聚氨酯-丙烯酸水分散體：功能膜材料的制備及應(yīng)用
林偉博士，材料化學(xué)家和涂料愛(ài)好者
?? “最好的涂層不僅僅是將東西粘在一起——它們還能使表面變得更智能、更環(huán)保、比下雨的星期天的聚合物派對(duì)更有趣?！?/em>
引言：當(dāng)聚氨酯在水中遇到丙烯酸——一個(gè)愛(ài)情故事
讓我們談?wù)剱?ài)情吧。不是那種以心碎和深夜卡拉OK告終的愛(ài)情，而是那種化學(xué)反應(yīng)——兩種體積龐大的分子——聚氨酯（PU）和丙烯酸——最終決定在水中和諧共處。沒(méi)有戲劇性，沒(méi)有溶劑，只有聚合物顆粒在水溶液中優(yōu)雅而穩(wěn)定的分散體翩翩起舞。朋友們，這就是……的魔力。 聚氨酯丙烯酸水性分散體（pua）.
這些不是你祖父時(shí)代的涂料。那些讓你流淚、讓你良心不安的、充滿(mǎn)揮發(fā)性有機(jī)化合物的噴霧劑的時(shí)代已經(jīng)一去不復(fù)返了。今天，PUA 分散體是環(huán)保涂料、自清潔薄膜、可拉伸傳感器，甚至是智能包裝背后的默默英雄，它知道你的鱷梨什么時(shí)候會(huì)變成鱷梨醬（好吧，差不多了）。
那么，聚氨酯-丙烯酸水性分散體究竟是什么？想象一下，微小的聚合物顆?！行┦蔷郯滨ィ行┦潜┧帷≡谒嫔?，就像平靜海面上的微型浮標(biāo)。這些顆粒干燥后會(huì)聚結(jié)，形成一層連續(xù)的功能性薄膜，這種薄膜堅(jiān)韌、柔韌、防水，甚至導(dǎo)電。最棒的是？它們是水基的。這意味著更少的污染、更少的氣味，以及在DIY災(zāi)難發(fā)生后更少的急診就診次數(shù)。
在本文中，我們將深入探討其科學(xué)原理、合成方法、應(yīng)用，當(dāng)然還有偶爾出現(xiàn)的古怪隱喻。我們還將研究現(xiàn)實(shí)世界的性能數(shù)據(jù)，比較配方，并展望功能性薄膜材料的未來(lái)。系好安全帶。這將是一段充滿(mǎn)坎坷和泡沫的旅程。
1.什么是聚氨酯丙烯酸水性分散體？
其核心在于， 聚氨酯丙烯酸水性分散體 是聚氨酯和丙烯酸聚合物分散在水中的混合膠體系統(tǒng)。它們結(jié)合了兩者的最佳特性：
- 聚氨酯：堅(jiān)韌、柔韌、耐磨、附著力優(yōu)異。
- 丙烯酸樹(shù)脂：抗紫外線(xiàn)、成本低、耐候性好、易于改性。
混合時(shí)——無(wú)論是物理、化學(xué)還是通過(guò) 原位 聚合——它們形成一種協(xié)同體系，其性能優(yōu)于任何一種單獨(dú)的聚合物。
PUA分散體主要有三種類(lèi)型：
| 類(lèi)型 | 描述 | 優(yōu)點(diǎn) | 缺點(diǎn) |
|---|---|---|---|
| 物理混合 | 聚氨酯和丙烯酸分散體簡(jiǎn)單混合在一起 | 簡(jiǎn)單、低成本 | 相容性差，相分離 |
| 核殼結(jié)構(gòu) | 丙烯酸在聚氨酯核心周?chē)纬梢粋€(gè)殼（反之亦然） | 成膜性好，穩(wěn)定性好 | 復(fù)雜合成 |
| 互穿網(wǎng)絡(luò)（ipn） | 聚氨酯和丙烯酸網(wǎng)絡(luò)同時(shí)形成 | 高韌性、耐化學(xué)性 | 難以控制形態(tài) |
來(lái)源：zhang 等，《有機(jī)涂層進(jìn)展》，2020 年
現(xiàn)在，您可能會(huì)問(wèn)：“為什么要經(jīng)歷所有這些麻煩？”好吧，想象一下制造一輛汽車(chē)。您不會(huì)只使用鋼材（太重）或只使用塑料（太脆弱）。您想要一種復(fù)合材料——輕便，堅(jiān)固且安全。同樣的邏輯也適用于此。
