编者按

谈及水性聚氨酯技术，我们眼前跳出的第一个词汇是“环保”。经历了多年的发展，水性聚氨酯已经从单纯的概念产品，开始得到市场的认可和追捧。尤其是涂料领域，在水性木器漆以及汽车涂装上的应用已趋于成熟。

然而，在“油改水”的热潮中，还是有很多问题暴露出来，比如设备昂贵、生产效率低、设备与涂料产品配合性能差、三废处理等。

最受关注的是，水性涂料能否达到溶剂型涂料原有的指标如硬度、耐刮擦性、丰满度、饱和度……国家政策的推动和消费者的选择观念转变，使得“油改水”这条道路势在必行，而这条路远没有想象的那么简单。

与此同时，水性聚氨酯在新兴领域的应用层出不穷，意味着一个全新时代的降临。

水性聚氨酯的发展历程

聚氨酯从20世纪30年代开始发展,而在40年代才有少量水性聚氨酯的研究，如1943年德国化学家Schlack在乳化剂及保护胶体存在下，将二异氰酸酯在水中乳化首次成功制备出聚氨酯乳液。

1953年 Du Pont 公 司 的 研究人员将二异氰酸酯基团聚氨酯预聚体的甲苯溶液分散于水，用二元胺扩链，合成了水性聚氨酯。但是当时聚氨酯材料科学刚刚起步，水性聚氨酯还未受到重视

1967年水性聚氨酯实现首次工业化。

1972 年拜耳公司正式将聚氨酯水分散体作为皮革涂饰剂进行大批量生产。同时，我国也开始了水性聚氨酯的研制，其研究方向主要是水性聚氨酯皮革涂饰剂。

20 世纪七八十年代，美、德、日等国的一些水性聚氨酯产品已从试制阶段发展为实际生产和应用，一些公司有多种牌号的水性聚氨酯产品供应， 如 德 国 Bayer 公 司 的Dispercoll KA 等系列、美国Wyandotte 化学公司的 X 及E 等系列、日本光洋产业公司的水性乙烯基聚氨酯胶黏剂 KR 系列等等。

20 世纪 90 年代是我国水性聚氨酯皮革化材技术科研成果转化的高峰期。安徽大学、丹东轻化工研究院、成都科技大学 (现四川大学分部)等的 PUD 技术成果都先后被转化.

20世纪90年代末，国外巨头和不少台湾企业在浙江等地兴建皮化产品生产企业，其中半数以上为水性聚氨酯产品。

目前，我国已有不少领域应用水性聚氨酯产品，但其中许多高档产品仍然不能自给，因此自主研发高性能水性聚氨酯就成为国内聚氨酯领域最热门的方向之一。

水性聚氨酯的分类

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水性聚氨酯相关产品

水性聚氨酯涂料

水性聚氨酯涂料是以水作为溶剂，将聚氨酯树脂分散于水中而形成的一种涂料，体系中无或很少存在机溶剂，具有气味小、不污染环境、节能、施工方便等优点，将聚氨酯涂膜的附着力强、硬度高、耐溶剂性好、耐磨蚀等优点与水性聚氨酯涂料的低挥发性有机化合物 (VOC) 含量相结合，更适合日益严格的环保要求，受到人们的高度重视，成为当今世界上发展速度最迅速的涂料品种之一。

水性聚氨酯涂料对金属、木材、混凝土及塑料等表面有良好的附着力，且耐冲击性和抗磨性能良好。与其他乳胶涂料相比，低温成膜效果好，不需要成膜助剂；也不需要外加乳化剂、分散剂或增塑剂等；易于通过固化剂和交联剂进行改性来提高抗化学性和耐溶剂性，改进耐水性，可提供高光泽涂膜，对各种颜料包括金属颜料有良好的适应性等优点。

水性聚氨酯涂料相关型号

其中应用最广泛的是水性聚氨酯木器漆涂料，又具体分为以下几个品种：

在家具行业，消费者对高端产品的接受度不断提升，实木家具的占比越来越高。同时，消费者对涂料的环保性和性能方面也提出了更高的要求。那么什么样的木器漆才是好漆？一般而言，人们认为没味的就是好漆。实际上，除了环保性之外，木器漆还需具备以下性能：足够的硬度、耐磨性、光泽度、附着力、耐候性、丰满度、耐溶剂性等。为了迎合环保的趋势，木器漆行业内掀起了一股“油改水”的风暴，而不同的水性涂料存在着各自的优势和缺点。

从上表可以看出，以上几种水性木器漆都存在不同优缺点。乳液作为漆的基料，在漆中扮演着至关重要的角色。因此，科研人员尝试着把水性丙烯酸酯分散体和水性聚氨酯分散体复合，通过两者优势互补，研究出新一代水性聚氨酯---丙烯酸树脂木器漆，简称PUA木器漆。它兼备了二者的优点，能形成耐磨、耐腐蚀、光亮、柔软有弹性的漆膜，且漆膜有耐水性强、力学性能强和耐候性佳等特性，因此被誉为“第三代水性聚氨酯”。

