0 前 言
目前，常用的水性涂料体系有：水性丙烯酸涂料、水性聚氨酯涂料、水性醇酸涂料、水性环氧涂料等，从其涂膜的各项性能综合来看，水性聚氨酯是水性涂料中优秀的品种之一。传统聚氨酯是由有机多异氰酸酯与多羟基化合物反应形成的含有氨基甲酸酯链段的高分子化合物，具有优异的物理化学性能。但是传统聚氨酯合成方法存在一些问题：①异氰酸酯毒性很大，且易挥发，可通过呼吸道、皮肤等进入人体，对人体健康和环境造成严重的危害；②生产异氰酸酯的原料——光气毒性更大，在生产与使用中会对人体和环境造成更大的危害；③异氰酸酯对湿气敏感，给聚氨酯特别是其涂料的生产、运输和储存带来了较大的困难。为克服这些缺点，科学家开始关注聚氨酯的非光气非异氰酸酯路线的研究。
1954年，Groszos S.J等用单环碳酸酯与脂肪族二胺反应合成了含有β-羟基氨基甲酸酯的低分子化合物，为非异氰酸酯聚氨酯的合成奠定了基础。20世纪90年代以来，发达国家越来越关注非异氰酸酯聚氨酯的研究，即通过多元环碳酸酯与多元胺的反应合成新型聚氨酯(非异氰酸酯聚氨酯)，非异氰酸酯聚氨酯不仅可以避免备受诟病的异氰酸酯的使用，而且由于生成的羟基氨基甲酸酯基团可以形成分子内氢键而具有稳定的七元环结构 (图1)，克服了氨基甲酸酯不耐水解的缺点，耐化学品、耐热性及机械强度也得到提高。目前，已有溶剂及无溶剂新型聚氨酯在欧美面世，但尚未见新型水性聚氨酯工业化的报道。
1 试验部分
1 试验部分
1.1 原料
水性环碳酸酯树脂（固含量为50%）及其配套使用的固化剂均为自制；润湿分散剂，BYK；消泡剂，广州双键；流平剂，陶氏。
1.2 合成水性树脂的基本参数及涂料的参考配方
合成水性环碳酸酯树脂的基本参数见表1，涂料(清漆)的基本参考配方见表2。
合成水性环碳酸酯树脂的基本参数见表1，涂料(清漆)的基本参考配方见表2。
1.3 性能测试
固含量：干燥烘箱101-2型，AC204精密天平，按GB/T1725-1989涂料固体含量测定法测定；
硬度：QHQ-A型铅笔硬度计，按GB/T6739-2006铅笔法测定；
附着力：QFH漆膜划格器，按GB/T9286-1998漆膜的划格试验测定；
耐冲击性：QCJ-1型漆膜冲击器，按GB/T20624.1-2006，GB/T20624.2-2006耐冲击试验法测定；
柔韧性：QTX型漆膜弹性测定器，按GB/T6742-1986漆膜弯曲试验（圆柱轴）法测定；
膜厚：QUANIX1500膜厚测定仪，按GB/T13452.2-92漆膜厚度测定法测定；
木器涂料：按GB/T23999-2009室内装饰装修用水性木器涂料法测定。
1.4 测试结果(见表3)
注：1)施工固含；2)涂膜透明、丰满度好；3)易消光，加1个百分点消光粉即可将光泽降到60%；4)终硬度可达H-2H。
注：1)施工固含；2)涂膜透明、丰满度好；3)易消光，加1个百分点消光粉即可将光泽降到60%；4)终硬度可达H-2H。
2 结果与讨论
2.1 结构表征
我们将合成的环碳酸酯树脂用FTIR光谱进行表征，在1 823 cm-1处存在环碳酸酯基中C=O的特征伸缩振动吸收峰；将其与固化剂反应后，1 823 cm-1处环碳酸酯的特征峰消失，而出现了1 736 cm-1和1 568 cm-1两处新的吸收峰，分别对应于氨基甲酸酯中C=O的伸缩振动吸收峰和N—H的变形振动吸收峰。由此证明，环碳酸酯树脂成功与固化剂反应，生成了氨基甲酸酯的结构。
