隨著人們環(huán)保意識的增強(qiáng)，傳統(tǒng)的有機(jī)揮發(fā)化合物含量高的溶劑型建筑涂料已經(jīng)受到了前所未有的挑戰(zhàn)。WPU涂料具有良好的低溫成膜性，耐高溫回粘性，優(yōu)異的物理機(jī)械性能(如柔韌性、耐磨性)，低的VOC排放量，施涂后漆膜豐滿，因此具有廣闊的發(fā)展應(yīng)用前景，也是目前建筑涂料領(lǐng)域研發(fā)的一個重點(diǎn)和熱點(diǎn)。但是WPU涂料也存在著性能方面的缺陷，可以通過不同的改性的方法來改善它的缺陷和提高它的性能，從而滿足人類的更高的需求。目前用丙烯酸酯、環(huán)氧樹脂等復(fù)合改性研究得相當(dāng)成熟，另外納米粒子改性WPU涂料也已經(jīng)成為研究的熱點(diǎn)�？傊�，高性能和環(huán)保安全性將是今后建筑涂料的發(fā)展方向，而WPU涂料必將在建筑領(lǐng)域大放異彩。

    聚氨酯涂料在建筑領(lǐng)域有著廣泛的應(yīng)用和研究，隨著各國對環(huán)保和節(jié)能的日益重視，其發(fā)展從最初的溶劑型到現(xiàn)在的水性化。與溶劑型聚氨酯涂料相比，水性聚氨酯(WPU)涂料具有無毒、不污染環(huán)境、節(jié)省能源和資源等優(yōu)點(diǎn)，屬于當(dāng)今的綠色高分子材料。近年來，由于社會經(jīng)濟(jì)快速增長，建筑行業(yè)不斷發(fā)展，建筑涂料日益受到人們的重視，已經(jīng)成為涂料工業(yè)中增長最快的涂料品種;WPU涂料將聚氨酯樹脂所固有的強(qiáng)附著力、耐磨蝕、耐溶劑性好等優(yōu)點(diǎn)與水性涂料低的VOC含量相結(jié)合，在建筑市場發(fā)揮著舉足輕重的作用。

 

一、水性聚氨酯涂料在建筑領(lǐng)域的應(yīng)用

    建筑涂料廣泛應(yīng)用于建筑物的裝飾和保護(hù)，要求是能抵御外界環(huán)境對建筑物的破壞，能對建筑物的防霉、防火、防水、防污、保溫、防腐蝕等起保護(hù)功能;更重要的是低毒或者無毒、不易燃，對人類來說有足夠的安全性。WPU涂料所具備光澤性、柔韌性、耐候性、耐溶劑等優(yōu)異性能以及無毒、環(huán)保的優(yōu)點(diǎn)，使其在建筑領(lǐng)域大放異彩。

    1、地坪涂料

      地坪涂料是一類應(yīng)用于水泥基層的涂料，要求具備耐磨、防滑、耐腐蝕、耐沾污等性能。WPU涂料所具備的柔韌可調(diào)整和環(huán)保等優(yōu)勢，在地坪領(lǐng)域所占的份額越來越大。對于單組分WPU，需要通過交聯(lián)改性來獲得優(yōu)異的力學(xué)性能、耐水性、耐溶劑性以及耐老化性，從而滿足地坪涂料的要求。而雙組分WPU自身所具有的易清洗、耐磨性、耐刮擦性、耐化學(xué)品等優(yōu)異的性能，在地坪領(lǐng)域應(yīng)用十分廣泛。陳凱研究一種雙組分WPU地坪涂料，是由硅丙水分散體的OH基團(tuán)和多異氰酸酯NCO基團(tuán)兩組分配制而成。結(jié)果發(fā)現(xiàn)，有機(jī)硅氧烷單體加入量、羥基含量、酸值、固化劑的選擇等對涂膜性能均有顯著的影響。當(dāng)硅氧烷單體質(zhì)量分?jǐn)?shù)為5%～10%、羥基量為2.8%～3.0%、酸值在25～36mgKOH/g、玻璃化轉(zhuǎn)變溫度為40～58℃條件下合成高性能含羥基硅丙樹脂，將其與固化劑配制的地坪涂料涂膜性能最佳;其涂膜堅硬、耐久，具有很好的耐水性、耐蝕性、耐劃傷性和耐擦洗性。沈劍平等研究發(fā)現(xiàn)，只要選材得當(dāng)，雙組分WPU涂料可以實(shí)現(xiàn)非常優(yōu)異的綜合性能。用基于多元醇分散體BayhydrolAXP2695和多異氰酸酯BayhydurXP2487/1研發(fā)的白漆，以60kg的壓力將40mm×40mm的冬季防滑胎壓放在涂料樣板上，常溫壓放1d后，在50℃下壓放3d，發(fā)現(xiàn)其漆膜表面僅留下輕微的印痕，并且可以用乙醇輕易地擦拭干凈。最新的研究表明，某些高交聯(lián)密度的雙組分WPU地坪涂料具有優(yōu)異的抗熱胎痕的性能。

