摘要

本文是一篇综述性的论文。全论文围绕聚氨酯涂料这一类涂料进行了详细的阐述和介绍。具体的思路是，先介绍这一类涂料的发展概况，然后具体到说明其组成、分类以及合成原料和制备，当然，这些都是比较广义的说明，没有具体到每一个实例之中。制备方法介绍过后，就涉及到聚氨酯涂料的各类应用了，不同的涂料对应于不同场合的需求，因而加以分点阐述。最后，笔者大致介绍了一下我国聚氨酯涂料的发展现状。

关键词：聚氨酯涂料     异氰酸酯     多元醇

一、引言

聚氨酯涂料（简称为PU涂料），涂膜外观优美，具有良好的装饰性，且因其良好的柔韧性、耐冲击性、耐腐蚀性、耐化学品性及优异的耐低温性和耐磨性、硬度大、高弹性等特点，已广泛地应用于车船、航空、电子、建筑、桥梁、机床、木器及室内装潢等领域的装饰和保护中，同时也大量用于石化设备、管道、海洋设施、重型机械等工业的防腐蚀保护和装饰。

二、发展概况

聚氨酯涂料是在20世纪后半叶才发展起来的一种新型材料。自从1937年德国Bayer教授首次合成聚氨酯以来，聚氨酯以其软硬度可调节范围广、耐低温、柔韧性好、附着力强等优点逐渐被人们所认识，其弹性体、泡沫塑料、涂料及粘接剂等均已获得广泛应用。另外，聚氨酯的主要原料异氰酸酯很活泼，不仅能与羟基树脂结合，还能与底材中的羟基结合，形成牢固的化学键和氢键，增强了与底材的粘附力，这使它集涂料的优点于一身，具有极好的通用性和优异的使用效果，聚氨酯涂料是增长速度最快的涂料品种之一，它在涂料中所占比例和增长速度象征着一个国家的涂料工业水平，受到世界各国的高度重视和广泛研究。

三、组成、分类及原料

3.1组成

聚氨酯（PU）是一种性能优异的高分子材料，以低聚多元醇为软段，异氰酸酯和扩链剂为硬段的嵌段化合物，其化学结构中含有氨基甲酸酯、醚键、脲键和脲基甲酸酯等多种极性键，赋予了它优良的粘结性和成膜性能。

聚氨酯涂料是在涂膜中含有相当数量的聚氨酯甲酸酯的涂料。其中除了含有氨酯键之外，还含有脲键、醚键、酯键、脲基甲酸酯键等等。

3.2分类

按照产品的包装形式可以分为两大类：单组分固化聚氨酯涂料和双组分聚氨酯涂料。单组分混固化聚氨酯是含异氰酸酯的预聚物，涂布以后，涂膜与空气中的湿气起反应而交联固化。这种涂料的优点主要是使用方便，可以避免配制中的麻烦，缺点是色漆制造比较麻烦，工艺要求严格，成品储存期限也比较短。双组分聚氨酯涂料包括多羟基组分与多异氰酸酯组分。在使用前两组分混合，由多羟基组分中的羟基和多异氰酸酯中的异氰酸根反应而交联成膜。这种涂层具有良好的耐热，耐油和耐水性，但是耐碱性比较差。

3.3合成聚氨酯涂料的原料

合成聚氨酯的主要原料有异氰酸酯（MDI、TDI、HDI、TPDI等），聚醚多元醇或聚酯多元醇及熔助剂等等。

3.3.1多元醇系列

聚氨酯是分子中含有（—NHCOO—）基团的一类化合物，它是由多元醇中的羟基与异氰酸酯基中的酯基合成反应而成的。羟基中的活泼氢原子与异氰酸酯基中的—NCO键反应成氨基甲酸酯。多元醇的官能度、相对分子质量以及分子结构都对PU制品的性能有直接影响。通常官能度高、相对分子量低，制得的制品硬度高、物理机械性能好，耐低温性能也佳。反之，官能度低、相对分子量高，制得的制品弹性和断裂伸长率较佳。

在聚氨酯的制备中常用的多元醇聚合物有聚酯多元醇，聚醚多元醇。有时也用山梨醇、蔗糖、聚丁二烯二元醇及其加氢化合物、聚已内酯多元醇、聚碳酸酯多元醇和有机硅多元醇等。相对分子质量为2500~8000，官能度为2~8。

聚醚多元醇是以二元醇三元醇为起始剂，由氧化烯烃（如环氧丙烷、环氧乙烷等）在氢氧化钾等碱性催化剂存在下，开环聚合而成的。产品的酸值应该在2mgKOH/g之下，最好是1mgKOH/g以下。由聚酯多元醇制得的PU制品机械性能高，耐油耐热，但是其耐水解性、耐低温性、耐氧化性以及耐酸碱稳定性与聚醚多元醇相比稍逊一筹。它主要用于制备胶粘剂，弹性体和涂料等。