其次是汽车用水性聚氨酯涂料，主要应用在汽车底漆、面漆、修补漆工序中。

汽车底漆：汽车底漆即直接涂装于车身的第一道涂料。世界各国汽车底漆绝大部分使用阴极电泳漆。用封闭型聚氨酯 (PU)、聚酯树脂、环氧树脂等一起，可制备阴极电泳聚氨酯 (PU) 涂料。如今，在走向水性化的过程中，首先将底色漆水性化，能大大降低 VOC 的排放。Nissan 就在 2010最先开始使用水性底色漆的 3C1B 工艺，并且使用双组分聚氨酯作为清漆满足外观的要求。而 Honda 则在水性化底色漆的 3C1B 工艺中，使用溶剂型双组分聚氨酯中涂底漆，以提高体系的抗石击性。据悉，中涂底漆也开始了水性化，丰田 (Toyota) 和通用 (GM) 都开始使用水性 3C1B 工艺。在通用的未来全球工艺规划中，使用双组分聚氨酯清漆的水性3C1B 工艺已经成为标准。

聚氨酯 (PU) 电泳涂料主要包括以下 3 类：水性聚氨酯(PU) 树脂电泳漆、聚氨酯 (PU) 改性水性树脂电泳漆和水性封闭多异氰酸酯。其中，水性封闭多异氰酸酯作为各种电泳漆的交联剂使用最为普遍。

汽车面漆：面包括底色漆与罩光清漆，均可使用涂料。目前使用的面漆主要为溶剂型，但从发展角度看，水性化、高固体份、粉末化是其发展方向。现在有的 2 种主要水性底色漆就包括水性聚氨酯底色漆，如科思创商品名字为Bayhydrol® 的水性聚氨酯分散体等等；罩光漆基本为溶剂型双组分聚氨酯，主要是在多水性涂层的基础上，采用双组分溶剂型聚氨酯罩光漆后，VOC 排放已经达到欧洲标准。因此，现有涂装线上使用水性罩光漆的情况比较少，仅仅在新建设的涂装线上使用。当然，使用双组分水性聚氨酯罩光漆也能够获得与溶剂型聚氨酯罩光漆相当的性能。

面漆的耐候性是其重要指标之一，很明显，面漆将直接暴露于大气和阳光之中，必须有满足使用要求的耐候能力。聚氨酯面漆的耐候性要优于另外一类广泛使用的面漆品种丙烯酸磁漆。聚氨酯面漆抗 UV 能力和抗渗水性能均强于丙烯酸磁漆，其综合性能也是强于丙烯酸磁漆。另外，前些年还开发了由双组分水性聚氨酯制成的可直接附着在金属上面，不需要底漆的水性面漆，它可用于室内外车辆上，且防腐蚀性能有重大改进。

汽车修补漆：汽车原车漆要求漆膜有比较好的光泽、快干、良好的耐水性、耐溶剂性和耐老化性。汽车修补漆除了要达到这些性能外，还必须能够低温固化，而双组分聚氨酯涂料正好能满足这些要求，由丙烯酸酯多元醇和多异氰酸酯组成的双组分聚氨酯涂料，能室温或者低温烘烤固化，可用在汽车的金属、塑料、木材及其他底材上，这类涂料由于使用了比较多挥发性有机化合物作为溶剂，因此对环境造成了严重危害。

随着各国限制挥发性有机化合物标准的出台，对传统的溶剂型聚氨酯涂料提出了挑战，前些年又开发了水性双组分聚氨酯涂料，并获得成功。汽车修补漆用的水性双组分聚氨酯涂料的含羟基组分中通常要加入流平剂、消泡剂、催化剂、光稳定剂、增稠剂和有机共溶剂等助剂，再与多异氰酸酯组分混合后加水调整粘度 , 用喷涂法施工。而用于汽车修补的水性双组分聚氨酯涂料早已经商品化了，其 VOC 比溶剂型聚氨酯涂料低很多，可满足任何严格的溶剂排放法规。但是由于其组分中仍然含有乳化剂或有较高的酸值，因此漆膜的耐水性和耐溶剂性等性能仍需继续改进，另外难以制成较厚而不起泡的涂膜。水性双组分聚氨酯涂料正在逐步取代传统的溶剂型涂料，随着环保法规的日益严格，它必将占据更大的市场份额。