2. 合成：如何使聚合物偶聯(lián)物共存
制作穩(wěn)定的 PUA 分散體就像在化學(xué)實(shí)驗(yàn)室里做媒。你有兩個(gè)強(qiáng)烈的個(gè)性——PU，一個(gè)討厭水的敏感藝術(shù)家，以及丙烯酸，一個(gè)喜歡水的外向派對(duì)常客。讓他們共存需要技巧。
2.1 準(zhǔn)備工作
這是通常的做法（使用 原位 半連續(xù)乳液聚合法):
-
聚氨酯分散體的制備
- 從預(yù)聚物開(kāi)始：二異氰酸酯（例如，ipdi）+多元醇（例如，ptmg）+擴(kuò)鏈劑（dmpa）。
- 用三乙胺（茶）中和 dmpa，使其可水分散。
- 通過(guò)高剪切混合分散在水中。
- 用肼或乙二胺進(jìn)行鏈延長(zhǎng)。
-
丙烯酸單體加成
- 逐漸添加丙烯酸單體（例如mma、ba、aa）。
- 使用氧化還原引發(fā)劑（例如過(guò)硫酸銨+焦亞硫酸鈉）。
- 保持溫度在75–80°c。
-
聚合和冷卻
- 讓其反應(yīng)2-3小時(shí)。
- 冷卻、過(guò)濾、調(diào)整 ph 值。
結(jié)果？乳白色分散體，固體含量約為 40-50％，酸堿度 7-9和粒徑 80-150 nm.
2.2 關(guān)鍵參數(shù)及其影響
| 參數(shù) | 典型范圍 | 對(duì)色散的影響 |
|---|---|---|
| 固含量 | 40-50％ | 更高=薄膜更厚，但更難涂抹 |
| 粒徑 | 80-150 nm | 較小=薄膜清晰度較好，較大=機(jī)械強(qiáng)度較好 |
| ph | 7-9 | 影響穩(wěn)定性；太低→凝固 |
| 粘性 | 50～500兆帕·秒 | 影響噴涂性和流平性 |
| 玻璃化轉(zhuǎn)變溫度（tg） | -20°C至50°C | 控制柔韌性與硬度 |
資料來(lái)源：劉等人，《應(yīng)用聚合物科學(xué)雜志》，2018年
啊，TG——玻璃化轉(zhuǎn)變溫度。它就像聚合物的情緒環(huán)。低于TG？薄膜僵硬易碎。高于TG？薄膜柔軟有彈性。對(duì)于大多數(shù)應(yīng)用，我們的目標(biāo)是一個(gè)平衡的TG——比如10-25°C——這樣涂層在冬天不會(huì)太硬，在夏天不會(huì)太粘。
3. 魔術(shù)背后的化學(xué)反應(yīng)
讓我們花點(diǎn)時(shí)間思考一下。為什么聚氨酯和丙烯酸能很好地結(jié)合在一起？
3.1 氫鍵與微相分離
聚氨酯含有大量的NH和C=O基團(tuán)，非常適合氫鍵形成。丙烯酸樹(shù)脂含有酯基，它們之間的相互作用較弱。當(dāng)它們結(jié)合在一起時(shí)，會(huì)形成 微相分離域—就像城市中的街區(qū)一樣。富含聚氨酯的區(qū)域可以承受壓力和沖擊；丙烯酸區(qū)域可以抵抗紫外線(xiàn)和風(fēng)化。
這種相分離 受控，并不混亂?？梢园阉胂蟪捎秃痛自诔浞謸u勻的調(diào)料中暫時(shí)混合，但具有不同的個(gè)性。
3.2 功能單體的作用
我們經(jīng)常添加少量功能單體來(lái)增加風(fēng)味：
- 丙烯酸（aa）：提高水分散性和交聯(lián)性。
- hema（甲基丙烯酸羥乙酯）：添加 oh 基團(tuán)以進(jìn)行后交聯(lián)。
- 甲基丙烯酸縮水甘油酯（gma）：使環(huán)氧樹(shù)脂固化。
這些小家伙就像分子膠一樣，幫助聚氨酯和丙烯酸跨越相界。
有趣的事實(shí)：僅添加 2% 的 aa 就可以減少 30% 的吸水率。這就像給你的涂層穿上雨衣一樣。 ??
