1、前言
聚氨酯性能优良，广泛用于涂料、胶粘剂、弹性体、发泡材料等领域。目前我国
所用的聚氨酯涂料绝大部分还属溶剂型。从安全和环保的角度考虑，溶剂型聚氨酯涂
料存在许多不足甚至是危害之处。水性聚氨酯以水为基本介质，具有不燃、气味小、
不污染环境、节能、操作加工方便等优点，因而获得了越来越广泛的应用。目前，水
性聚氨酯主要的用途之一是作为木器等建筑材料的涂料。但目前水性聚氨酯木器涂料
还存在耐水性不强，与基材的粘附力不够强等缺点，较大程度地影响了它的推广应
用。因此，在聚氨酯链段中引入可交联或疏水性链段成了聚氨酯改性领域的研究热
点。硅烷偶联剂因其独特的分子结构成为首选，一方面起了在聚氨酯链段中引入有机
硅的作用；同时还在不同的物质界面间起了“桥梁”的交联作用。本文采用硅烷偶联
剂通过溶液和扩链两种不同的方法改性聚醚型水性聚氨酯，制得了性能优异的水性聚
氨酯建筑用木器涂料。
2、实验部分
2.1 主要原材料
聚醚二醇（N210，Mn=1000±100，羟基值1.86～2.14mmol/g），聚合级；甲苯二
异氰酸酯（TDI），工业级； 2,2-二羟甲基丙酸（DMPA），化学纯；γ-氨基丙基三
乙氧基硅烷（KH－550），化学纯；三乙胺（TEA），化学纯；去离子水，自制。
2.2 原材料及基本配方
本文所采用的原材料及基本配方见表1
2.3 水性聚氨酯木器涂料的制备工艺
2.3.1 原料的预处理
分别将N210、二羟甲基丙酸在120℃、0.004MPa条件下真空脱水2h后，密封保存
备用。
2.3.2 乳液的制备
2.3.2.1 通过溶液法制备：在带有高速分散机、氮气保护、温度计的密闭反应器中加
入少量的TDI与N210混合液，加入少量的硅烷偶联剂，再补加化学计量的TDI；最后分
批加入一定量的DMPA和N210的混合物。保持在70℃左右搅拌反应4.0h，得到预聚
体。 将定量的三乙胺溶于5℃的水中，加入定量预聚体，高速剪切乳化30min，加入
定量的消泡剂分散均匀后，得到固含量35％左右的水性聚氨酯乳液。
2.3.2.2通过扩链法制备：在带有高速分散机、氮气保护、温度计的密闭反应器中加
入计量TDI，将一定量的DMPA和计量的N210的混合物分批加到反应器中，在70℃下搅
拌反应4.0小时，得到预聚体。将少量的三乙胺和少量的硅烷偶联剂混溶于5℃的水
中，加入定量预聚体高速剪切乳化30min，加入定量的消泡剂分散均匀后，得到固含
量35％左右的水性聚氨酯乳液。
2.3.3 木器涂料的制备
将水、分散剂、消泡剂、防霉剂等混合，混合均匀后，再高速分散至细度小于60
μm;加入上述乳液及成膜剂等其他助剂，用流平触变剂调整到适当粘度，用氨水调节
PH到6.5－7.5即可。
2.4 性能测试
2.4.1 红外测定：采用美国Analect公司RFX－65傅立叶红外光谱转换光谱仪测定。
2.4.2 表面水接触角的测量： 采用日本Kyowa公司生产的G－1型接触角测定仪测试。
2.4.3 硬度测定：使用LX－A型橡胶硬度计测试。
2.4.4 固含量的测定：按涂料GB/T 1725-89标准测定。
2.4.5 拉伸强度、断裂伸长率：参照聚氨酯防水涂料JC500-92标准测定。
2.4.6 粘附力测定：按涂料GB1720-79标准测定。
3、结果与讨论
3.1 硅烷偶联剂改性的水性聚氨酯涂膜的红外谱图分析
由红外谱图（图1）可以看出，1090cm-1 (Si－O－Si的弯曲振动峰)， 1103cm-1
（C-O-C的伸缩振动峰）,这一数值附近，在PU0图中可以看出呈现明显的单峰，是聚
醚二醇的C-O-C的伸缩振动峰，在PU1中吸收峰明显变宽，是Si－O－Si的弯曲振动和
C-O-C的伸缩振动的重叠峰，1250cm-1（－CH2-Si中的－CH2－弯曲振动峰）都说明了
有机硅成功接到了聚合物中。
3.2 表面水接触角的分析
内乳化型水性聚氨酯，成膜物的吸水性很强，此是作为木器涂料最大的技术难题
之一，硅烷偶联剂改性水性聚氨酯的目的就是希望能提高其耐水性。表2中列出了室
温25℃下测得样品的水接触角的数据。从实验结果可以看出，不论采用溶液法还是扩
链法，在水性聚氨酯中引入少量的硅烷偶联剂其水接触角明显变大，制备方法对水接
触角的影响并没有太大的差别。硅烷偶联剂的一端与异氰酸酯封端的聚氨酯预聚体分
子的主链相接（NH2与NCO反应），另一端Si－O链则伸展到基层表面，从而在硅烷偶
联剂改性的树脂中表现出有机硅的特性。在干燥成膜时，硅烷偶联剂改性的水性聚氨
酯中硅氧烷水解、缩聚，结果在聚合物之间以及聚合物和基材之间形成互穿网络立体
交联牢固的结构，从而使漆膜具有优异的憎水性及粘附力。
3.3 力学性能
拉伸强度和断裂伸长率是衡量水性聚氨酯涂膜力学性能的重要指标。表3列出了
硅烷偶联剂改性水性聚氨酯的拉伸强度、断裂伸长率数据。从实验结果可以看出，不
论采用扩链法还是溶液法引入硅烷偶联剂，均使水性聚氨酯涂膜的拉伸强度略有增
加；断裂伸长率略有下降；制备方法对水性聚氨酯的力学性能没有太大的差别。这可
能是因为随着硅烷偶联剂用量的增加，材料的交联度增大，从而使拉伸强度稍有上
升 ，断裂伸长率略有下降。
3.4 性能指标
从前面的讨论中看出，采用溶液法或扩链法来改性水性聚氨酯对其主要性能的影
响差别不明显，我们选择了操作更简便的扩链法制得了改性的水性聚氨酯乳液。参考
相应溶剂型聚氨酯涂料的标准和其它水性涂料及涂层性能的测试标准，我们测试了最
终确定的硅烷偶联剂改性水性聚氨酯木器涂料的各项性能，结果如下表4。
从以上结果来看，本文研制的硅烷偶联剂改性的水性聚氨酯木器涂料具有优良的
粘附力和耐水性等性能，有望在木器涂料领域得到广泛应用。
4、结论
（1）在无溶剂的条件下，通过扩链法和溶液法制得了不同浓度的硅烷偶联剂改性的
水性聚酯乳液，并配以分散剂、防霉剂、消泡剂等其它助剂制成了水性聚氨酯木器涂
料。
（2）在本文研究的范围内，扩链法或溶液法对涂料的综合性能没有明显的差别。
（3）以硅烷偶联剂改性过的水性聚氨酯乳液制得的涂料，具有优良的力学性能、耐
水性和粘附力等。 |