    2、建筑防水涂料

      目前在建筑防水領(lǐng)域，溶劑型聚氨酯涂料應(yīng)用比較廣泛；但隨著環(huán)保的力度的加大，涂料勢必要向無溶劑、水性化方向發(fā)展。WPU由于引入親水集團(tuán)，涂料的耐水性不佳，無法滿足建筑防水涂料的需求，所以可以通過改性來提高和改善相應(yīng)性能。羅春暉等采用氮丙啶對陰離子WPU分散體(PUD)進(jìn)行交聯(lián)改性，結(jié)果表明，室溫下氮丙啶可與PUD鏈上的羧基反應(yīng)，其加入可以顯著改善涂膜的耐水性、耐溶劑性及耐沾污性。沈一丁等以異佛爾酮二異氰酸酯、聚醚二元醇(PTMG)以及二羥甲基丙酸為主要原料合成聚氨酯預(yù)聚體，并引入含酮羰基的雙羥基化合物(DDP)與預(yù)聚體進(jìn)行交聯(lián)，再加入3-氨丙基三乙氧基硅烷(KH550)改性，合成了穩(wěn)定高交聯(lián)度脂肪族WPU，研究結(jié)果表明，KH550能顯著改善水性聚氨酯的力學(xué)性能及耐介質(zhì)性。當(dāng)KH550質(zhì)量分?jǐn)?shù)由0增加至10%時，乳膠膜的拉伸強(qiáng)度由20MPa增加至27MPa，吸水率由43.2%降低至21.3%，吸丙酮率亦由47.5%降低至26.2%。TG分析表明，隨著KH550含量的增大，聚氨酯涂膜的熱穩(wěn)定性明顯提高。郭松等采用蓖麻油為內(nèi)交聯(lián)劑合成防水性能較好的WPU成膜劑，以表面能、吸水率、接觸角等指標(biāo)分別考察蓖麻油的不同用量對WPU防水性的影響。結(jié)果表明，當(dāng)蓖麻油最佳質(zhì)量分?jǐn)?shù)為4%時，其表面能僅為26.3mN/m，水接觸角可達(dá)106.8°，吸水率為8.7%，其拉伸強(qiáng)度達(dá)22.77MPa，斷裂伸長率達(dá)到了489.83%，開始分解溫度提高到173℃，制得的WPU膜有良好的防水性能和一定的力學(xué)性能。以上品種均可以用于建筑防水。

