怎样去除水性聚氨酯涂层的透湿性?

1 概述

聚氨酯即由多异氰酸酯与多元醇反应而形成的以氨基甲酸酯重复的结构单元。聚氨酯树脂具有软硬度可调、耐磨、耐溶剂、耐低温及与大多数材料有粘接性等特点，近年来发展相当迅速,而水性聚氨酯则兼具无毒、不易燃烧、对环境友好等优点，因而越来越受到人们的重视，开发并应用水性聚氨酯将成为今后聚氨酯工业的发展趋势[1]。
本课题研究的是阴离子型水分散聚氨酯涂层，经该涂层处理的织物具有防水透湿的功能。

2 原理

由于聚氨酯树脂疏水性很强，既不溶于水中，也很难分散于水中，而异氰酸酯基团与水的反应活性很大，所以直接制备水性聚氨酯很难实现。因此，要制取水性聚氨酯首先要在聚氨酯大分子链上引入亲水基团(如羧酸基、磺酸基团)，然后再将其分散于水中，制得水分散聚氨酯[2]。为了提高水性聚氨酯涂层的性能，可在上述体系中引入封闭剂，即封闭剂与预聚体中的部分异氰酸基(－NCO)反应生成氨酯键，而氨酯键在加热的条件下又裂解生成异氰酸酯(解封闭)，再与织物上的羟基反应生成聚氨酯[3]。这样就增加了聚氨酯涂层与织物的结合力。

3 试验

3.1 主要原材料
原料名称与规格 生产单位
异氰酸酯 工业级 大连化工厂或进口
聚醚多元醇 工业级 天津化工三厂
扩链剂 化学纯 宜兴市第二化学试剂厂
亲水剂 化学纯 上海试剂一厂
中和剂 化学纯 上海试剂一厂
丙酮 工业级 高桥化工二厂
3.2 工艺流程
3.3 制备方法
在不锈钢反应釜中加入已经脱水处理的聚醚多元醇(异氰酸酯遇水反应生成脲，因此聚醚在使用前要作脱水处理)，在搅拌下加入异氰酸酯和催化剂，升温至一定温度，保温1个小时,制得预聚体。将预聚体用丙酮稀释，加入扩链剂进行扩链并使聚氨酯大分子链上引入亲水基团，中和后使其成为离子体，最后加水乳化，脱去溶剂后制得水性聚氨酯涂层。

4 产品性能

产品性能见表1。
表1 铁锚111、112、113水分散聚氨酯涂层性能

5 应用

水性聚氨酯可广泛用作尼丝纺、真丝、棉、帆布、涤棉等织物的涂层。经涂层整理后的织物具有防水透湿、表面柔软、富有弹性的功能。该涂料适用于做滑雪衫、风雨衣、茄克衫等服装面料及帐篷、防油布等工业用布,也可用于混纺织物仿毛整理，是一种的整理剂。

6 结果与讨论

6.1 －NCO/－OH值的确定
芳香族异氰酸酯的苯环结构与扩链剂组成了聚氨酯大分子链中的硬段，使材料具有刚性和强度。大分子量的聚醚多元醇具有柔软性，有很低的玻璃化温度，构成了聚氨酯大分子链中的软段，使材料具有柔软性。不同的异氰酸酯与羟基比可得到不同性能的材料，如－NCO/－OH值减小，柔软性增加；－NCO/－OH值增大，刚性增大，提高材料的刚性和牢度。此外，透湿性与－NCO/－OH值有关，－NCO含量增多，扩链剂中的亲水基团量增大，透湿率增大;但其过多，成膜后会手感发粘。当－NCO/－OH=1/2时，分子链两端以－OH结尾，聚合度最小。当－NCO/－OH=2，分子链两端以－NCO结尾，同样聚合度也是最小。当－NCO/－OH=1时，无限度聚合，反应难于控制。－NCO/－OH对涂层质量的影响见表2。
表2 －NCO/－OH对涂层质量的影响
由上表可知，－NCO/－OH比值越接近于1，分子量越大，体现在涂层的性能上是耐水压越高，但粘度增大，不利于反应的控制。
因此，选择合适的－NCO/－OH值，可得到既富有弹性、手感柔软、透湿性又好的水性PU涂层。
由实验得出，水性聚氨酯涂层－NCO/－OH值以控制在1.20～1.80之间为好。
6.2 －NCO％含量的控制
我们在实际生产中，采用了中间控制预聚体中异氰酸根百分含量(－NCO％,m/m)的方法，以稳定生产工艺。
－NCO％含量的中间控制，在整个反应过程中显得尤为重要，它不仅关系到整个反应能否顺利进行，而且还直接影响涂层的质量。
－NCO％含量增加，膜的拉伸强度增加，延伸率下降。从结构上分析,－NCO％含量增高，硬段(异氰酸酯)增加，软段减少，因此膜的拉伸强度增加，同时硬脆性增加，延伸率下降(见表3)。
表3 －NCO％含量对反应过程的影响
因此，－NCO％含量(m/m)一般宜控制在2.00％～2.80％。
6.3 温度对预聚反应的影响
由于催化剂的加入，大大地增加了异氰酸酯的反应活性。如果温度过高，将有较多的副产物产生，导致凝聚，同时过高的反应温度会导致异氰酸酯自聚。温度过低，则反应不完全。表4为在实验中测得的在一定配比、一定反应时间、不同温度下－NCO％的含量，从而反映出反应的完全程度。
表4 反应温度对预聚体的影响
由表4可见，反应温度低于45℃时,反应不完全。温度高于60℃,则反应难于控制,这主要是由于温度过高时,预聚反应发生支链反应和异氰酸酯产生自聚。因此温度应控制在50～60℃。
6.4 涂布工艺对耐水压的影响
(1)不同基布对耐水压的影响见表5。
表5 基布对耐水压的影响
由此可见，织物的疏密程度直接影响耐水压，密度高耐水压高，密度低耐水压低。
(2)上胶量对耐水压的影响见表6。
表6 上胶量对耐水压的影响
注：基布为尼丝纺(S2438)T=190根/厘米2
由表6可得出，耐水压与上胶量有关，上胶量多耐水压高,上胶量少耐水压低。

7 结论

(1)－NCO/－OH(－NCO％)大小与涂层的性能有关，选择范围为：
－NCO/－OH=1.20～1.80
(2)－NCO％含量控制可作为在生产过程中中间控制的依据。
(3)温度对预聚反应的影响较大，温度过高产生支链反应，温度过低反应不完全。温度宜控制在50～60℃。
(4)涂布工艺影响涂层材料的耐水压。
同一基布：上胶量大，耐水压高;上胶量小，耐水压低。
不同基布、相同上胶量：基布疏，耐水压低;基布密，耐水压高。