聚氨酯涂料;市場分析;發展前景

1 　什么是水性聚氨酯涂料
聚 氨酯涂料是1960 年以后發展起來的新型涂料,具有優良的附著力、耐化學品、裝飾性及有優良的耐磨性能,是一種高檔耐用的合成樹脂涂料。聚氨酯涂料超過硝基漆、丙烯酸樹脂 漆、環氧樹脂漆、油脂漆、天然樹脂漆,成為第三大涂料品種,產量僅次于醇酸樹脂漆、酚醛樹脂漆。廣泛用于國防、航天、交通工具、家電、木器家具、儀器儀 表、室內裝飾等的保護和裝飾。
目前聚氨酯涂料在中國涂料總量中約占7 % -8 % ,主要有木器家具漆、地板漆、汽車修補漆、防腐涂料和特種涂料。
聚氨酯涂料分為溶劑型和非溶劑型,非溶劑型包括水性聚氨酯、粉末聚氨酯、無溶劑涂料。
水 性聚氨酯涂料是以水性聚氨酯為基料,水為分散介質。為得到穩定的聚氨酯乳液,有兩種制備方法即外乳化法和內乳化法。外乳化法是在溶劑的存在下,將疏水性的 聚氨酯樹脂經過擴鏈加入乳化劑(烷基磺酸鹽、季銨鹽等) ,在水中高速攪拌強行乳化分散,再脫除溶劑,得到聚氨酯乳液。或者將端- NCO基預聚體在水中加入乳化劑進行乳化,然后脫除溶劑。外乳化法應用較少。內乳化法是在聚氨酯分子鏈節中引入親水基團。目前較廣泛使用的有三種類型,即 單組分、雙組分、改良型。
(1) 單組分水性聚氨酯涂料
先合成預聚體,制備預聚體的原料為水溶性的聚醚二醇(如聚乙二醇或含有10 % - 40 %氧化乙烯嵌段的EO 與PO 共聚物) ,再進行封閉- NCO ,熱反應成膜。
(2) 雙組分水性聚氨酯涂料
機理是水的蒸發速度遠遠大于- NCO 與- OH和H2O 的反應速度,雖然體系水過量,但仍以- NCO與- OH 的反應為主。
(3) 改良型水性聚氨酯涂料
在聚氨酯水分散體中進行丙烯酸酯類單體的聚合,是該類涂料生產的主要途徑。
紫外光固化水性聚氨酯涂料是制備分散體時,在分子結構中引入雙鍵,并加入光引發劑,施工時借助電子束或紫外光引發固化。
水性聚氨酯是一類分散在水中溶脹的聚氨酯粒子,粒徑大多為0101μm - 015μm ,比丙烯酸類乳液較小。目前,水性聚氨酯有陰離子型、陽離子型和非離
子型三種類型,因其中的揮發性有機物含量低,在工業水性漆、建筑涂料、材料涂層、水性膠等領域擁有很大的發展空間。
社會的進步,科技的發展,人們環保意識的提高,推動環保產品的開發,聚氨酯因其優良的性能為人們越來越多的用來開發環保產品。水性聚氨酯就是近年來關注的熱點之一。
2 　制備水性聚氨酯的原料
制備水性聚氨酯的原料如下:
(1) 低聚物多元醇:聚醚二醇、聚酯二醇、聚醚三醇、聚丁二烯二醇、丙烯酸酯多元醇等。水性聚氨酯膠黏劑制備中常用的低聚物多元醇一般以聚醚二醇、聚酯二醇居 多,有時還使用聚醚三醇、低支化度聚酯多元醇、聚碳酸酯二醇等小品種低聚物多元醇。聚醚型聚氨酯低溫柔順性好,耐水性較好,且常用的聚氧化丙烯二醇 (PPG) 的價格比聚酯二醇低,因此,我國的水性聚氨酯研制開發大多以聚氧化丙烯二醇為主要低聚物多元醇原料。由聚四氫呋喃醚二醇制得的聚氨酯機械強度及耐水解性均 較好,惟其價格較高,限制了它的廣泛應用。
