氧基開環(huán)，可與乳液中的基團(tuán)形成網(wǎng)狀交聯(lián)結(jié)構(gòu)，對(duì)于聚氨酯分子間結(jié)構(gòu)的緊密性具有重要提升作用。除此之外，環(huán)氧樹脂E-54在反應(yīng)過程中，體系中存在的大量殘留的環(huán)氧基，可在催化劑的作用下與羧基進(jìn)一步交聯(lián)，對(duì)于反應(yīng)體系的交聯(lián)度具有重要的增加作用，這有利于進(jìn)一步降低涂膜的吸水率。

3.4環(huán)氧樹脂（E-54）質(zhì)量分?jǐn)?shù)對(duì)涂膜力學(xué)性能的影響

水性聚氨酯實(shí)際上屬于一種嵌段聚合物，按照結(jié)構(gòu)對(duì)該材料進(jìn)行劃分，可將該聚合物劃分為軟段和硬段;而軟段、硬段的含量及比例可直接決定水性聚氨酯的力學(xué)性能，其原因：軟段對(duì)于涂膜的柔韌性具有重要影響;而硬段對(duì)于涂膜的硬度具有提升作用。通過對(duì)環(huán)氧樹脂（E-54）質(zhì)量分?jǐn)?shù)對(duì)涂膜力學(xué)性能的影響進(jìn)行分析可知，隨著環(huán)氧樹脂（E-54）質(zhì)量分?jǐn)?shù)的不斷增加，可涂膜的拉伸強(qiáng)度增加，其影響原因：聚合物剛性苯環(huán)的結(jié)構(gòu)在環(huán)氧樹脂的作用下逐漸增多，對(duì)于聚氨酯的硬段部分具有增加作用，以致可直接影響涂膜的拉伸強(qiáng)度。

3.5改性水性聚氨酯涂料的熱穩(wěn)定性

本研究采用環(huán)氧樹脂（E-54）質(zhì)量分?jǐn)?shù)為6%、8%分別制備環(huán)氧樹脂改性水性聚氨酯乳液，并將其分別記作EPU-A、EPU-B。對(duì)涂料的熱穩(wěn)定性進(jìn)行分析可知，當(dāng)乳液溫度小于250 ℃的情況下，EPU-A、EPU-B的熱穩(wěn)定性均較好;當(dāng)乳液溫度為250～388 ℃時(shí)，改性水性聚氨酯乳液的熱穩(wěn)定性明顯低于未改性乳液，該現(xiàn)象表明隨著環(huán)氧樹脂（E-54）質(zhì)量分?jǐn)?shù)的不斷增加，對(duì)于改性水性聚氨酯乳液的熱穩(wěn)定性具有不利影響。對(duì)二者的質(zhì)量損失進(jìn)行分析可知，改性水性聚氨酯乳液的耐熱性能隨著環(huán)氧樹脂（E-54）質(zhì)量分?jǐn)?shù)的增加出現(xiàn)大幅度提高現(xiàn)象[8]。

4結(jié)語

本研究采用環(huán)氧樹脂（E-54）對(duì)水性聚氨酯進(jìn)行改性，改性過程中主要按照先改性后中和的方式，將環(huán)氧樹脂（E-54）材料添加至水性聚氨酯涂料中，通過該方式即可制備出性能優(yōu)異的改性涂料。將生成的改性水性聚氨酯涂料與未改性的水性聚氨酯涂料進(jìn)行對(duì)比可知，改性后的EPU-A熱穩(wěn)定性能明顯提高。當(dāng)環(huán)氧樹脂（E-54）質(zhì)量分?jǐn)?shù)為6%時(shí)，乳液

的性能較好，可將其廣泛應(yīng)用于建筑領(lǐng)域。

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