    3、隔熱涂料

      經(jīng)濟(jì)的快速發(fā)展加速了建筑能耗，給社會造成了極大的能源負(fù)擔(dān)和嚴(yán)重的環(huán)境污染，門窗(尤其是玻璃)是建筑能量最易損失環(huán)節(jié);為了節(jié)約能源，透明隔熱涂料應(yīng)運(yùn)而生。將涂料涂在玻璃的表面，能夠形成一層透明且隔熱涂膜，使玻璃在滿足采光需求的同時又具備較好的隔熱效果。因此對該涂料的要求是具有較高的可見光透過率和良好的隔熱效果。有學(xué)者研究發(fā)現(xiàn)，在WPU樹脂中加入納米功能性的填料，可以制得透明性和隔熱性均較好的建筑節(jié)能涂料。廖陽飛等以PUA樹脂為基料，用納米氧化銦錫(ITO)漿料為顏填料制備水性透明隔熱的玻璃涂料，并制得隔熱夾層玻璃。該玻璃耐輻照、耐熱和耐沖擊等性能好，且具有良好的隔熱效果和可見光透射比，當(dāng)顏基質(zhì)量比為1∶4時，納米ITO透明隔熱涂料在可見光區(qū)域(380～780nm)，透射比在75%左右，遮陽系數(shù)可達(dá)0.57，隔熱15℃以上。

      張永進(jìn)等將納米氧化錫銻(ATO)作為顏填料應(yīng)用于涂料，以WPU為成膜劑制備了ATO隔熱透明涂料，并對涂層進(jìn)行光學(xué)性能表征，結(jié)果表明，當(dāng)顏料體積濃度(PVC)為0.081時所制得的納米ATO透明隔熱涂料所得涂層(30μm)，其可見光透射比可達(dá)86.2%，近紅外區(qū)(800～2500nm)的屏蔽率可達(dá)61.3%，具有良好的隔熱效果和可見光區(qū)足夠的透明度。孟慶林等將納米ATO與WPU通過一定的工藝制備出納米隔熱涂料，在常溫下將之涂覆在玻璃表面制成低輻射玻璃。光學(xué)性能分析表明，其具有較好的隔熱效果，6mm厚白玻璃涂覆后遮陽系數(shù)SC小于0.67，且可見光透過率較高，大于63%，并且玻璃表面光滑平整可視性好，具有良好的市場前景。

 

二、水性聚氨酯涂料在建筑領(lǐng)域的研究進(jìn)展

    建筑涂料目前發(fā)展方向是環(huán)保和高性能，對WPU進(jìn)行改性和功能化已經(jīng)成為當(dāng)今重要的研究內(nèi)容。

    WPU的改性方法主要有共混改性、交聯(lián)改性、復(fù)合改性、納米粒子改性。共混改性可以提高WPU的耐水性、力學(xué)性能等，但樹脂之間的相容性不佳，綜合性能不理想;交聯(lián)改性是將線性聚氨酯通過化學(xué)鍵的形式交聯(lián)成網(wǎng)狀結(jié)構(gòu)的聚氨酯，其在很大程度上提高了WPU耐溶劑性和力學(xué)性能，但是樹脂種類單一，無法發(fā)揮多種樹脂共混的優(yōu)越性;復(fù)合改性是利用一定的方法(共聚和接枝)將不同類型的樹脂(如丙烯酸酯、有機(jī)硅、環(huán)氧樹脂)復(fù)合到WPU主鏈上，克服各自的缺陷，在性能上達(dá)到很大的互補(bǔ)性，使涂膜的性能得到明顯的改善，從而配制出性能優(yōu)異的水性涂料;納米粒子改性可以使WPU獲得優(yōu)異的性能，也是當(dāng)今研究的熱點(diǎn)，但如何使納米粒子在聚合物基體中分散均勻而不發(fā)生團(tuán)聚，怎樣通過無機(jī)納米粒子的含量、界面的作用和分散狀態(tài)來優(yōu)化從而得到性能更好的納米復(fù)合材料，也是值得相關(guān)人員深入研究的。本節(jié)著重介紹了復(fù)合改性和納米改性。