水性聚氨酯其他产品

水性聚氨酯胶粘剂

水性聚氨酯胶粘剂最初在制鞋工艺中使用 ,主要是为了适应法律法规的要求。单组分热塑型水性聚氨酯胶粘剂的固化 ,主要为水分挥发后乳液成膜,依靠胶膜与基材之间的物理吸附达到胶接效果。由于不使用有机溶剂 ,鞋的产过程及最后成品均符合环保和安全的要求。而与传统的溶剂型聚氨酯胶粘剂相比 ,其缺点也是很明显的。水的挥发速度慢 ,这增加了生产过程中的能耗 ,制鞋的原料多为疏水性 ,容易出现胶膜不连续 ,使胶接部分耐水性差 ,物理吸附的形式经常使胶接强度不能令人满意。

为了提高胶接强度 ,满足生产需要。双组分热固型胶粘剂开始大量使用。这种胶粘剂在使用时 ,通过加入交联剂 ,形成ＮＣＯ基团与基材的活泼氢发生化学交联 ,使胶接强度明显增加。

这种胶粘剂所使用的交联剂主要为适用于水性体系的异氰酸酯类交联剂 ,添加量一般为主剂(水性聚氨酯)的10% 左右 ,加入交联剂后 ,胶粘剂必须搅拌均匀。配好的粘剂有适用期限制 ,必须现配现用 ,并尽快用完。目前欧美各国制鞋企业主要采用这一类聚氨酯胶粘剂。

水性聚氨酯合成革

水性聚氨酯合成革加工采用水性聚氨酯树脂代替溶剂型树脂为原料，通过制革生产线制得革成品。水性树脂不含有毒的有机化学溶剂，生产过程中挥发出来的主体是水蒸气，对人体、环境无危害，极大地降低了环境污染的治理费用。另外，采用水性树脂生产的合成革成品中没有任何毒性物残留，完全可以达到合成革环保的高要求。在物理性能上，水性聚氨酯高分子链中存在氨基甲酸酯基、脲基甲酸酯基、脲基酯基、醚基、酮基、苯环等一系列多功能基团，从而使水性树脂具有耐水性、耐溶剂性、耐磨性、耐刮性、耐皱折性，透湿、透气性能，及与真皮一样的手感。

但是，目前采用水性聚氨酯树脂生产水性生态合成革的研发仍受技术、设备和生产工艺所制约。

水性聚氨酯全新应用

医疗用品

2016 年 8 月，兰州科天健康科技股份有限公司宣布成功研发出薄至 0.01 中国首款水性聚氨酯避孕套，并率先通过食品药品监督管理局批准上市，2017 年 5 月 20 日，中国首款水性聚氨酯避孕套品牌中川 001 正式发布，并通过京东全球首发。

在中川 001 问世之前，世界上只有日本两家公司掌握聚氨酯避孕套生产技术。中川 001 的问世，打破了日本在聚氨酯避孕套生产领域的技术垄断，至此中国有了品质高端、安全可靠的水性聚氨酯避孕套。中川 001 聚氨酯避孕套薄至0.01 是普通乳胶避孕套厚度的 1/5，几近于肥皂泡的薄度，而且可以提供更舒适的体验感，更柔软更细腻的亲肤触感，多倍于普通乳胶避孕套的导热速度。

在带来完美体验感的同时，水性聚氨酯避孕套无孔洞、致密度高的特点，也大大增强了避孕套的安全性，除能有效避孕外，还能够有效阻隔HPV、HIV，HBV 等病毒。同时，聚氨酯避孕套避免了传统乳胶避孕套中存在的蛋白质引起的过敏问题。

化妆品

科思创一直在尝试将水性聚氨酯运用到新的领域，化妆品就是其中之一。科思创将 Baycusan®C1004 水性聚氨酯分散体应用到提拉紧致产品配方中，能够在皮肤表面快速形成一层隐形的膜，支撑皮肤达到更佳的紧致效果。聚氨酯隐形膜具有良好的透气性、成膜性和拉伸性能，可以帮助肌肤产生形变记忆，强化并巩固紧致效果。将 Baycusan®C1004 添加到眼部或脸部紧致产品里，可以通过简单的涂敷即时在肌肤上成一层极薄的膜，所形成的膜可以很好地贴合皮肤，使皮肤呈现出年轻紧实的状态。

科思创将 Baycusan®C1010 水性聚氨酯分散体应用到发蜡、乳液、霜状和泡沫类美发产品，它能在头发表面形成具有弹性和拉伸性的薄膜，保持发型在各种气候下持久不变，且手感不黏腻。同时，它不会在头发上留下残留。

在亚洲市场，造型产品的最重要标准之一是没有剥落。Baycusan®C1010 具有强效定型效果且不影响自然外观。使用后能使头发看起来舒服自然。在配方中添加Baycusan®C1010 能使得头发在极度潮湿和干燥的环境中，依然具有良好的定型保持效果。通过实验室高湿环境卷曲保持率测试，使Baycusan®C1010 的美发造型产品无论在标准的 65% 相对湿度环境，或更高的 90% 相对湿度环境下，都表现出更优异的持久定型效果。

来源：环球聚氨酯（2018年6月刊）、化工新材料