水性聚氨酯在合成革中的應(yīng)用分析

＊鮑廣明

（安徽安利材料科技股份有限公司 安徽 231200）

引言

目前，合成革產(chǎn)品十分常見(jiàn)，可制成服裝、鞋面、手提包等，而合成革的品質(zhì)由多種性能決定，包括抗老化性、透氣性以及透濕性，這也與其涂層材料有關(guān)?；诖耍疚膶?duì)合成革中水性聚氨酯的應(yīng)用進(jìn)行了簡(jiǎn)要分析。

1.水性聚氨酯材料的發(fā)展

水性聚氨酯材料是指將水代替?zhèn)鹘y(tǒng)溶劑聚氨酯中的有機(jī)溶劑，利用水來(lái)進(jìn)行聚氨酯分散的一種材料，因而在使用的過(guò)程中具有著無(wú)污染、相容性較好以及安全性較高的特點(diǎn)。水性聚氨酯已經(jīng)有了幾十年的發(fā)展歷史，該種材料的迅速發(fā)展階段為20世紀(jì)70年代左右，一開始在國(guó)外部分發(fā)達(dá)國(guó)家大批量生產(chǎn)應(yīng)用；在國(guó)內(nèi)，該種材料是在產(chǎn)品低污染性發(fā)展后得到廣泛應(yīng)用。比如說(shuō)合成革行業(yè)中應(yīng)用聚氨酯材料做表面涂層，最開始普遍應(yīng)用溶劑型聚氨酯，但隨著環(huán)境保護(hù)力度加大，水性聚氨酯的替代性應(yīng)用成為合成革行業(yè)未來(lái)發(fā)展趨勢(shì)。當(dāng)前，人們對(duì)產(chǎn)品需求的提升，水性聚氨酯的研發(fā)和優(yōu)化也在不斷進(jìn)行，其也會(huì)在各領(lǐng)域當(dāng)中得到良好應(yīng)用[1]。

2.水性聚氨酯材料在合成革中的應(yīng)用優(yōu)勢(shì)

3.水性聚氨酯材料在合成革后整理中的應(yīng)用特性

(1)試驗(yàn)部分

為了研究合成革后整理當(dāng)中水性聚氨酯材料的實(shí)際應(yīng)用特性，本文以試驗(yàn)的方式進(jìn)行探究，主要是設(shè)計(jì)對(duì)照試驗(yàn)，將使用水性聚氨酯材料完成合成革后整理情況與使用溶劑型聚氨酯對(duì)合成革進(jìn)行涂飾的情況進(jìn)行對(duì)比，深入研究水性聚氨酯材料在合成革后整理當(dāng)中體現(xiàn)出的各種性能，包括透氧性、透水汽性、抗老化性等，試驗(yàn)結(jié)果充分體現(xiàn)出水性聚氨酯材料的特性，有利于促進(jìn)該材料在今后合成革應(yīng)用中的發(fā)展。

①相關(guān)材料與儀器

本次試驗(yàn)所使用的材料包括：聚丙多元醇N-210/220/330試劑，其相對(duì)分子質(zhì)量分別為1000、2000以及3000，其純度規(guī)格為分析純；甲苯二異氰酸酯試劑，其純度規(guī)格為分析純；二羥甲基丙酸試劑，4-丁二醇試劑，規(guī)格為分析純；工業(yè)級(jí)蓖麻油；N-二甲基甲酰胺試劑，進(jìn)行脫水24h的4A分子篩，該分子篩性質(zhì)為吸附分子直徑小于4A的各種分子；三乙胺試劑，規(guī)格為分析純；丙酮試劑，以上試劑均為同一化工試劑廠生產(chǎn)提供。除此之外，還會(huì)運(yùn)用到一些自制試劑與材料，包括去離子水材料、手感劑、填料Filler-H以及顏料膏材料，同時(shí)還要準(zhǔn)備溶劑型聚氨酯涂飾材料、荔枝紋合成革材料以及山羊紋合成革材料，其中山羊紋合成革材料使用溶劑型聚氨酯涂飾，而荔枝紋合成革材料將用水性聚氨酯材料做底涂，溶劑型聚氨酯材料做頂涂。