4.PUA薄膜的性能特點(diǎn)
一旦干燥，PUA分散體就會(huì)形成具有令人印象深刻的特性的薄膜。讓我們來(lái)分解它們。
4.1機(jī)械性能
| 樣品 | 抗拉強(qiáng)度（兆帕） | 斷裂伸長(zhǎng)率（%） | 硬度（肖氏a） |
|---|---|---|---|
| 純pu | 25-30 | 400-600 | 70-80 |
| 純亞克力 | 15-20 | 100-200 | 85-95 |
| pua 混合 (70:30) | 30-38 | 350-500 | 75-85 |
資料來(lái)源：chen & wang，聚合物測(cè)試，2019
注意到混血兒是如何打敗父母的嗎？這就是團(tuán)隊(duì)合作的力量。聚氨酯賦予彈性；丙烯酸增加強(qiáng)度。它就像蝙蝠俠和羅賓，但附著力更強(qiáng)。
4.2 耐環(huán)境性
| 財(cái)產(chǎn) | 性能 | 筆記 |
|---|---|---|
| 耐水性 | 極佳（接觸角>90°） | 交聯(lián)導(dǎo)致的低膨脹 |
| 紫外線(xiàn)穩(wěn)定性 | 良好（500 小時(shí) quv 后 δe < 2） | 丙烯酸可防止聚氨酯變黃 |
| 熱穩(wěn)定性 | 高達(dá)180°C | 降解開(kāi)始于~220°C |
| 耐化學(xué)性 | 耐稀酸、稀堿、稀醇 | 不適用于強(qiáng)溶劑 |
資料來(lái)源：kim 等人，《歐洲聚合物雜志》，2021 年
紫外線(xiàn)穩(wěn)定性是一大優(yōu)勢(shì)。純聚氨酯在陽(yáng)光下會(huì)變黃，就像一本舊平裝書(shū)。但有了丙烯酸的保護(hù)，它會(huì)變成金黃色，而不是曬傷。
5. 應(yīng)用：橡膠與道路（或墻壁、鞋子）接觸的地方
PUA分散體不僅僅是實(shí)驗(yàn)室的好奇心。它們?cè)诂F(xiàn)實(shí)世界的應(yīng)用中發(fā)揮著重要作用。
5.1 涂料和油漆
從建筑涂料到工業(yè)涂料，PUA分散體正在取代基于溶劑的系統(tǒng)。
- 內(nèi)墻涂料：低氣味，耐擦洗性高。
- 木飾面：有光澤、耐用、防水。
- 金屬底漆：優(yōu)異的附著力、防腐性能。
案例研究一家中國(guó)涂料公司用PUA分散體替代了60%的溶劑型木器涂料。結(jié)果如何？揮發(fā)性有機(jī)化合物排放量下降了 78%，顧客對(duì)泛黃的投訴也降為零。??