2.2 具有适宜的干燥速度
影响水性涂料干燥速度的主要因素有温度、湿度、通风条件和树脂及固化剂的固有性能。利用我们开发的树脂及固化剂进行成膜干燥时，观察到通风条件是影响干燥速度的主要因素，在20～25 ℃，湿度50%～60%，通风良好时，涂膜15～20 min表干，1 h后打磨起粉，其干燥速度可以和溶剂型涂料相媲美；在20～25 ℃、湿度≥90%、通风不好时，涂膜干燥速度慢，表干需要1 h。
2.3 具有较高的硬度
涂膜的硬度与成膜物质的玻璃化温度密切相关，然而，在试验中我们发现如果将乳液的玻璃化温度做得很高，涂膜的硬度也随之增加，但涂膜抗冲击性、柔韧性及低温成膜性均受到很大影响。故我们在保持低成膜温度小于15 ℃的情况下，通过增加交联点来提高涂膜硬度，交联密度越大涂膜的硬度越高，但交联密度太高，则乳液凝胶太快，造成操作时间不足，难以施工，所以交联密度要适当，不能太高。在综合考虑低成膜温度、交联密度的情况下，在保持耐冲击性、柔韧性和附着力的前提下，涂膜的硬度可以达到2H（中华铅笔）；如果牺牲冲击性，铅笔硬度可以达到4H。
2.4 具有优异的附着力
新型水性聚氨酯由于在β位上较传统聚氨酯多出了一个羟基，从理论上讲，其附着力可以和环氧树脂相媲美，要优于传统聚氨酯的附着力，我们的试验也验证了这一点。新型水性聚氨酯不仅在木材、水泥、钢材等易附着的材质上有良好的附着力，同时在玻璃、铝材、不锈钢等难附着的材质上也有优异的附着力。
2.5 耐冲击性优良
新型水性聚氨酯保持了传统聚氨酯良好柔韧性的优点，在硬度达到2H的情况下，不仅可以通过50kg·cm的正冲击，同时也可以通过50 kg·cm反冲击。
2.6 耐水、耐溶剂性优良
2.6 耐水、耐溶剂性优良
单组分乳液由于交联密度不够，耐水、耐溶剂性有欠缺。我们将新型水性聚氨酯做成双组分后，由于交联密度大幅增加，涂膜的耐水及耐溶剂性也大幅提高。我们将涂有涂层的马口铁、玻璃浸入水及乙醇中，室温放置72 h，涂膜无变化，取出放置24 h后，测其附着力、硬度也均无变化。将涂有涂层的马口铁、玻璃浸入沸水中2 h，涂膜同样无变化。
2.7 耐盐水浸泡
2.7 耐盐水浸泡
将涂有涂层的马口铁、玻璃浸入10%盐水，涂膜15 d无变化。盐雾试验72 h无变化。
2.8 其他性能良好
涂膜透明，丰满度好，光泽度高。
3 结 语
新型水性聚氨酯的开发应用颠覆了传统聚氨酯的生产工艺，是聚氨酯领域的革命性变化，符合现代绿色化工的要求，具有以下优势：
(1)新型水性聚氨酯的生产及使用过程中所用原料均不是湿敏性的，不会因湿气产生气泡而使产品形成结构缺陷，给原料的保存和施工带来了极大的便利。
(2)新型水性聚氨酯具有比传统聚氨酯更强的附着力和更好的耐候性，有望作为底面合一材料，在使用工艺上简化流程，降低成本，扩大用途。
(3)新型聚氨酯的使用过程中不含有任何剧毒的异氰酸酯，从而避免了对人体和环境造成的危害。
(3)新型聚氨酯的使用过程中不含有任何剧毒的异氰酸酯，从而避免了对人体和环境造成的危害。
(4)新型聚氨酯从分子结构上弥补了传统聚氨酯分子中的弱键结构，既具有传统聚氨酯耐磨、抗拉、弹性好等优点，又具有更好的耐化学品性能及抗渗透性，因此具有非常广阔的发展前景。
要实现从涂料大国到涂料强国的转变，必须要坚持自主创新，开发新型高性能的树脂，尤其是水性树脂的研发，新型水性聚氨酯树脂及涂料的开发正逢其时。