聚酯型聚氨酯強度高、粘接力好,但由于聚酯本身的耐水解性能比聚醚差,故采用一般原料制得的聚酯型水性 聚氨酯,其貯存穩定期較短。但通過采用耐水解性聚酯多元醇,可以提高水性聚氨酯膠黏劑的耐水解性。國外的聚氨酯乳液膠黏劑及涂料的主流產品是聚酯型的。脂 肪族非規整結構聚酯的柔順性也較好,規整結構的結晶性聚酯二醇制備的單組分聚氨酯乳液膠黏劑,膠層經熱活化粘接,初始強度較高。而芳香族聚酯多元醇制成的 水性聚氨酯對金屬、RET 等材料的粘接力高,內聚強度大。
其他低聚物二醇如聚碳酸酯二醇、聚己內酯二醇、聚丁二烯二醇、丙烯酸酯多元醇等,都可用于水性聚氨酯膠黏劑的制備。聚碳酸酯型聚氨酯耐水解、耐候、耐熱性好,易結晶,由于價格高,限制了它的廣泛應用。
(2) 異氰酸酯: TDI、MDI、IPDI、HDI 等。制備聚氨酯乳液常用的二異氰酸酯有TDI、MDI 等芳香族二異氰酸酯,以及TDI、MDI、HDI 等脂肪族、脂環族
二 異氰酸酯。由脂肪族或脂環族二異氰酸酯制成的聚氨酯,耐水解性比芳香族二異氰酸酯制成的聚氨酯好,因而水性聚氨酯產品的貯存穩定性好。國外高品質的聚酯型 水性聚氨酯一般均采用脂肪族或脂環族異氰酸酯原料制成,而我國受原料品種及價格的限制,大多數僅用TDI 為二異氰酸酯原料。多亞甲基多苯基多異氰酸酯一般用于制備乙烯基聚氨酯乳液和異氰酸酯乳液。
(3) 擴鏈劑:1 ,4 - 丁二醇、乙二醇、己二醇、乙二胺等。水性聚氨酯制備中常常使用擴鏈劑,其中可引入離子基團的親水性擴鏈劑有多種,除了這類特種擴鏈劑外,經常還使用1 ,4 - 丁二醇、乙二醇、一縮二乙二醇、己二醇、乙二胺、二亞乙基三胺等擴鏈劑。由于胺與異氰酸酯的反應活性比水高,可將二胺擴鏈劑混合于水中或制成酮亞胺,在乳 化分散的同時進行擴鏈反應。
(4) 水:蒸餾水、去離子水。水是水性聚氨酯膠黏劑的主要介質,為了防止自來水中的Ca2 + 等雜質對陰離子型水性聚氨酯穩定性的影響,用于制備水性聚氨酯膠黏劑的水一般是蒸餾水或去離子水。
水還是重要的反應原料,合成水性聚氨酯目前以預聚體法為主,在聚氨酯預聚體分散在水中的同時,水也參與擴鏈。由于水或二胺的擴鏈,實際上大多數水性聚氨酯是聚氨酯- 脲乳液(分散液) ,聚氨酯- 脲比純聚氨酯有更大的內聚力和粘接力,脲鍵的耐水性比氨酯鍵好。
(5) 親水性擴鏈劑:二羥甲基丙酸(DMPA) 、二羥基半酯、乙二胺基乙磺酸鈉、二亞乙基三胺等。親水性擴鏈劑就是引入親水性基團的擴鏈劑。這類擴鏈
劑是僅在水性聚氨酯制備中使用的特殊原料。這類擴鏈劑中常常含有羧基、磺酸基團或仲胺基,當其結合到聚氨酯分子中,使聚氨酯鏈段上帶有能被離子
化的功能性基團。
3 　水性聚氨酯涂料的市場開拓
根 據有關分析資料,2006 年水性聚氨酯的應用水平在30 %左右。其中用量最多的是建筑涂料市場,約占一半以上,其次是膠黏劑、油墨、光油等市場。目前國內水性聚氨酯的年總產量約30 萬噸至50 萬噸左右,增長率為20 %。生產水性聚氨酯的廠家主要分布在山東與廣東兩個區域。由于目前受到水性聚氨酯產品成本及環保意識的影響,導致其需求區域局限于沿海地區,在中西部地區 需求量較小。
