水性聚氨酯在合成革中的应用分析

＊鲍广明

（安徽安利材料科技股份有限公司 安徽 231200）

引言

目前，合成革产品十分常见，可制成服装、鞋面、手提包等，而合成革的品质由多种性能决定，包括抗老化性、透气性以及透湿性，这也与其涂层材料有关。基于此，本文对合成革中水性聚氨酯的应用进行了简要分析。

1.水性聚氨酯材料的发展

水性聚氨酯材料是指将水代替传统溶剂聚氨酯中的有机溶剂，利用水来进行聚氨酯分散的一种材料，因而在使用的过程中具有着无污染、相容性较好以及安全性较高的特点。水性聚氨酯已经有了几十年的发展历史，该种材料的迅速发展阶段为20世纪70年代左右，一开始在国外部分发达国家大批量生产应用；在国内，该种材料是在产品低污染性发展后得到广泛应用。比如说合成革行业中应用聚氨酯材料做表面涂层，最开始普遍应用溶剂型聚氨酯，但随着环境保护力度加大，水性聚氨酯的替代性应用成为合成革行业未来发展趋势。当前，人们对产品需求的提升，水性聚氨酯的研发和优化也在不断进行，其也会在各领域当中得到良好应用[1]。

2.水性聚氨酯材料在合成革中的应用优势

3.水性聚氨酯材料在合成革后整理中的应用特性

(1)试验部分

为了研究合成革后整理当中水性聚氨酯材料的实际应用特性，本文以试验的方式进行探究，主要是设计对照试验，将使用水性聚氨酯材料完成合成革后整理情况与使用溶剂型聚氨酯对合成革进行涂饰的情况进行对比，深入研究水性聚氨酯材料在合成革后整理当中体现出的各种性能，包括透氧性、透水汽性、抗老化性等，试验结果充分体现出水性聚氨酯材料的特性，有利于促进该材料在今后合成革应用中的发展。

①相关材料与仪器

本次试验所使用的材料包括：聚丙多元醇N-210/220/330试剂，其相对分子质量分别为1000、2000以及3000，其纯度规格为分析纯；甲苯二异氰酸酯试剂，其纯度规格为分析纯；二羟甲基丙酸试剂，4-丁二醇试剂，规格为分析纯；工业级蓖麻油；N-二甲基甲酰胺试剂，进行脱水24h的4A分子筛，该分子筛性质为吸附分子直径小于4A的各种分子；三乙胺试剂，规格为分析纯；丙酮试剂，以上试剂均为同一化工试剂厂生产提供。除此之外，还会运用到一些自制试剂与材料，包括去离子水材料、手感剂、填料Filler-H以及颜料膏材料，同时还要准备溶剂型聚氨酯涂饰材料、荔枝纹合成革材料以及山羊纹合成革材料，其中山羊纹合成革材料使用溶剂型聚氨酯涂饰，而荔枝纹合成革材料将用水性聚氨酯材料做底涂，溶剂型聚氨酯材料做顶涂。

本次试验所使用的仪器设备包括：从专业天平生产公司购入到电子天平设备；专业调温调湿箱设备，型号为CS302；真空干燥箱设备，型号为DZF-6020；板式压花机设备，型号为GJ5D2；数字旋转黏度计装置，型号为NDJ-5S；透气性测试仪器设备，型号为BTY-B1P；透水汽测试仪器设备；低温耐曲折机设备以及低温曲绕仪器；合成革颜色摩擦度检测仪器，型号为GJ9E1。此外，还会运用到一些基础试验工具，像是试验支架、温度计、机械搅拌器以及烧瓶等。

②合成水性聚氨酯

先是进行水性聚氨酯的制备合成，取上述准备的聚丙多元醇的三种规格试剂，再取一定的蓖麻油试剂进行真空干燥脱水处理，将处理好的两种材料放入到烧瓶工具中，同时配置好温度计、机械搅拌器以及冷凝回流管。当处于低温条件时，向烧瓶中加入甲苯二异氰酸酯试剂，同时再加入少量的催化剂，然后开始对烧瓶进行升温，一直升到温度计显示为80℃，等待其进行2～3h的催化反应，温度会在这一过程中自然下降到55℃左右，然后再加入4-丁二醇试剂，同时加入使用N-二甲基甲酰胺试剂溶解处理后的二羟甲基丙酸，进一步促进扩链，然后测定异氰酸酯基的值，待到其达到理论值后，再加入丙酮试剂，对其黏度进一步调节，需注意加入的丙酮控制少量。随后加入三乙胺试剂来进一步中和，通过机械搅拌器的快速搅拌，边搅拌边加入去离子水，最后对混合试剂进行减压式蒸馏处理，将其中的多余溶剂水分去除，最终形成聚氨酯乳液，具有一定的稳定性。此外，还以相同方式制备了许多不同模量的聚氨酯乳液，主要是对原料试剂进行用量调控。

首先以罗列的方式给出一些观点.这些观点是笔者从2014年初组织“人教A版”高中教材修订前期研究开始，经过长期思考、提炼而成，某种意义上也是集体研究的智慧结晶.