3.3.2异氰酸酯系列

纵观整个聚氨酯涂料，可以说几乎都和异氰酸酯的反应活性有着密切的关系。多异氰酸酯系聚氨酯的关键原料，常用的多异氰酸酯是TDI和MDI。它们的工业化程度高，易得，价格适中，制备PU时，操作简便。同时由于聚氨酯涂料的种类很多，针对不同的聚氨酯涂料，也有与之适应的多异氰酸酯种类。比如，对于双组分的WPU涂料的固化剂就包括未改性的多异氰酸酯和改性的多异氰酸酯两种。大多数未改性的多异氰酸酯很难与羟基组分混合均匀，必须使用粘度和反应活性低的多异氰酸酯。改性的多异氰酸酯就是把多异氰酸酯水性化，包括外乳化法和内乳化法。在聚氨酯涂料的生产中，以双组分醇酸聚氨酯涂料为主，脂肪族异氰酸酯在涂料中使用的有六亚甲基二异氰酸酯（HDI）、异佛尔酮二异氰酸酯（IPDI）、二环已基甲烷二异氰酸酯使用最多。最重要的是HDI。二苯甲烷二异氰酸酯（MDI）在涂料中也有相当的比重。但因为存在泛黄的问题，故只能使用在深色内漆中。

四、制备

关于聚氨酯涂料的制备，最关键的一步在于预聚物的合成。预聚体的合成实质是异氰酸酯与聚合物多元醇的反应，可形成多异氰酸酯聚合物，又称聚氨酯预聚物，主要包括聚氨酯加成物、缩二脲和三聚体（异氰脲酸酯）。

端基为异氰酸酯基的预聚体能与水、二元醇、二元胺等进行反应，形成更长链的线性高聚物。也能与二异氰酸酯反应形成高交联型高聚物。活泼氢组分的亲核性愈强，与异氰酸酯的反应性也愈强。

典型的聚氨酯加成物是由TDI与TMP（三羟甲基丙烷）反应制备得到的。加成物经薄膜蒸发，使其游离TDI含量降至0.7%（固体）以下，则这种预聚物的应用量大而广。

由于HDI的两个异氰酸酯基的活性相同，与TMP反应所得产品的粘度较高，固体含量低，工艺复杂，操作困难，因此，采用一种多元醇醚与HDI反应制备HDI加成物，将其用于橡胶涂料，其涂膜弹性较好，即使在零下30℃下，也能保持良好的柔韧性。

五、聚氨酯涂料的种类及应用

5.1水性聚氨酯涂料

水性聚氨酯涂料是以水代替有机溶剂作为分散介质的新型聚氨酯涂料体系。

从1942年Slack首次成功地制备了阳离子型水性聚氨酯，到上世纪70年代水性聚氨酯开始工业化生产，发展到现在，全世界水性聚氨酯树脂估计年产量为5~6万t。虽然水性聚氨酯涂料在某些性能如耐水性、耐溶剂方面，与溶剂型聚氨酯涂料还存在一定的差距，但其具有无污染、安全可靠、机械性能优良、与颜料染料的相溶性好、且不易损伤被涂饰表面、易于改性等优点，如今已在皮革涂饰、纸张涂层、钢材防腐、现为处理等许多领域逐步取代溶剂型聚氨酯涂料。

5.2聚氨酯粉末涂料

聚氨酯粉末涂料是由粉末状聚氨酯树脂、固化剂、颜料、填料及助剂等组成的粉状混合物，通常是将各物料高速混合后，于100~120℃下基础、冷却、粉碎、筛分而制得，且具有良好的耐化学药品性，不易黄变，耐候和耐晒等性能。

聚氨酯粉末涂料目前已成为粉末涂料的主流。聚氨酯粉末涂料一般有3大系列：①封闭型聚氨酯粉末涂料；②带官能团的聚氨酯体系；③含—NCO端基的聚氨酯粉末涂料。

Bayer公司率先进行了聚氨酯粉末涂料的基础研究和开发，成功研制了封闭的异氰酸酯交联体系，常用的是己内酰胺封闭的IPDI固化体系，它的固化温度在170℃以上，这种高温固化有利于涂膜的高度流平，是无挥发性副产物放出的品种。

5.3聚氨酯涂料的应用

5.3.1聚氨酯汽车涂料

汽车涂料按涂装工艺分汽车底漆、中间层涂料和面漆。

当今世界，汽车生产中，底漆有92%采用电泳漆（CED），其中90%为阴极电泳漆，聚氨酯电泳漆以其综合性能优异的特点，如涂膜厚，表面高度平整，耐碎落，对防锈钢板的适用性很强，在其中所占的比例越来越大。中间层涂料对抗石击性要求较高，而聚氨酯涂料的抗石击性能最佳，被人们极为重视。在汽车面漆中，聚氨酯涂料具有金属闪光性的特点，已成为发展方向。