5.2 紡織品和皮革整理
柔韌、透氣、堅(jiān)韌——非常適合織物。
- 人造皮革：用于鞋子、家具、汽車(chē)內(nèi)飾。
- 防水紡織品：夾克、帳篷、戶(hù)外裝備。
- 彈力面料：運(yùn)動(dòng)服、醫(yī)療服裝。
一個(gè)意大利時(shí)尚品牌使用 PUA 涂層聚酯纖維，其拉伸率可達(dá) 200%，并且仍然防水。這就像能經(jīng)受住季風(fēng)考驗(yàn)的瑜伽褲一樣。
5.3 粘合劑
pua分散體可制成優(yōu)良的壓敏粘合劑（psas）。
- 標(biāo)簽和膠帶：高粘性，良好的剪切強(qiáng)度。
- 層壓膠：證券紙、塑料、箔。
- 醫(yī)用膠帶：親膚、透氣。
| 粘合型 | 剝離強(qiáng)度（n/25mm） | 抗剪強(qiáng)度（小時(shí)） |
|---|---|---|
| 純丙烯酸壓敏膠 | 15-20 | 5-10 |
| pua 混合 psa | 25-35 | 20-50 |
資料來(lái)源：Patel & Lee，《國(guó)際粘合與粘合劑雜志》，2020 年
這具有強(qiáng)大的粘性。您的購(gòu)物清單不會(huì)消失。
5.4 功能性薄膜：未來(lái)就在眼前
這就是事情變得科幻的地方。
- 自修復(fù)薄膜：微膠囊在被劃傷時(shí)會(huì)釋放修復(fù)劑。
- 抗菌涂料：添加銀納米粒子或季銨鹽。
- 導(dǎo)電薄膜：與碳納米管或 pedot:pss 混合用于傳感器。
- 熱致變色薄膜：隨溫度改變顏色（智能勝利，玩具）。
例子德國(guó)研究人員研發(fā)出一種嵌入熱致變色顏料的PUA薄膜。應(yīng)用于嬰兒奶瓶，當(dāng)奶水過(guò)熱時(shí)，它會(huì)變成藍(lán)色。育兒，升級(jí)版。????
6. 挑戰(zhàn)以及我們?nèi)绾螒?yīng)對(duì)
沒(méi)有完美的技術(shù)。PUA 分散體有其怪癖。
6.1 凍融穩(wěn)定性
水基=易受凍害。反復(fù)的凍融循環(huán)會(huì)破壞分散性。
解決方案：添加助溶劑（如丙二醇）或保護(hù)膠體（如PVP）。
6.2 低溫成膜
一些 pua 分散體需要 >10°c 才能正確聚結(jié)。這對(duì)冬季施工來(lái)說(shuō)是個(gè)壞消息。
解決方案：使用聚結(jié)劑（例如，texanol）或設(shè)計(jì)低tg聚合物。
6.3 長(zhǎng)期儲(chǔ)存穩(wěn)定性
隨著時(shí)間的推移，發(fā)生沉淀或粘度漂移。
解決方案：優(yōu)化粒度、zeta電位（>30 mv），并使用消泡劑/穩(wěn)定劑。
| 穩(wěn)定性問(wèn)題 | 常見(jiàn)的原因 | 固定 |
|---|---|---|
| 沉降 | 顆粒大，電位低 | 減小尺寸，添加表面活性劑 |
| 粘度增加 | 蒸發(fā)、微生物生長(zhǎng) | 密封容器，添加殺菌劑 |
| 皮膚形成 | 表面干燥 | 使用表面活性劑 |
資料來(lái)源：Gupta & Singh，膠體和表面，2017
7. 市場(chǎng)趨勢(shì)和全球展望
全球水性分散體市場(chǎng)正在蓬勃發(fā)展。根據(jù) Grand View Research 2023 年的報(bào)告， pua分散市場(chǎng) 預(yù)計(jì)增長(zhǎng)于 復(fù)合年增長(zhǎng)率7.2% 從 2023 年到 2030 年，受環(huán)境法規(guī)和可持續(xù)材料需求的推動(dòng)。
頂級(jí)球員包括：
- （德國(guó)）: dispercoll? u 系列
- （美國(guó)）：joncryl? hp
- （德國(guó)）: bayhydrol?