    1、復(fù)合改性

      對于單一WPU，存在耐水性差、固含量低等缺陷，其在建筑領(lǐng)域的應(yīng)用受到很大的限制。通過復(fù)合改性，可以發(fā)揮各種改性劑的優(yōu)點(diǎn)提高WPU的各項(xiàng)性能。常用的改性劑有丙烯酸和環(huán)氧樹脂類單體。鄭紹軍等利用丙烯酸類單體來改性WPU，合成了穩(wěn)定的核殼型水性PUA復(fù)合乳液，使得涂膜具有良好的耐水性。李璐等采用物理共混法制備了丙烯酸乳液改性WPU涂料，研究了WPU和聚丙烯酸酯乳液種類及配比對涂膜性能的影響。性能測試表明，共混改性的涂膜性能比WPU乳液涂膜性能有明顯的提高。姜守霞等研究了環(huán)氧樹脂在WPU乳液中含量對性能的影響，研究發(fā)現(xiàn)加入環(huán)氧樹脂后，產(chǎn)品的耐水性有明顯的提高，且隨著環(huán)氧樹脂含量的增加，硬度也增加，粘度呈上升趨勢。

      以上研究表明，用丙烯酸酯類和環(huán)氧樹脂類單體對WPU進(jìn)行改性的復(fù)合乳液涂料，其性能適合現(xiàn)今建筑業(yè)對其的優(yōu)質(zhì)要求。

      有機(jī)硅改性是最近幾年發(fā)展的新興改性方法;主要是側(cè)基或者端基帶有活性集團(tuán)的聚硅氧烷，對WPU改性主要以共聚為主。安徽大學(xué)采用硅烷偶聯(lián)劑KH-602改性WPU，研究顯示硅烷偶聯(lián)劑應(yīng)在預(yù)聚體中和后加水乳化時加入，否則易發(fā)生凝膠，當(dāng)KH-602質(zhì)量分?jǐn)?shù)為5.2%時，乳液穩(wěn)定性和膠膜的綜合性能較佳�？祱A等以甲苯二異氰酸酯、聚醚二元醇(N-220)、l，4-丁二醇、二羥甲基丙酸和硅烷偶聯(lián)劑(KH-550)等為主要原料，采用丙酮法合成了有機(jī)硅改性WPU乳液。結(jié)果表明，KH-550和DMPA的加料方式和用量對WPU乳液穩(wěn)定性影響較大；當(dāng)KH-550質(zhì)量分?jǐn)?shù)為5%、DMPA質(zhì)量分?jǐn)?shù)為3%～5%時，WPU乳液及其膠膜的綜合性能較好。

      魏丹等合成了一種新型的具有高交聯(lián)密度和優(yōu)異涂膜性能的環(huán)氧樹脂和丙烯酸酯同時改性的紫外光(UV)固化WPU，通過引入質(zhì)量分?jǐn)?shù)為4%的環(huán)氧基團(tuán)與以異氰酸酯基封端的聚氨酯預(yù)聚體之間的反應(yīng)，同時通過聚氨酯鏈的異氰酸酯基與二元丙烯酸酯以及季戊四醇三丙烯酸酯的羥基反應(yīng)引入碳碳雙鍵，通過引發(fā)聚合，可以獲得交聯(lián)度非常高的涂膜，測試表明，涂膜具有優(yōu)異的耐水性、耐溶劑性、力學(xué)性能和化學(xué)性能。周亭亭等將磺酸型聚酯多元醇、異佛爾酮二異氰酸酯和三羥甲基丙烷(TMP)在無有機(jī)溶劑參與的情況下進(jìn)行預(yù)縮聚，以硅烷偶聯(lián)劑KH-550作為改性劑，加入雙官能團(tuán)單體甲基丙烯酸-β-羥乙酯(HEMA)，得到含乙烯基和有機(jī)硅封端的聚氨酯作為種子乳液，然后與甲基丙烯酸甲酯(MMA)、丙烯酸丁酯(BA)混合單體共聚，合成了有機(jī)硅改性磺酸型聚氨酯/丙烯酸酯復(fù)合乳液。熱重分析表明，經(jīng)有機(jī)硅和丙烯酸酯改性后，膠膜的最大熱失重溫度提高了20℃，X-射線衍射分析表明，膠膜的結(jié)晶度降低，有利于提高膜的韌性。力學(xué)性能測試及吸水率測試結(jié)果表明，當(dāng)有機(jī)硅質(zhì)量分?jǐn)?shù)為19%時，膠膜的拉伸強(qiáng)度最高達(dá)25.03MPa，斷裂伸長率為328%，此時膜的吸水率最低。