5.3.2聚氨酯木器家具涂料

聚氨酯涂膜具有坚韧性、耐沸水性、耐香烟头灼烧及耐冲洗性，其固体分高，减少了施工道数，常温下干燥迅速，涂膜平整丰满，优于其他系列的涂料，已成为高档家具用涂料。

我国聚氨酯木器家具涂料中，单组分聚氨酯木器家具涂料以聚氨酯醇酸（氨酯油）为主，双组分聚氨酯木器家具涂料的NCO基组分以TDI加成物和HDI缩二脲居多，TDI加成物包括TDI/TMP加成物和蓖麻油多元醇预聚物/TDI的加成物。聚氨酯木器家具涂料由单一品种迅速向多品种、系列化或配套产品发展，包括开发聚氨酯清漆、磁漆、木器封闭底漆及专用助剂和稀释剂等。

5.3.3聚氨酯防腐蚀材料

聚氨酯涂料可低温固化，弹性好，湿固化聚氨酯涂料能全天候施工，可用多种树脂改性（如环氧、聚烯烃和氯磺化橡胶等），用作桥梁、石油贮罐、化工厂设备等的重防腐蚀涂料，已引起防腐蚀专家的关注，具有很好的发展前景。

5.3.4聚氨酯防水材料

防水涂料是指起着防潮、保护涂饰物及其构件不受水侵蚀破坏作用的一类涂料。水性聚氨酯由于其良好的综合防水性能，已经越来越多地受到人们的关注，成为防水涂料领域中新的发展方向。水性聚氨酯具有优异的耐磨性、柔韧性、流动性、机械性能及耐化学品性，同时还有光亮、附着力强等优良性能，既有效避免了溶剂型聚氨酯体系中有毒、易燃挥发性有机化合物（VOC）的排放，又具有不燃、无毒、不污染环境、节约能源等优点。

5.3.5其他应用

如聚氨酯涂料漆包线漆、聚氨酯地板漆、纺织印染加工用水性聚氨酯等等。

六、我国聚氨酯涂料的发展现状

我国聚氨酯涂料的研制和开发始于20世纪50年代，自80年代后，随着人民生活水平的提高，对木器家具、汽车、铁路机车需求增长，以及石油化工、桥梁船舶、机械工业等产业的发展，使聚氨酯涂料进入飞速发展时期，聚氨酯涂料产量从1980年的0.17万t增加到2004年20万t以上，该领域TDI大约消耗5.5万t。产量仅次于醇酸树脂漆、酚醛树脂漆和丙烯酸树脂漆，成为第四大涂料品种。

目前我国聚氨酯涂料以双组分聚氨酯涂料为主流，主要用于木器家具的涂装。其次是单组分聚氨酯涂料，以聚氨酯为基料，可以生产清漆和色漆。丙烯酸聚氨酯漆用HDI缩二脲为固化剂，作为汽车补修漆，在我国大多用于涂装面包车和大客车以及轻型汽车。

2007年用于涂料工业的聚氨酯涂料占我国涂料总产量的7%。聚氨酯涂料在木器涂料工业中占主导地位，占到木器涂料市场的75%，紧接着是汽车补修漆，占40%多的市场份额。

七、结束语

随着经济与技术的发展，聚氨酯涂料的优点越来越被人们所认识，其应用范围也越来越广。聚氨酯的发展趋势为开发高性能、低能耗和无污染的聚氨酯涂料，即开发高固体含量、水性和无容积聚氨酯涂料。具体的发展方向有：①完善TDI固化剂的多样化和系列化，开发MDI系列涂料产品；②研发脂肪族异氰酸酯固化剂，发展HDI缩二脲、HDI三聚体、IPDI加成物和三聚体等固化剂产品，以填补国内空白，推动我国聚氨酯涂料的发展；③解决固化剂生产过程中的关键技术，加大相关设备的开发与设计，有效降低固化剂体系中游离异氰酸酯单体含量，增加固化剂与羟基树脂的相容性；④研制开发额高性能、低毒、低污染的聚氨酯涂料。丰富和完善水性聚氨酯涂料品种；开发HMDI、IMCI等新型粉末聚氨酯涂料固化剂，改善聚氨酯粉末涂料的外观，研究其固化机理；⑤发展和完善聚氨酯专用涂料品种，扩大聚氨酯涂料的应用领域。

聚氨酯涂料在涂料家族中还处于开发和上升阶段，因此，大力开展我国环保型聚氨酯的研究工作，无论是在理论上还是实践上都具有重大意义。有理由相信，经过不断努力，大力加强应用开发研究，提高基础化水平，水性聚氨酯的产品必将得到迅速发展。

八、参考资料

【1】李晓明，张义新等．聚氨酯涂料研究现状及发展．应用化工，2010，39（７）：1091-1095

【2】陈塞艳，陈蕴智．聚氨酯涂料的应用发展现状．化工时刊，2008，22（8）：52-55

【3】中国聚氨酯工业协会涂料专业委员会．涂料综述：8-12下载本文