本次試驗(yàn)所使用的儀器設(shè)備包括：從專業(yè)天平生產(chǎn)公司購(gòu)入到電子天平設(shè)備；專業(yè)調(diào)溫調(diào)濕箱設(shè)備，型號(hào)為CS302；真空干燥箱設(shè)備，型號(hào)為DZF-6020；板式壓花機(jī)設(shè)備，型號(hào)為GJ5D2；數(shù)字旋轉(zhuǎn)黏度計(jì)裝置，型號(hào)為NDJ-5S；透氣性測(cè)試儀器設(shè)備，型號(hào)為BTY-B1P；透水汽測(cè)試儀器設(shè)備；低溫耐曲折機(jī)設(shè)備以及低溫曲繞儀器；合成革顏色摩擦度檢測(cè)儀器，型號(hào)為GJ9E1。此外，還會(huì)運(yùn)用到一些基礎(chǔ)試驗(yàn)工具，像是試驗(yàn)支架、溫度計(jì)、機(jī)械攪拌器以及燒瓶等。

②合成水性聚氨酯

先是進(jìn)行水性聚氨酯的制備合成，取上述準(zhǔn)備的聚丙多元醇的三種規(guī)格試劑，再取一定的蓖麻油試劑進(jìn)行真空干燥脫水處理，將處理好的兩種材料放入到燒瓶工具中，同時(shí)配置好溫度計(jì)、機(jī)械攪拌器以及冷凝回流管。當(dāng)處于低溫條件時(shí)，向燒瓶中加入甲苯二異氰酸酯試劑，同時(shí)再加入少量的催化劑，然后開始對(duì)燒瓶進(jìn)行升溫，一直升到溫度計(jì)顯示為80℃，等待其進(jìn)行2～3h的催化反應(yīng)，溫度會(huì)在這一過(guò)程中自然下降到55℃左右，然后再加入4-丁二醇試劑，同時(shí)加入使用N-二甲基甲酰胺試劑溶解處理后的二羥甲基丙酸，進(jìn)一步促進(jìn)擴(kuò)鏈，然后測(cè)定異氰酸酯基的值，待到其達(dá)到理論值后，再加入丙酮試劑，對(duì)其黏度進(jìn)一步調(diào)節(jié)，需注意加入的丙酮控制少量。隨后加入三乙胺試劑來(lái)進(jìn)一步中和，通過(guò)機(jī)械攪拌器的快速攪拌，邊攪拌邊加入去離子水，最后對(duì)混合試劑進(jìn)行減壓式蒸餾處理，將其中的多余溶劑水分去除，最終形成聚氨酯乳液，具有一定的穩(wěn)定性。此外，還以相同方式制備了許多不同模量的聚氨酯乳液，主要是對(duì)原料試劑進(jìn)行用量調(diào)控。

首先以羅列的方式給出一些觀點(diǎn).這些觀點(diǎn)是筆者從2014年初組織“人教A版”高中教材修訂前期研究開始，經(jīng)過(guò)長(zhǎng)期思考、提煉而成，某種意義上也是集體研究的智慧結(jié)晶.

③合成革后整理工藝

將上述制備的不同模量水性聚氨酯乳液混合進(jìn)填料Filler-H以及顏料膏材料，注意控制三者的混合比例，最后獲得的漿料應(yīng)當(dāng)保證黏度值達(dá)到2000Pa·s，然后對(duì)合成革進(jìn)行貝斯改色處理，使用漿料進(jìn)行涂飾，控制實(shí)際使用漿料的用量在每米80～90g，上料后進(jìn)行干燥處理，其干燥溫度值控制在90℃，具體干燥線的速度約為15m/min，干燥處理后的改色層水分會(huì)充分揮發(fā)，這時(shí)就可進(jìn)行合成革壓花處理，具體采用滾壓方式，施加的壓力值為30kg，持續(xù)時(shí)間約3s，保持壓花溫度達(dá)到190℃，最后進(jìn)行表層的滾水性PU光油處理即可完成整個(gè)后整理工藝，獲得合成革涂飾后的成品[3]。

