水性聚氨酯树脂技术现状及行业进展

纪尚超，石磊，徐欣欣，沈连根

(1.浙江禾欣科技有限公司，浙江 嘉兴 314000；2.浙江禾欣新材料有限公司，浙江 嘉兴 314000)

0 引言

广义上来讲，水性聚氨酯树脂属于异氰酸酯加成产品。异氰酸酯反应生成物在出现预聚体时将亲水基团加入，形成盐后加入水乳化，就能够得到聚氨酯乳液。聚氨酯的物理化学性能优越，具备较强的环境友好性能，发展迅速，使用广泛。当前水性聚氨酯树脂产品的生产要满足以下要求：生产制造使用的原材料是无毒无害的，材料制造过程是无毒无害的，成品加工过程也基本属于无毒无害，最终制品可以降解，不会给环境带来负担。水性聚氨酯树脂具备真正的绿色环保性能，在人们的生产生活中应用越来越广泛。水性聚氨酯树脂行业蓬勃发展，研究其现状和未来发展方向有其现实价值[1-4]。

1 水性聚氨酯树脂行业技术发展现状

水性聚氨酯代替传统溶剂型树脂作为原料，通过制革生产线获得成品，生产过程无毒无害，不含有毒化学制剂，生产过程中挥发出的气体主要是水蒸汽，对环境和人体无害，降低了环境污染治理产生的资源消耗。水性聚氨酯树脂成品也不含有有毒化学品残留，可以达到较高的环保要求。水性聚氨酯树脂生产出的成品物理性能优越，分子链中存在的功能性基团较多，让水性树脂在耐溶剂性、耐磨、耐刮、耐折叠、透气透湿等性能均比较优越，部分革制品表面光滑，犹如真皮手感。和传统溶剂型树脂产品相比，水性聚氨酯树脂的环保性能和使用性能均更加符合当前人们的需求[5]。现阶段水性聚氨酯树脂的生产研发还受到一些限制，需要研究人员突破各种限制，解决问题，降低生产难度和成本。

1.1 技术限制

以合成革生产为例，水性聚氨酯树脂在离型纸上应用，是该材料大力推广的技术门槛。在离型纸上能够应用成功，则可以完全替代传统的溶剂型树脂。水性聚氨酯树脂的分子一端亲油，另一端亲水，而溶剂型树脂多为亲油树脂，是疏水的，两者成膜机理有差别，要选择不同的离型纸。水的表面张力比油大，很难在离型纸上铺展开来，而溶剂型树脂的油融特性让它们在离型纸上可以顺利铺展。水比油容易蒸发，水性聚氨酯树脂的蒸发量为溶剂型树脂的1.5倍。在进行烘干工序时，水性聚氨酯树脂需要解决的问题比溶剂型树脂要高，对离型纸的要求也更高，消耗的能量较大。目前已经有部分树脂在离型纸上实现了平衡铺展，干燥性能更好[6-9]。目前德国公司产品的固含量超过六成，物化性能良好，烘干容易，可制作高档成品，但是成本过高，在我国水性聚氨酯树脂市场很难普及。我国部分企业能生产出不同性能的水性聚氨酯树脂产品，由于其在离型纸上的铺展还存在限制，批量生产还存在问题，需要提高可量产性。

1.2 设备限制

设定同样的生产制造条件，采用水性聚氨酯树脂比采用溶剂型树脂需要投入更多的能量。传统生产线是针对溶剂树脂生产而设计的，运用导热油或水蒸气为烘干介质。这种空气对流烘干法的能耗大，效率低，自动化程度低，依赖操作人员的技能水平，如果操作失误，很容易引发火灾。因此，设备改良一直是水性聚氨酯树脂生产的重要方向。水性聚氨酯树脂生产要求设备能耗低，智能化程度高，满足自动量产需求。