      以上結(jié)果表明，對WPU進(jìn)行復(fù)合改性可以改善性能缺陷，達(dá)到性能互補(bǔ);目前用丙烯酸酯和環(huán)氧樹脂改性的研究和應(yīng)用已經(jīng)相當(dāng)成熟;有機(jī)硅和多元復(fù)合改性也已經(jīng)成為人們的研究熱點(diǎn)，對WPU的優(yōu)化可以達(dá)到新型建筑涂料的要求。

    2、納米改性

      納米技術(shù)是當(dāng)今許多學(xué)科的研究熱點(diǎn)，其特殊的體積、界面以及表面缺陷等效應(yīng)，可以賦予其獨(dú)特的光學(xué)、電學(xué)、磁學(xué)、催化以及化學(xué)等特性。采用納米粒子對WPU進(jìn)行改性，可以大幅度提高物理機(jī)械性能，隔熱保溫、抗菌防霉以及防火性能等，目前常用于改性的納米粒子有納米SiO2、納米TiO2、納米ZnO、納米ATO、納米CaCO3等，主要的處理方法有原位聚合法、插層法、直接混合法和溶膠凝膠法等;但是納米粒子改性最大的缺點(diǎn)是易團(tuán)聚，需要對其進(jìn)行表面改性，避免用直接共混法。GaoXY等用油酸對納米CaCO3進(jìn)行改性，采用原位聚合法制備一系列WPU/納米CaCO3復(fù)合材料，掃描電鏡(SEM)觀察材料斷面發(fā)現(xiàn)改性后的納米CaCO3在WPU中的分散良好;FT-IR檢測發(fā)現(xiàn)納米CaCO3質(zhì)量分?jǐn)?shù)為2%時，WPU化學(xué)結(jié)構(gòu)變化最小;由TGA測量發(fā)現(xiàn)WPU的熱穩(wěn)定性大大提高，同時其機(jī)械性能、拉伸強(qiáng)度比純WPU高得多。SooKL等采用紫外光固化制備WPU/SiO2復(fù)合材料，其中無機(jī)納米粒子SiO2的加入，改善了WPU的機(jī)械性能和熱性能，降低了材料的制作成本;研究發(fā)現(xiàn)這種材料具有較好的形狀記憶能力。金祝年等采用內(nèi)乳化法在聚氨酯主鏈上引入親水基形成自乳化WPU分散體，選用多元胺作為擴(kuò)鏈劑，選擇添加l%以下的陰離子羥基硅油微乳液，以SiO2為載體基的納米銀化合物作為水性木器漆的抗菌粉，制成納米水性環(huán)保健康涂料，使之具有較強(qiáng)的吸附甲醛和抗菌的作用。張冠琦等以WPU樹脂為成膜物，以自制的納米ATO分散體為功能性填料，經(jīng)一定的工藝制得透明隔熱涂料，將其涂覆在玻璃表面后，能形成一層透明隔熱涂膜，在滿足采光的需求的同時，又表現(xiàn)出較好的隔熱效果，在建筑玻璃和汽車玻璃隔熱節(jié)能領(lǐng)域具有較好的應(yīng)用前景。羅振揚(yáng)等分別將納米氧化鋁和納米氧化銦錫加入到WPU樹脂中，研究發(fā)現(xiàn)納米氧化鋁粒子在水性樹脂具有較好的分散性，樹脂固化時納米氧化鋁以層狀堆疊的方式相容在聚氨酯樹脂中，且能大幅度提高WPU乳液涂膜的耐磨性;納米氧化銦錫改性WPU涂膜具有較高的可見透過率和較好的紅外阻隔性。

      納米粒子改性WPU的技術(shù)也日益成熟，聚合物基納米復(fù)合材料必將取代單一的聚合物，為了發(fā)揮納米粒子最大的性能，確保納米粒子的分散均勻性，達(dá)到與聚合物分子相容性十分重要;細(xì)乳液聚合法作為一種比較新型的方法，將會取代傳統(tǒng)的乳液聚合。