④成革后的性能測(cè)試

A.測(cè)定革的透水汽性

合成革使用水性聚氨酯材料后整理后，為了探析水性聚氨酯應(yīng)用的實(shí)際效果，還要對(duì)合成革進(jìn)行一系列性能測(cè)試。首先就是對(duì)合成革的透水汽性進(jìn)行測(cè)定，本次測(cè)定采用動(dòng)態(tài)法，具體流程如下：取硅膠材料進(jìn)行烘干并過(guò)夜處理，然后使用電子天平秤取60g放入到燒瓶當(dāng)中，設(shè)定其總質(zhì)量為m1，再將燒瓶架設(shè)到支架上，啟動(dòng)電機(jī)，控制風(fēng)扇的轉(zhuǎn)速參數(shù)為1400r/min，調(diào)整溫度值在20℃，控制其相對(duì)濕度為65%左右。待整個(gè)電機(jī)轉(zhuǎn)動(dòng)約16h以后將其關(guān)閉，將燒瓶從支架取下，這時(shí)再使用電子天平秤其質(zhì)量，設(shè)定為m2。再取一個(gè)燒瓶中放入已知質(zhì)量的過(guò)夜烘干硅膠、約半瓶，記錄其總質(zhì)量為m3，將其放在支架上固定并啟動(dòng)電機(jī)，相同電機(jī)條件下轉(zhuǎn)動(dòng)7h后停止電機(jī)，這時(shí)再秤其質(zhì)量為m4，隨后對(duì)合成革樣品的透水汽量參數(shù)進(jìn)行計(jì)算，依據(jù)以下公式。

其中，m=m2-m1+m4-m3，g；A表示的是燒瓶口的表面積，cm2；r表示實(shí)際測(cè)試的表面半徑值，cm；t表示的是實(shí)際測(cè)定時(shí)間，h。

B.測(cè)定革的透氧性

合成革的透氧性測(cè)定決定著合成革的透氣效果，也表現(xiàn)出水性聚氨酯在合成革中的應(yīng)用成效。實(shí)際測(cè)定合成革透氧性的試驗(yàn)流程如下：先取合成革材料樣品并裁剪為圓形，其直徑控制在86mm以內(nèi)，整體厚度普遍均勻，再對(duì)圓形樣品的周邊位置涂抹油脂材料，然后將其安裝在專業(yè)的測(cè)試儀器上，調(diào)整儀器的氣壓參數(shù)值為0.5MPa，控制溫度在23℃左右，調(diào)節(jié)至50% RH的相對(duì)濕度值，然后開始啟動(dòng)測(cè)定儀器測(cè)量，對(duì)測(cè)量的透氧性結(jié)果加以記錄。透氧性測(cè)定最終可以獲得合成革應(yīng)用水性聚氨酯后對(duì)氣體以及部分液體的阻隔效果。

C.測(cè)定革的耐干濕擦以及低溫耐曲折性

合成革材料的用途意味著其耐干濕擦性以及耐低溫曲折性都是重要性能，而水性聚氨酯在合成革中的應(yīng)用必然會(huì)對(duì)這兩項(xiàng)性能造成影響，因此，在探究水性聚氨酯應(yīng)用效果上，也需對(duì)上述兩項(xiàng)性能進(jìn)行測(cè)定。首先是合成革耐干濕擦性能的測(cè)定流程：針對(duì)合成革的水性聚氨酯涂層進(jìn)行測(cè)定，主要是采用傳統(tǒng)皮革的耐摩擦牢度測(cè)試手段，將合成革樣品放入到毛氈和長(zhǎng)孔之間并進(jìn)行固定，然后將機(jī)器的摩擦頭使用襯布來(lái)進(jìn)行包裹，再將干濕擦測(cè)定專業(yè)儀器啟動(dòng)，該儀器在擦動(dòng)過(guò)程中保持每分鐘摩擦頭進(jìn)行30次摩擦，待到儀器進(jìn)行了25次往返摩擦運(yùn)動(dòng)后關(guān)閉儀器，將合成革的表面涂層情況與灰色卡樣進(jìn)行比對(duì)，分析其摩擦后的褪色情況，從而確定合成革應(yīng)用水性聚氨酯做涂層后的耐干濕擦性能，此處需注意的是，若探究耐干擦性能，要使用干燥襯布包裹摩擦頭，而探究耐濕擦性能，則需使用濕水襯布來(lái)包裹摩擦頭，其襯布的水分含量要控制在70%～75%范圍內(nèi)，而摩擦運(yùn)動(dòng)的往返次數(shù)降低至20次。其次是對(duì)合成革進(jìn)行低溫耐曲折性測(cè)定，取合成革樣品放在低溫曲繞儀器上，然后調(diào)整儀器測(cè)定的溫度值為零下20℃，將儀器啟動(dòng)并記錄曲繞儀的曲折次數(shù)，一直到合成革的涂層開裂位置，通過(guò)其總曲折次數(shù)來(lái)判斷涂層的低溫曲折性能。

