环氧改性水性聚氨酯分散体的合成及应用

郭玉朱强周庚刘志刚（展辰涂料集团股份有限公司，广东深圳 518107）

0 引言

随着环保理念的深入和环境经济政策的强化，发展水性木器涂料成为一个必然趋势。在欧洲、美国、加拿大等发达国家，水性木器涂料的销量已占据整个木器涂料市场的10%。我国水性木器涂料起步较晚，水性木器涂料的销量尚不到整个木器涂料的5%，市场发展空间巨大。水性聚氨酯分散体涂料是水性木器涂料的一个重要组成部分。水性单组分聚氨酯涂料的耐水性、对底材的润湿性、成本等一直是限制其发展的主要原因。本文利用环氧树脂优异的黏结能力、附着力、耐水性、耐化学性等特点，结合蓖麻油成本低廉、对底材表面润湿性好的特点，通过接枝共聚方式将其引入水性聚氨酯分散体链段中，对其进行改性，由此制得了综合性能较优异的水性木器涂料。

1 实验部分

1.1 原材料及规格

异佛尔酮二异氰酸酯（IPDI）：巴斯夫；聚醚二醇（N-210）：相对分子质量1 000，南京金陵石化总公司；二羟甲基丙酸（DMPA）：瑞士Perstop 公司；三羟甲基丙烷（TMP）、一缩二乙二醇（DEG）、环氧树脂（E 51）、二月桂酸二丁基锡（T-12）、丙酮：工业品；三乙胺（TEA）：分析纯，上海润捷化学试剂有限公司；无水乙二胺（EDA）：分析纯，上海强顺化学试剂有限公司。

1.2 合成工艺

依次在反应瓶中加入蓖麻油和聚醚二醇，加热升温至100℃左右，脱水1 h，至不产生气泡为止。降温至50℃左右，加入异佛尔酮二异氰酸酯，升温到90℃，反应2 h，取样测定—NCO 含量，加入计量的二羟甲基丙酸、三羟甲基丙烷、环氧树脂、二月桂酸二丁基锡和一缩二乙二醇，继续反应，测定—NCO 含量。在反应过程中，如果黏度过大，可加入少量丙酮调节黏度。当—NCO 值降至理论值后，将体系温度降至室温，加入计量的三乙胺，搅拌均匀后，在高速搅拌下，缓慢中和。然后，在高剪切搅拌下，加入去离子水进行乳化，再加入扩链剂乙二胺，最后减压抽除丙酮，即得到半透明带蓝光的环氧改性水性聚氨酯分散体。

1.3 配漆及性能测试

以表1 所示的配方配制水性木器涂料。
环氧改性水性聚氨酯木器涂料配方

采用二正丁胺- 盐酸滴定法测定—NCO 值；采用参考文献提供的方法测定吸水率；采用QBY型硬度计，按GB/T 1730—1993 测定漆膜硬度；按照GB/T 23999—2009 测定漆膜的各项技术指标。

2 结果与讨论

2.1 环氧树脂用量的影响

环氧树脂的用量对改性水性聚氨酯分散体贮存稳定性及漆膜性能的影响见表2。

由表2 可见：随着环氧树脂用量的增加，涂膜的吸水率下降，50℃贮存稳定性变差。这是因为环氧基部分开环形成网状交联结构，提高了漆膜的交联密度，耐水性变好。同时环氧树脂结构中含有较强极性的羟基和醚键，可在漆膜与基材界面间产生较强的相互作用力，附着力也随之增大。当环氧树脂用量较大时，由于环氧树脂自聚及其他副反应的发生，贮存稳定性变差。综合考虑，环氧树脂的用量以6% 为宜。

2.2 n—NCO/n—OH（R值）的影响

水性聚氨酯分散体是一种嵌段聚合物，由软段和硬段交替组成。所谓软段是指含有醚键和酯键的低聚多元醇（聚醚和聚酯多元醇）；硬段是指多异氰酸酯、扩链剂等。软段赋予涂膜柔韧性和弹性，因而含较多软段的PU 聚合物具有良好的伸长率和弹性，较低的熔点和玻璃化转变温度；硬段赋予涂膜强度和硬度，使其具有较高的强度、硬度、玻璃化转变温度。因而n—NCO/n—OH（R 值）对乳液成膜物的力学性能有明显的影响。本文以不同R 值合成了环氧改性水性聚氨酯分散体，试验结果如表3 所示。

由表3 可见：随着R 值的增大，体系中氨基甲酸酯基增多，即硬段的比例增大，硬度增大；预聚体中残余的—NCO 基团在乳化时与水或胺反应生成的取代脲增多，内聚能增加，从而提高PU 成膜物的强度和硬度，而脲基本身的亲水性差，故涂膜的耐水性变好，吸水率逐渐减小。在本试验体系中R 值取1.4 时，所合成的乳液和涂膜的综合性能较好。

2.3 蓖麻油用量的影响

蓖麻油是脂肪酸的甘油酯，平均相对分子质量为960，平均官能度是2.7。蓖麻油用量的影响见表4。
蓖麻油用量对改性水性聚氨酯分散体性能的影响

由表4 可见：随着蓖麻油用量的增加，漆膜的硬度增大，贮存稳定性变差。这是由于蓖麻油分子链段中含有双键，漆膜干燥后使PU 体系中形成部分网状结构，增加了成膜物的交联密度，因而硬度增大，吸水率减小。但当蓖麻油用量过大时，由于蓖麻油自聚及其他反应的发生，贮存稳定性变差。综合考虑，蓖麻油用量以20% 为宜。

2.4 水性木器涂料的性能指标和漆膜性能

配制的水性木器涂料的性能指标及检测结果见表5，满足GB/T 23999—2009《室内装饰装修用水性木器涂料》中的技术指标，符合水性木器面漆的性能要求。