- allnex（比利時(shí)）：neocryl?
- 化學(xué)（中國(guó)）: wannate?分散體
中國(guó)在產(chǎn)量方面領(lǐng)先，而歐洲在高性能配方方面占主導(dǎo)地位。
法規(guī) 達(dá)到, voc 指令和 加州南海岸空氣質(zhì)量管理區(qū)（SCAQMD） 法規(guī)正在推動(dòng)行業(yè)向水性化轉(zhuǎn)型。歐盟將于2022年禁止使用揮發(fā)性有機(jī)化合物含量超過(guò)250克/升的溶劑型木器涂料。PUA分散體？通常情況下 50克/升. 將死。
8. 最新進(jìn)展和研究前沿
科學(xué)永不停歇。以下是 PUA 研究的熱點(diǎn)：
8.1 生物基原料
用以下材料替代石油基多元醇 蓖麻油, 豆油或 乳酸衍生物.
- 例子愛(ài)荷華州立大學(xué)的一個(gè)團(tuán)隊(duì)在聚氨酯預(yù)聚物中使用了環(huán)氧化大豆油。結(jié)果：生物基含量達(dá)40%，機(jī)械性能與化石基材料相當(dāng)。??
8.2 納米復(fù)合PUA分散體
添加納米填料：
- 二氧化硅：提高硬度和抗劃傷性。
- 二氧化鈦：增加紫外線(xiàn)防護(hù)和自清潔功能（光催化）。
- 氧化石墨烯：增強(qiáng)導(dǎo)電性和阻隔性。
| 填料 | 裝載量 (%) | 效果 |
|---|---|---|
| 二氧化硅 | 2-5 | 硬度增加30%，吸水率增加↓ |
| 二氧化鈦 | 1-3 | 自清潔、防紫外線(xiàn) |
| go | 0.5-1.0 | ↑ 電導(dǎo)率，↓ 氧氣滲透率 |
資料來(lái)源：zhao 等人，復(fù)合材料 b 部分，2022 年
8.3 智能響應(yīng)薄膜
- ph 響應(yīng)：在酸性/堿性環(huán)境中膨脹或收縮（藥物輸送）。
- 濕度敏感：隨著濕度改變滲透性（智能包裝）。
- 形狀記憶：加熱后恢復(fù)原始形狀（4d 打?。?。
一家日本實(shí)驗(yàn)室制作了一種能夠“記住”折紙形狀的PUA薄膜。加熱到60攝氏度，它就能自動(dòng)折疊起來(lái)。這太神奇了？不，是高分子物理學(xué)。?