D.測(cè)定革的抗老化性

對(duì)于合成革抗老化性的測(cè)定，先是控制測(cè)定條件為60℃溫度，因而高溫環(huán)境可加速合成革的老化，然后使用可發(fā)射輻射紫外線光的燈光設(shè)備直接對(duì)合成革樣品照射，其具體的輻射能量約為1.38W/m2，這種條件基本是兩倍的太陽(yáng)光輻射效果。實(shí)際照射測(cè)定的時(shí)間為100h，在整個(gè)過(guò)程中需使用自動(dòng)記錄型分光光度計(jì)來(lái)記錄，并對(duì)比分析合成革表面的顏色變化，最終取黃色指數(shù)表示革的抗老化性能，用YI來(lái)表示老化后的黃色指數(shù)，其具體的計(jì)算公式如下。

在上述計(jì)算公式中，通過(guò)測(cè)定獲得的三刺激值分別用X、Y、Z來(lái)表示，通過(guò)計(jì)算之后還要進(jìn)一步求得△YI，△YI=YI-YI0，其中在實(shí)施人工加速處理合成革老化之前的革黃色指數(shù)用YI0，使用老化后黃色指數(shù)與老化前黃色指數(shù)對(duì)比，即可獲得合成革的抗老化效果，即△YI值越大，說(shuō)明合成革老化的程度越嚴(yán)重、速度越快。

(2)試驗(yàn)結(jié)果分析

通過(guò)完成上述制定與測(cè)定合成革性能試驗(yàn)后，對(duì)其試驗(yàn)結(jié)果進(jìn)行深入討論和分析，進(jìn)一步明確水性聚氨酯在合成革中做涂層應(yīng)用的性能特點(diǎn)，探討應(yīng)用該種材料后合成革本身會(huì)受到哪些影響。

①材料對(duì)合成革透濕性的影響

對(duì)透水汽性進(jìn)行測(cè)定即為判斷水性聚氨酯對(duì)合成革透濕性能的影響，一般來(lái)說(shuō)，合成革的透濕性越強(qiáng)，其品質(zhì)等級(jí)就越高，為此針對(duì)該項(xiàng)性能進(jìn)行重點(diǎn)研究。結(jié)合測(cè)定結(jié)果來(lái)說(shuō)，未經(jīng)過(guò)任何聚氨酯涂飾的合成革透濕性是相對(duì)較強(qiáng)的，而經(jīng)過(guò)溶劑型聚氨酯涂飾處理后，其本身的透濕性會(huì)明顯下降。分析該情況出現(xiàn)的原因是：聚氨酯本身是一種聚合物，在合成革涂飾后會(huì)在表面形成一層具有密閉性的薄膜，這種薄膜會(huì)適當(dāng)阻礙一些水滴、水汽的進(jìn)入，使合成革具有一定的防水效果和保暖效果。同時(shí)，該薄膜也會(huì)降低熱量的傳遞效果。但合成革應(yīng)用水性聚氨酯涂飾后，其約為溶劑型聚氨酯涂飾后合成革透濕性的8倍，這與水性聚氨酯的化學(xué)性質(zhì)有關(guān)，在制備水性聚氨酯的過(guò)程中，會(huì)加入二羥甲基丙酸以及聚丙多元醇，從而使原本的聚氨酯分子式中增加許多親水性化學(xué)鍵，比如羧基和醚鍵，這些化學(xué)基團(tuán)具有捕捉水分子的能力，還能夠通過(guò)促進(jìn)聚氨酯大分子的熱運(yùn)動(dòng)，從而提升了透濕性及透水汽性，相反溶劑型聚氨酯中就沒(méi)有大量親水化學(xué)基團(tuán)，基本只通過(guò)薄膜中的細(xì)小孔隙來(lái)透水汽，因而導(dǎo)致透濕性不佳，使用該類型聚氨酯做涂飾的合成革透濕性效果遠(yuǎn)遠(yuǎn)低于應(yīng)用水性聚氨酯的合成革，而應(yīng)用半水性聚氨酯的合成革透濕性介于兩者之間[4]。