1.3 工艺限制

水性聚氨酯树脂产品的生产受限于技术和设备，在工艺方面仍有待改进。当前我国的树脂产品仍以溶剂型树脂为主，生产工艺分为干法和湿法。经过研究人员多年以来对工艺改进的探索，目前水性聚氨酯树脂能够成功进行产品生产，取得了巨大的进展。但是从工艺角度来看，干法工艺在不断进步，湿法工艺进步不够明显。部分产品无法完全使用水性聚氨酯树脂生产，部分中间产品仍然需要使用溶剂型树脂生产，湿法工艺的运用较多。这就出现了以下问题：虽然生产使用的原材料是水性聚氨酯树脂，但是因生产工艺的问题，无法达到完全的环保要求，无法解决化工行业中的“三高”问题。而最终成品也无法做到无毒无害，从根本上无法提高我国树脂制品的档次。必须不断革新生产工艺来取代产生有害物质较多的传统工艺，为水性聚氨酯树脂制品生产提供环保工艺途径。

1.4 应用现状

我国近年来在水性聚氨酯树脂制品的研究和生产上投入了大量资源。国内公司为实现水性聚氨酯树脂产品的量产和无毒环保，从全球知名的化工生产厂家进口了不同类型的离型纸，并参与共同研究。我国公司已拥有美国离型纸厂家生产水性聚氨酯树脂产品的方案。从21世纪初就开始研究的水性聚氨酯树脂生产工艺，已经拥有整套成果，部分产品在专业生产领域可以投产，在可量产性方面有所突破。在设备生产方面，我国企业与国外先进化工企业合作，在干法生产线的生产、使用、推广方面成效卓著。水性聚氨酯树脂制品的生产过程能够做到节能和安全。当前水性发泡纯干法工艺已经可以代替传统的干法合湿法工艺。使用新工艺生产水性聚氨酯树脂制品时产生的中间制品，也能做到无毒无害。生产成本大大降低，做到了真正意义上的环保。运用水性聚氨酯树脂制品优秀的物化特性，可以生产耐污耐脏的高品质仿皮革制品，耐刮耐水的防雨制品，透气性佳的服装鞋子，以及各种汽车产品。在工业生产方面的应用也变得更加广泛。只要解决了技术、设备、工艺方面的问题，做到量产和环保，水性聚氨酯树脂的前景是极为广阔的。

2 水性聚氨酯树脂工艺及技术发展趋势

随着经济全球化的推进，我国树脂产品的品质和环保将会受到越来越多的关注。在水性聚氨酯树脂研究中，我国众多科研人员和企业联合攻关，高新技术持续介入，性能好环保性强的水性聚氨酯树脂逐渐成为主流产品，最终完全取代传统溶剂型树脂产品。水性聚氨酯树脂生产的工艺、技术和设备等方方面面的研究，还需要持续深化。

2.1 产品丰富化

当前人们对水性聚氨酯树脂产品的要求是多样化和功能强，同时也需要制品的外观更加时尚美观。使用水性聚氨酯树脂生产合成革制品在我国尚属比较年轻的产业，但是这类制品以期良好的外观，强大的性能和多种多样的选择在市场上占据了一席之地，并且发展迅速，每年有上百种新品推向市场。

多样化方面，当前的水性聚氨酯树脂制品走进人们生活的多个领域，在生产生活中越来越丰富也越来越重要。不同领域的合成革制品有着不同的要求，而水性聚氨酯树脂制品从服装鞋帽到特种设备辅助制品，性能不一而足，愈发丰富，也启发着人们在更多的领域使用水性聚氨酯树脂制品。

功能性方面，无论是同一领域，还是不同领域的水性聚氨酯树脂制品，有着不同的物化性能，让制品的品种差异性较强，反映在实际产品上，表现在不同的产品运用了水性聚氨酯树脂不同的性能。水性聚氨酯树脂的耐酸耐碱性，让这类制品迅速走进化工生产领域。此类制品柔软、透气，具备像真皮一样细腻顺滑的手感，并且容易清洁打理，日常维护比较容易，逐渐走进人们的家具生活。只要是在量产化方面做得到位的水性聚氨酯树脂制品，都能够在市场上获得一席之地。人们也在不断挖掘其新的性能和使用领域。