9. 如何選擇合適的PUA分散體
并非所有分散體都是一樣的。這里有一個(gè)快速指南：
| 應(yīng)用 | 推薦功能 | 產(chǎn)品示例 |
|---|---|---|
| 木材涂料 | 高光澤、抗紫外線(xiàn) | bayhydrol? xp 2645 |
| 紡織整理 | 柔韌性、透氣性 | neocryl? a-621 |
| 壓敏膠 | 高粘性，低蠕變 | joncryl? 731 |
| 建筑密封膠 | 彈性、防水性 | dispercoll? u 2680 |
| 功能性薄膜 | 可定制的反應(yīng)基團(tuán) | wannate? wd-102 |
始終檢查 tds（技術(shù)數(shù)據(jù)表） 并進(jìn)行小規(guī)模測(cè)試。你的實(shí)驗(yàn)服會(huì)感謝你的。
10. 結(jié)論：未來(lái)是分散的（在水中）
聚氨酯丙烯酸水性分散體不僅僅是一種綠色替代品，它們還是一個(gè)創(chuàng)新平臺(tái)。從日常涂料到未來(lái)智能薄膜，它們證明了可持續(xù)性和性能并不是相互排斥的。
它們就像聚合物科學(xué)的瑞士軍刀：緊湊、多功能、而且非常堅(jiān)韌。
隨著法規(guī)的收緊和消費(fèi)者對(duì)更清潔產(chǎn)品的需求，向水基體系的轉(zhuǎn)變并非只是即將到來(lái)——它已經(jīng)到來(lái)了。而 PUA 分散體？他們正在引領(lǐng)潮流。
因此，下次您粉刷墻壁、穿雨衣或在顯示器上貼便條時(shí)，請(qǐng)花點(diǎn)時(shí)間欣賞一下隱形聚合物薄膜的工作——安靜、干凈、出色。
畢竟，最好的化學(xué)反應(yīng)是你聞不到的那種。????
引用
- 張, y., 李, j., 和徐, w. （2020）。 有機(jī)涂層的進(jìn)展，145，105732。
- 劉 H.、陳 X.、趙 M. （2018）。 應(yīng)用聚合物科學(xué)雜志，135（12），46021。
- chen, l., & wang, r. (2019)。 聚合物測(cè)試，78，105987。
- kim, s., park, j., 和 lee, h. (2021)。 歐洲聚合物雜志，143，110189。
- patel, a.，& lee, k.（2020 年）。 國(guó)際粘合與粘合劑雜志，98，102512。
- Gupta, S.，& Singh，P.（2017 年）。 膠體和表面a：物理化學(xué)和工程方面，530，1-8。
- 趙Y.、劉Z.、楊G. （2022）。 復(fù)合材料 B 部分：工程，231，109543。
- 大視野研究。（2023 年）。 水性聚合物分散體市場(chǎng)規(guī)模、份額和趨勢(shì)分析報(bào)告.
- 歐盟委員會(huì)。（2022 年）。 歐盟揮發(fā)性有機(jī)溶劑排放指令（2004/42/ec）.
- 愛(ài)荷華州立大學(xué)。（2021 年）。 源自可再生油的生物基聚氨酯分散體. 研究報(bào)告編號(hào) tr-21-04。
林偉博士是一位材料化學(xué)家，在聚合物分散體和功能涂層方面擁有超過(guò) 12 年的經(jīng)驗(yàn)。不在實(shí)驗(yàn)室時(shí)，他喜歡徒步旅行、玩冷笑話(huà)以及爭(zhēng)論最好的咖啡類(lèi)型（劇透：是埃塞俄比亞手沖咖啡）。 ??
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- nt cat ul22： 適用于有機(jī)硅和硅烷改性聚合物體系，活性比t-12高，耐水解性能優(yōu)異。
- nt cat ul28： 適用于有機(jī)硅及硅烷改性聚合物體系，本系列產(chǎn)品活性較高，常用作T-12的替代品。
- nt cat ul30： 適用于有機(jī)硅和硅烷改性聚合物體系，具有中等催化活性。
- nt cat ul50： 用于有機(jī)硅和硅烷改性聚合物體系的中等催化活性催化劑。
- nt cat ul54： 適用于有機(jī)硅和硅烷改性聚合物體系，中等催化活性，耐水解性好。
- nt cat si220： 適用于有機(jī)硅和硅烷改性聚合物體系，特別推薦用于MS膠粘劑，活性比T-12更高。
- nt cat mb20： 一種用于有機(jī)硅和硅烷改性聚合物體系的有機(jī)鉍催化劑，活性低，符合各種環(huán)保法規(guī)。
- nt cat dbu： 用于硅橡膠室溫硫化的有機(jī)胺催化劑，符合各種環(huán)保法規(guī)。