②材料對(duì)合成革透氧性的影響

通過(guò)上述測(cè)定試驗(yàn)發(fā)現(xiàn)，不管是采用哪種聚氨酯進(jìn)行涂飾，合成革的透氧性都會(huì)下降，但相比于溶劑型聚氨酯，水性聚氨酯應(yīng)用的合成革透氧性會(huì)更佳，透氧程度約為其2倍。這主要是由于氣體是通過(guò)聚氨酯薄膜表面的微孔來(lái)進(jìn)行傳遞，但水性聚氨酯的分子中引入了羧基，在有水汽的情況下，羧基會(huì)根據(jù)反離子原理而聚集在一起，促使著大分子呈現(xiàn)出離子簇形式，即為乳膠粒形態(tài)，整體的分子鏈?zhǔn)请y以完全舒展開來(lái)的，但溶劑型聚氨酯卻是由于相似相溶原理，當(dāng)處于水汽存在條件下，分子會(huì)較為分散，整體分子鏈可進(jìn)行完全舒展，基本無(wú)相關(guān)阻力，因而分子之間的連接也十分緊密，形成的表面微孔數(shù)量會(huì)相對(duì)較少，使得透氧性偏低。水性聚氨酯在涂層后形成薄膜過(guò)程中，也會(huì)由于分子在水分中的不斷揮發(fā)，進(jìn)一步提升反離子作用，分散體的濃度值會(huì)不斷上升，當(dāng)達(dá)到某一濃度后，分子粒子之間還會(huì)形成毛細(xì)孔，具有一定的黏結(jié)效果，讓聚合物產(chǎn)生自黏效果，從而在涂層表面形成薄膜，其聚合物的存在也意味著會(huì)生成微孔，便于透入氣體，因而透氧性相對(duì)溶劑型聚氨酯而偏高。同理可推斷，應(yīng)用半水性聚氨酯的合成革透氧性介于前兩者之間。

③耐干濕擦牢度以及低溫耐曲折性

合成革在投入使用后必然會(huì)經(jīng)過(guò)多種摩擦，因而合成革的涂層耐干濕擦牢度也是十分重要，直接影響大合成革品質(zhì)，要保證經(jīng)過(guò)一些摩擦后，涂層的顏色不發(fā)生改變也不出現(xiàn)脫落。結(jié)合測(cè)定結(jié)果分析發(fā)現(xiàn)，水性聚氨酯與溶劑型聚氨酯在合成革表面形成的涂層耐干擦性能比較相近，但是在耐濕擦牢度方面，水性聚氨酯的涂層卻略低于溶劑型聚氨酯涂層，這也是由于水性聚氨酯具有一定的親水化學(xué)基團(tuán)，因而會(huì)產(chǎn)生親水性，經(jīng)過(guò)摩擦后牢度會(huì)下滑。在低溫耐曲折性方面，由于合成革使用會(huì)在不同日照、氣溫以及空氣濕度條件下經(jīng)過(guò)反復(fù)的彎曲，因此低溫耐曲折性也會(huì)影響品質(zhì)，根據(jù)實(shí)際測(cè)定結(jié)果來(lái)看，應(yīng)用水性聚氨酯的合成革低溫耐曲折次數(shù)可超過(guò)4萬(wàn)，而應(yīng)用溶劑型聚氨酯的合成革低溫耐曲折次數(shù)約為2萬(wàn)，由此可見(jiàn)合成革中應(yīng)用水性聚氨酯后的低溫耐曲折性能會(huì)比較好。

④合成革涂層的耐老化性

通過(guò)測(cè)定發(fā)現(xiàn)，不管是應(yīng)用水性聚氨酯還是溶劑型聚氨酯的合成革黃變指數(shù)都超過(guò)30，這表明產(chǎn)品本身的耐老化性是比較低的，這主要是由于聚氨酯本身在經(jīng)過(guò)紫外線照射后會(huì)發(fā)生氧化反應(yīng)，且其吸收紫外光的波長(zhǎng)增加，進(jìn)一步吸收紫外線中的藍(lán)紫光，從而引發(fā)出黃變情況，加速合成革表面涂層的老化[5]。

4.結(jié)論

綜上所述，水性聚氨酯材料在合成革領(lǐng)域中的應(yīng)用具有很多優(yōu)點(diǎn)，但其同樣具有一些不足之處，未來(lái)還將會(huì)不斷改進(jìn)發(fā)展，以發(fā)揮出更多應(yīng)用價(jià)值。由分析可知，合成革生產(chǎn)中將水性聚氨酯作為涂層運(yùn)用，會(huì)改變合成革本身的透氧氣性、透水汽性、低溫耐曲折性、耐擦牢度以及抗老化性等。