水性聚氨酯建筑涂料的发展及改性分析

计少妮

摘要：为有效解决水性聚氨酯材料存在耐水性差、机械强度低等问题，采用交联改性及复合改性方式对水性聚氨酯材料进行结构的改变，形成耐久性、相容性、力学性能更优的改性水性聚氨酯建筑涂料。利用性能测试的方式，观察改性水性聚氨酯乳液是否存在沉淀，以此判断该材料的稳定性，并利用环氧树脂（E-54）的质量分数及加料顺序对涂料的影响进行分析，结果表明：当环氧树脂E-54质量分数为6%时，乳液性能较好。

关键词：水性聚氨酯;建筑涂料;性能测试;改性

中图分类号：TQ637 文献标识码：A 文章编号：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

随着我国经济的不断发展，人们对于建筑物的外观、功能等方面的要求日益增长，建筑涂料不但要满足人们对于装饰功能的要求，还要满足建筑物防水、防火、安全等方面的需求。而水性聚氨酯涂料属于一种高分子材料，可凭借自身优异性能广泛应用于建筑领域。但是该材料在合成和使用过程中存在耐水性差、机械强度低等缺陷，将该材料在环氧树脂E-54的基础上进行改性，可有效解决该材料的缺陷问题。

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单一性，且在性能上存在一定缺陷，将该乳液直接应用于建筑领域中，不利于建筑物的稳定构建。在水性聚氨酯乳液原有材料的基础上进行改性，可有效解决水性聚氨酯乳液存在的耐高温性能差、生产成本高等问题。水性聚氨酯涂料的改性工艺主要包括交联改性以及复合改性[1]。

1.1交联改性

交联改性工藝的方法主要包括自交联、内交联以及外交联。而水性聚氨酯涂料的涂抹硬度、光泽度、鲜艳性均较低，并且存在耐水性较差等问题。本研究为有效解决水性聚氨酯涂料存在的问题，利用交联改性进行实现。交联改性的实现方法：将线型聚氨酯形成化学键的形式，并利用交联改性方式将水性聚氨酯交联成网状结构，该方式可从根源上优化水性聚氨酯涂料的力学性能[2]。

1.2复合改性

复合改性方法主要包含5种，其中，丙烯酸酯的耐水性、耐候性等性能较好，可使水性聚氨酯乳液具有高环保性能。环氧树脂的性能十分优异，可广泛应用于建筑领域，对于水性聚氨酯乳液的耐热、耐水性等具有重要提升作用。有机硅和氟具有良好的耐热性，可通过与水性聚氨酯分子充分结合，形成交联密度较大的共聚物，提升水性聚氨酯乳液的性能。天然植物油主要成分为脂肪酸甘油酯，通过该方式对乳液进行改性，可使乳液具有优良的耐热、耐水性。而纳米粒子改性方式可为水性聚氨酯材料提供紫外屏蔽、导电、耐磨等性能，具有制备出性能更加优异的建筑用涂料的优势[3]。

2水性聚氨酯建筑涂料的性能测试

2.1实验主要原料

水性聚氨酯建筑涂料性能测试开始之前，首先应准备实验原料，本次测试的实验原料主要包括：异佛尔酮二异氰酸酯、聚丙二醇、二羟甲基丙酸、阿拉丁试剂、1，4-丁二醇、二正丁胺、二丁基二月桂酸锡、三乙胺、乙二胺、丙酮以及环氧树脂E-54[4]。

2.2水性聚氨酯涂料合成工艺

环氧树脂改性水性聚氨酯的合成工艺流程为：首先对环氧树脂、异佛尔酮二异氰酸酯以及聚丙二醇进行含量的确定，将定量后的材料混合均匀，装入250 mL的烧瓶内。为保证实验材料可以充分混匀，利用油浴加热的方式，将混合后的材料加热至85 ℃，热量保持时间为2 h。待实验材料加热时间完毕后，向该材料中加入丙酮，2 h后再将温度降至75 ℃，由于丙酮对于降低反应体系黏度具有重要作用，将丙酮应用于水性聚氨酯涂料合成过程中，可有效解决实验材料过于黏稠的问题。温度达到规定值后，向烧瓶内加入混合后的6滴二丁基二月桂酸锡、1，4-丁二醇以及二羟甲基丙酸，温度保持时间为4 h，最后向该材料中加入丙酮。为得到异氰酸酯基数值，可采用二正丁胺法进行数值计算。将温度调至50 ℃后，向其中加入三乙胺进行材料中和后，加入去离子水进行搅拌，搅拌时间控制在0.5 h，最后向其中加入乙二胺进行减压蒸馏操作，即可得到环氧树脂改性水性聚氨酯 [5]。