③合成革后整理工艺

将上述制备的不同模量水性聚氨酯乳液混合进填料Filler-H以及颜料膏材料，注意控制三者的混合比例，最后获得的浆料应当保证黏度值达到2000Pa·s，然后对合成革进行贝斯改色处理，使用浆料进行涂饰，控制实际使用浆料的用量在每米80～90g，上料后进行干燥处理，其干燥温度值控制在90℃，具体干燥线的速度约为15m/min，干燥处理后的改色层水分会充分挥发，这时就可进行合成革压花处理，具体采用滚压方式，施加的压力值为30kg，持续时间约3s，保持压花温度达到190℃，最后进行表层的滚水性PU光油处理即可完成整个后整理工艺，获得合成革涂饰后的成品[3]。

④成革后的性能测试

A.测定革的透水汽性

合成革使用水性聚氨酯材料后整理后，为了探析水性聚氨酯应用的实际效果，还要对合成革进行一系列性能测试。首先就是对合成革的透水汽性进行测定，本次测定采用动态法，具体流程如下：取硅胶材料进行烘干并过夜处理，然后使用电子天平秤取60g放入到烧瓶当中，设定其总质量为m1，再将烧瓶架设到支架上，启动电机，控制风扇的转速参数为1400r/min，调整温度值在20℃，控制其相对湿度为65%左右。待整个电机转动约16h以后将其关闭，将烧瓶从支架取下，这时再使用电子天平秤其质量，设定为m2。再取一个烧瓶中放入已知质量的过夜烘干硅胶、约半瓶，记录其总质量为m3，将其放在支架上固定并启动电机，相同电机条件下转动7h后停止电机，这时再秤其质量为m4，随后对合成革样品的透水汽量参数进行计算，依据以下公式。

其中，m=m2-m1+m4-m3，g；A表示的是烧瓶口的表面积，cm2；r表示实际测试的表面半径值，cm；t表示的是实际测定时间，h。

B.测定革的透氧性

合成革的透氧性测定决定着合成革的透气效果，也表现出水性聚氨酯在合成革中的应用成效。实际测定合成革透氧性的试验流程如下：先取合成革材料样品并裁剪为圆形，其直径控制在86mm以内，整体厚度普遍均匀，再对圆形样品的周边位置涂抹油脂材料，然后将其安装在专业的测试仪器上，调整仪器的气压参数值为0.5MPa，控制温度在23℃左右，调节至50% RH的相对湿度值，然后开始启动测定仪器测量，对测量的透氧性结果加以记录。透氧性测定最终可以获得合成革应用水性聚氨酯后对气体以及部分液体的阻隔效果。

C.测定革的耐干湿擦以及低温耐曲折性

合成革材料的用途意味着其耐干湿擦性以及耐低温曲折性都是重要性能，而水性聚氨酯在合成革中的应用必然会对这两项性能造成影响，因此，在探究水性聚氨酯应用效果上，也需对上述两项性能进行测定。首先是合成革耐干湿擦性能的测定流程：针对合成革的水性聚氨酯涂层进行测定，主要是采用传统皮革的耐摩擦牢度测试手段，将合成革样品放入到毛毡和长孔之间并进行固定，然后将机器的摩擦头使用衬布来进行包裹，再将干湿擦测定专业仪器启动，该仪器在擦动过程中保持每分钟摩擦头进行30次摩擦，待到仪器进行了25次往返摩擦运动后关闭仪器，将合成革的表面涂层情况与灰色卡样进行比对，分析其摩擦后的褪色情况，从而确定合成革应用水性聚氨酯做涂层后的耐干湿擦性能，此处需注意的是，若探究耐干擦性能，要使用干燥衬布包裹摩擦头，而探究耐湿擦性能，则需使用湿水衬布来包裹摩擦头，其衬布的水分含量要控制在70%～75%范围内，而摩擦运动的往返次数降低至20次。其次是对合成革进行低温耐曲折性测定，取合成革样品放在低温曲绕仪器上，然后调整仪器测定的温度值为零下20℃，将仪器启动并记录曲绕仪的曲折次数，一直到合成革的涂层开裂位置，通过其总曲折次数来判断涂层的低温曲折性能。

D.测定革的抗老化性

对于合成革抗老化性的测定，先是控制测定条件为60℃温度，因而高温环境可加速合成革的老化，然后使用可发射辐射紫外线光的灯光设备直接对合成革样品照射，其具体的辐射能量约为1.38W/m2，这种条件基本是两倍的太阳光辐射效果。实际照射测定的时间为100h，在整个过程中需使用自动记录型分光光度计来记录，并对比分析合成革表面的颜色变化，最终取黄色指数表示革的抗老化性能，用YI来表示老化后的黄色指数，其具体的计算公式如下。

在上述计算公式中，通过测定获得的三刺激值分别用X、Y、Z来表示，通过计算之后还要进一步求得△YI，△YI=YI-YI0，其中在实施人工加速处理合成革老化之前的革黄色指数用YI0，使用老化后黄色指数与老化前黄色指数对比，即可获得合成革的抗老化效果，即△YI值越大，说明合成革老化的程度越严重、速度越快。