在时尚性方面，目前水性聚氨酯树脂新品投放量大，种类繁多，外观精美。设计师利用水性聚氨酯树脂良好的物化性能，结合工业设计、服装设计、艺术设计，让美观大方的树脂制品走向各个领域。水性聚氨酯树脂产品的开发要顺应人们对美的追求，在市场变种的浪潮中求得生存和发展。

2.2 价格优势凸显

从理论角度来看，水性聚氨酯树脂比溶剂型树脂的生产更节省能源，也能带来更大的价格优势。因此，让水性聚氨酯树脂的质量更好，价格更低，利润更高，成为研发的一大方向。

在研发和生产过程中，要不断筛选合适的原料，选择性价比更高的原材料，从原材料层面降低成本。如果甲苯二异氰酸酯的价格变动过大，上涨更猛，可以选择二苯基甲烷二异氰酸酯来替代，不影响最终制品性能，但是可以降低制品价格。

调整生产工艺路线，特别是合成工艺部分。水性聚氨酯树脂生产过程比传统溶剂型树脂的生产更加复杂，设备工艺的要求更高，操作要求更严格。因为生产的工艺路线有差别，水性聚氨酯树脂生产成本较高。不断优化生产工艺和路线，革新传统生产工艺，向水性聚氨酯树脂生产需求靠拢。

在生产水性聚氨酯树脂时，需要使用到功能助剂。开发高性能的功能助剂，也能够降低生产过程的成本，从而降低最终产品价格。在各个环节加强研发和生产时间，尽快形成产业链，批量化生产采购都能够降低成本。在原材料研发方面减少对进口品的依赖，增加国产化比例，能够真正降低水性聚氨酯树脂产品的成本。

2.3 生态性更优异

水性聚氨酯树脂的生产过程和最终产品都是无毒无害的，环保性能良好，属于当前人们最欢迎的生态友好型产品。水性聚氨酯树脂及其产品的生产过程，要尽量避免重金属的参与。过量重金属不仅危害人体，也危害环境。水性聚氨酯树脂生产过程中还需要溶剂型树脂产品和工艺的配合。要尽量减少溶剂的参与，逐渐转变为无溶剂生产，即使使用溶剂，也要改选对人体无毒对环境无害的容易。各种助剂和色浆的用量需要严格控制。要选择无毒环保的助剂和色浆，也要确保在生产完成后，添加的助剂和色浆不会产生新的有毒有害产物。生产全过程无害，制品无害，制品可降解，则水性聚氨酯树脂的应用更加广泛[10]。

2.4 生产工艺操作便利性

水性聚氨酯树脂制品的需求每年有数十亿米，其加工要全自动机械化操作。因此此类制品的生产必须具备良好的工艺操作性。调浆搅拌要方便。水性聚氨酯树脂在加入色浆和部分助剂后可以上机操作。条件必须快速、方便、简单。上机操作要轻松便捷，浆料符合全自动作业要求，黏度适宜，容易控制，不会在生产设备上过度流挂，不会产生结块，一定时间内放置不会分层[11]。容易烘干，因为水的比热较大，烘干需要更多的能量，水性聚氨酯树脂成膜需要吸收大量热量。通过技术和工艺改造，让树脂干燥得更快，耗能更少。在生产旺季，就能够加快生产流程，提高效率，满足市场需求。在当前电子信息技术不断进步的背景下，各行各业都在引入智能化生产手段提高生产效率。水性聚氨酯树脂产品的生产也要依托信息技术的进步，让机器的眼睛代替人眼，用精细控制代替经验控制，搜集的生产数据更加精确，能够为研发工作提供更全面的支持，给水性聚氨酯树脂产品的生产注入一股高科技新风[12]。

3 结语

综上所述，水性聚氨酯树脂材料的研究和发展，必须顺应市场供求关系以及人们对绿色环保材料的需求。随着人们的素质和生活水平不断提高，经济生活中的各类产品不仅要提供良好的使用性能，还要具备环境友好型。因此，水性聚氨酯树脂产品的市场巨大，发展前景广阔。但是无论是研究还是市场推广，都不能一蹴而就，广大的化工研究人员，应用技术人员须紧密配合，加强技术研发与创新，让环保水性聚氨酯树脂成为行业主流。