2.3涂膜的制作流程

为得到效果较好的涂膜材料，针对涂膜材料进行制作时，首先应准备聚四氟乙烯板、烘箱。将制成的改性水性聚氨酯乳液均匀涂抹在聚四氟乙烯板上，并放置于室温条件下晾干，直至浅表层处于干燥状态时，将其放入80 ℃的烘箱内进行3.0 h的烘干，即可得到厚度约为1 mm的涂膜。

2.4改性水性聚氨酯涂料性能测试

性能测试开始之前，首先应对测试环境进行准备：改性水性聚氨酯乳液热稳定性测试采用Pyris Diamond型热重分析仪，该仪器的温度在0～500 ℃，其升温速率高达10 ℃/min。为观察改性水性聚氨酯乳液的透亮程度，可采用目测的方式进行外观查看。对涂膜硬度进行测量时可采用GB/T 6739—2006进行测试;涂膜黏度用GB/T 2794—1995测试。为验证改性水性聚氨酯乳液的拉伸性能，采用CNMT6104型万能拉力试验机按GB/T 1040.2—2006测试，测试过程中为保证测量结果的准确性，将实验样本裁剪成10 mm×4 mm的哑铃状，并将胶膜厚度测量的次数控制在3次。测量完毕后，取3次测量结果的平均值，拉伸速度250 mm/min，拉伸力为5 000 N[6]。

涂膜在实际应用过程中存在一定吸水性，为避免涂膜因吸水性对性能造成影响，对涂膜吸水率进行计算。首先将涂膜材料进行裁剪，大小为1 cm×1 cm，该材料的质量记作m。裁剪完成的涂膜材料放置于蒸馏水中浸泡48 h后取出，此时的质量可记作m，其吸水率公式：

p=[（m-m）/m]×100% （1）

改性水性聚氨酯乳液内部固体含量计算时，首先应准备洁净的玻璃器皿，并将玻璃器皿放置于110 ℃的真空环境下进行干燥，时间为1.0 h，干燥完毕后将其取出冷却并称重，此时玻璃器皿的质量记作W;干燥前试验样本质量记作G。将试验样本放置于冷却后的玻璃器皿中，连同玻璃器皿一同放置于110 ℃的真空环境下进行干燥，时间为2.0 h，干燥完毕后将其取出冷却并称重，此时玻璃器皿加试验样本的总质量记作W。为保证性能测试结果的准确性，重复上述操作，若连续两次误差皆小于等于0.01 g，其公式：

固体含量=（W-W）/G×100% （2）

改性水性聚氨酯乳液稳定性测试时，首先称取10 mL试验样本，并将该样本放置于离心机上，该离心机的转速为3 500 r/min，转动时间为10 min，离心完毕后将其取出，观察该乳液是否产生沉淀，若改性水性聚氨酯乳液没有沉淀产生，可表明该材料的稳定性较好，可保存6个月。

3改性水性聚氨酯建筑涂料性能测试的结果分析

3.1环氧树酯（E-54）加料顺序对改性水性聚氨酯涂料外观的影响

为验证环氧树脂（E-54）加料方式对乳液外观的影响，采取2种不同方式进行加料：

方式1：将反应液与环氧树脂（E-54）混合后产生反应，再进行中和，加水;

方式2：在乳液合成过程中，反应液先中和，加水，再与环氧树脂（E-54）进行反应后乳化。

不同加料方式对改性水性聚氨酯涂料产生的影响各不相同，加料方式1的改性水性聚氨酯乳液在外观上呈透明状、泛蓝光，无分层现象，该状态下的改性水性聚氨酯乳液固体质量分数为47.69%，并且该材料具有较强的稳定性，无沉淀发生。而加料方式2的改性水性聚氨酯乳液在外观上呈半透明状态，存在少许浑浊、沉淀现象，该状态下的改性水性聚氨酯乳液固体质量分数为44.54%，稳定性较差。因此，本研究采用方式1改性水性聚氨酯涂料的制备[7]。

3.2环氧树酯（E-54）含量对改性水性聚氨酯涂料性能的影响

环氧树脂（E-54）的质量分数对于乳液性能的影响较大，随着环氧树脂（E-54）质量分数的持续增加，可使乳液的硬度不断增大。对改性水性聚氨酯乳液的外观、性能等方面进行观察时发现，乳液黏度先增长后下降，外观由最初的透明泛蓝光转变为乳白色泛蓝光，稳定性逐渐降低，且出现少许沉淀现象。引起改性水性聚氨酯乳液外观、性能出现变化的主要原因是由于体系中添加了环氧树脂，使改性水性聚氨酯乳液出现部分交联现象，从而提升乳液的黏度。但是当环氧树脂（E-54）质量分数大于6%的情况下，保持原有的剪切速率对改性水性聚氨酯乳液进行乳化，可使乳液的黏度降低，稳定性不断下降。引起該现象发生的根本原因：聚氨酯内部预聚体的黏度较高，乳液粒径较大，对于乳胶粒表面的电凝滞效应具有降低作用，使乳液的外观等方面出现不同程度的变化。而体系中添加的环氧树脂（E-54）具有交联结构，可使乳液的分子相互结合，形成更加密集的分子排列，对涂抹硬度提高具有重要作用。