(2)试验结果分析

通过完成上述制定与测定合成革性能试验后，对其试验结果进行深入讨论和分析，进一步明确水性聚氨酯在合成革中做涂层应用的性能特点，探讨应用该种材料后合成革本身会受到哪些影响。

①材料对合成革透湿性的影响

对透水汽性进行测定即为判断水性聚氨酯对合成革透湿性能的影响，一般来说，合成革的透湿性越强，其品质等级就越高，为此针对该项性能进行重点研究。结合测定结果来说，未经过任何聚氨酯涂饰的合成革透湿性是相对较强的，而经过溶剂型聚氨酯涂饰处理后，其本身的透湿性会明显下降。分析该情况出现的原因是：聚氨酯本身是一种聚合物，在合成革涂饰后会在表面形成一层具有密闭性的薄膜，这种薄膜会适当阻碍一些水滴、水汽的进入，使合成革具有一定的防水效果和保暖效果。同时，该薄膜也会降低热量的传递效果。但合成革应用水性聚氨酯涂饰后，其约为溶剂型聚氨酯涂饰后合成革透湿性的8倍，这与水性聚氨酯的化学性质有关，在制备水性聚氨酯的过程中，会加入二羟甲基丙酸以及聚丙多元醇，从而使原本的聚氨酯分子式中增加许多亲水性化学键，比如羧基和醚键，这些化学基团具有捕捉水分子的能力，还能够通过促进聚氨酯大分子的热运动，从而提升了透湿性及透水汽性，相反溶剂型聚氨酯中就没有大量亲水化学基团，基本只通过薄膜中的细小孔隙来透水汽，因而导致透湿性不佳，使用该类型聚氨酯做涂饰的合成革透湿性效果远远低于应用水性聚氨酯的合成革，而应用半水性聚氨酯的合成革透湿性介于两者之间[4]。

②材料对合成革透氧性的影响

通过上述测定试验发现，不管是采用哪种聚氨酯进行涂饰，合成革的透氧性都会下降，但相比于溶剂型聚氨酯，水性聚氨酯应用的合成革透氧性会更佳，透氧程度约为其2倍。这主要是由于气体是通过聚氨酯薄膜表面的微孔来进行传递，但水性聚氨酯的分子中引入了羧基，在有水汽的情况下，羧基会根据反离子原理而聚集在一起，促使着大分子呈现出离子簇形式，即为乳胶粒形态，整体的分子链是难以完全舒展开来的，但溶剂型聚氨酯却是由于相似相溶原理，当处于水汽存在条件下，分子会较为分散，整体分子链可进行完全舒展，基本无相关阻力，因而分子之间的连接也十分紧密，形成的表面微孔数量会相对较少，使得透氧性偏低。水性聚氨酯在涂层后形成薄膜过程中，也会由于分子在水分中的不断挥发，进一步提升反离子作用，分散体的浓度值会不断上升，当达到某一浓度后，分子粒子之间还会形成毛细孔，具有一定的黏结效果，让聚合物产生自黏效果，从而在涂层表面形成薄膜，其聚合物的存在也意味着会生成微孔，便于透入气体，因而透氧性相对溶剂型聚氨酯而偏高。同理可推断，应用半水性聚氨酯的合成革透氧性介于前两者之间。

③耐干湿擦牢度以及低温耐曲折性

合成革在投入使用后必然会经过多种摩擦，因而合成革的涂层耐干湿擦牢度也是十分重要，直接影响大合成革品质，要保证经过一些摩擦后，涂层的颜色不发生改变也不出现脱落。结合测定结果分析发现，水性聚氨酯与溶剂型聚氨酯在合成革表面形成的涂层耐干擦性能比较相近，但是在耐湿擦牢度方面，水性聚氨酯的涂层却略低于溶剂型聚氨酯涂层，这也是由于水性聚氨酯具有一定的亲水化学基团，因而会产生亲水性，经过摩擦后牢度会下滑。在低温耐曲折性方面，由于合成革使用会在不同日照、气温以及空气湿度条件下经过反复的弯曲，因此低温耐曲折性也会影响品质，根据实际测定结果来看，应用水性聚氨酯的合成革低温耐曲折次数可超过4万，而应用溶剂型聚氨酯的合成革低温耐曲折次数约为2万，由此可见合成革中应用水性聚氨酯后的低温耐曲折性能会比较好。

④合成革涂层的耐老化性

通过测定发现，不管是应用水性聚氨酯还是溶剂型聚氨酯的合成革黄变指数都超过30，这表明产品本身的耐老化性是比较低的，这主要是由于聚氨酯本身在经过紫外线照射后会发生氧化反应，且其吸收紫外光的波长增加，进一步吸收紫外线中的蓝紫光，从而引发出黄变情况，加速合成革表面涂层的老化[5]。

4.结论

综上所述，水性聚氨酯材料在合成革领域中的应用具有很多优点，但其同样具有一些不足之处，未来还将会不断改进发展，以发挥出更多应用价值。由分析可知，合成革生产中将水性聚氨酯作为涂层运用，会改变合成革本身的透氧气性、透水汽性、低温耐曲折性、耐擦牢度以及抗老化性等。