3.3环氧树酯（E-54）含量对涂膜吸水率的影响

通常情况下，可将水性聚氨酯的作用分为2种：水进入分子间起增塑剂作用，通过水解发生化学反应，前者具有可逆性;而后者一旦出现，结果无法改变。环氧树脂（E-54）质量分数对涂膜吸水率的影响，如图1所示。

由图1可知，涂膜的吸水率可随环氧树脂（E-54）质量分数的增加而出现下降现象，该现象可证明涂膜的耐水性能明显提高。涂膜吸水率下降的主要原因：环氧树脂（E-54）内部环氧基开环，可与乳液中的基团形成网状交联结构，对于聚氨酯分子间结构的紧密性具有重要提升作用。除此之外，环氧树脂E-54在反应过程中，体系中存在的大量残留的环氧基，可在催化剂的作用下与羧基进一步交联，对于反应体系的交联度具有重要的增加作用，这有利于进一步降低涂膜的吸水率。

3.4环氧树脂（E-54）质量分数对涂膜力学性能的影响

水性聚氨酯实际上属于一种嵌段聚合物，按照结构对该材料进行划分，可将该聚合物划分为软段和硬段;而软段、硬段的含量及比例可直接决定水性聚氨酯的力学性能，其原因：软段对于涂膜的柔韧性具有重要影响;而硬段对于涂膜的硬度具有提升作用。通过对环氧树脂（E-54）质量分数对涂膜力学性能的影响进行分析可知，随着环氧树脂（E-54）质量分数的不断增加，可涂膜的拉伸强度增加，其影响原因：聚合物刚性苯环的结构在环氧树脂的作用下逐渐增多，对于聚氨酯的硬段部分具有增加作用，以致可直接影响涂膜的拉伸强度。

3.5改性水性聚氨酯涂料的热稳定性

本研究采用环氧树脂（E-54）质量分数为6%、8%分别制备环氧树脂改性水性聚氨酯乳液，并将其分别记作EPU-A、EPU-B。对涂料的热稳定性进行分析可知，当乳液温度小于250 ℃的情况下，EPU-A、EPU-B的热稳定性均较好;当乳液温度为250～388 ℃时，改性水性聚氨酯乳液的热稳定性明显低于未改性乳液，该现象表明随着环氧树脂（E-54）质量分数的不断增加，对于改性水性聚氨酯乳液的热稳定性具有不利影响。对二者的质量损失进行分析可知，改性水性聚氨酯乳液的耐热性能随着环氧树脂（E-54）质量分数的增加出现大幅度提高现象[8]。

4结语

本研究采用环氧树脂（E-54）对水性聚氨酯进行改性，改性过程中主要按照先改性后中和的方式，将环氧树脂（E-54）材料添加至水性聚氨酯涂料中，通过该方式即可制备出性能优异的改性涂料。将生成的改性水性聚氨酯涂料与未改性的水性聚氨酯涂料进行对比可知，改性后的EPU-A热稳定性能明显提高。当环氧树脂（E-54）质量分数为6%时，乳液

的性能较好，可将其广泛应用于建筑领域。

【参考文献】

[1]徐梦达，宋群立，柴云，等.水性聚氨酯涂料改性研究进展[J].化学研究，2016（4）：518-522.

[2]王淼，赵堃.抗菌性水性聚氨酯涂料的研制与性能研究[J].中国涂料，2020（9）：51-54.

[3]黄朝广.水性聚氨酯涂料在建筑领域应用的研究进展[J].合成材料老化与应用，2021（2）：143-146.

[4]杨玉坤，王鑫，赵雄燕.水性聚氨酯涂料的功能化及性能[J].应用化工，2020（4）：1 039-1 043.

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[6]江小浦，胡书可.高性能水性聚氨酯涂料的發展及改性研究[J].表面技术，2020（11）：296-302.

[7]吴琦，魏珂瑶，吉虎，等.水性聚氨酯涂料改性研究新进展[J].化工新型材料，2017（1）：15-16.

[8]WANG C R，WANG J H，WEN S G.Study on the corrosion resistance of sulfonated graphene/aluminum phosphate composites in waterborne polyurethane coatings[J].Corrosion Reviews，2021（39）：339-349.