目前,以水性聚氨酯分散體為大單體而生產出來的新型水性涂料,正逐步取代溶劑型聚氨酯涂料,廣泛用作水性木器漆和水性木器封閉底漆; 并且漆膜耐磨、快干、外觀好、耐溶劑性好的水性聚氨酯涂料在國內木器涂料領域占有的市場份額正在逐步提升。此外,水性聚氨酯分散體還能用作水性塑料涂料、 水性工業涂料、水性防腐蝕涂料、水性聚氨酯內外墻涂料、水性聚氨酯膠黏劑等,滿足不同行業的性能要求。
目前水性聚氨酯涂料的發展速度,特別是水性內外墻涂料與水性木器漆、油墨、光油的需求最為迫切,我國建筑涂料的年需求量在250 萬噸左右,其中可由水性聚氨酯涂料替代的達120 萬噸,僅這一項即有百億元需求空間。
隨 著整個社會環保意識的增強,我國對室內裝飾材料中有毒有害的游離TDI、甲醛、“三苯”和重金屬含量在標準中作出了明確限制。早在2001 年國家就發布了《室內裝飾裝修材料　內墻涂料中有害物質限量》(GB18582 - 2001) 和《室內裝飾裝修材料溶劑型木器涂料中有害物質限量》( GB 18581 -2001) ,2006年1月起《, 環境標志產品技術要求水性涂料》(HJ / T 201 - 2005) 開始生效,其標準提升到基本與國際接軌,限制一些污染性大的涂料的使用,為具有良好環保性質的水性聚氨酯提供了廣闊的市場空間。
在國內,由于水性聚氨酯目前正處在發展的階段,其優越的產品性能成為替代溶劑型聚氨酯的最佳產品。目前尚未發現任何水性聚氨酯的替代品。
4 　水性聚氨酯涂料的發展
國 外經過幾十年發展,水性聚氨酯產品在汽車涂料、皮革涂飾劑、膠黏劑等領域已接近或達到溶劑型產品水平,未來的發展趨勢是提高產品附加值,開發先進工藝技 術,開拓應用新領域。目前國內還沒有真正具備競爭力的專業水性涂料生產廠家,水性聚氨酯樹脂合成的核心技術也不過關,產品質量不穩定,性能普遍不高,生產 規模較小。主要原因在于生產企業缺乏專業的技術人員和生產水性聚氨酯的連續性的成套生產設備。這也是導致水性聚氨酯產品在市場上表現不佳的原因之一。
化 工原料價格暴漲,使很多涂料企業面臨生存危機,降低成本成為最關鍵的問題,無暇顧及環保新技術,在某種程度上阻礙了水性聚氨酯的發展。另外,在國內水性涂 料還沒有到大發展時期,水性涂料產品市場遲遲未完全打開。在中國目前的市場上,水性涂料市場的競爭只是溶劑型涂料之間競爭的點綴而已,因為很多涂料廠家還 是以溶劑型涂料為主。
由于大型涂料廠家的決策影響到整個市場的走勢,導致水性聚氨酯的市場需求量不大。
現階段我國水性聚氨酯技術的發展方 向應集中在以下幾個方面:努力提高水性聚氨酯材料的力學性能、固含量和粘接強度,特別是初始粘接強度;在進一步降低V0C 的基礎上,開展水性聚氨酯交聯機理研究和新型交聯劑的開發,提高水性聚氨酯室溫固化的性能;盡量減少有機溶劑用量,最終達到無溶劑;解決水性聚氨酯涂料涂 膜的豐滿度差、光澤度低的問題,開發高性能涂料,積極開拓新的應用領域;通過進一步降低水性聚氨酯成本,解決好水性聚氨酯技術應用問題;強化與水性聚氨酯 材料有關的基礎理論研究;開展施工工藝研究,降低環境溫度和濕度對水性聚氨酯涂膜外觀的影響;加強對水性聚氨酯專用設備的研究和開發。
隨著環保意識的增強,為具有良好環保性能的水性聚氨酯提供了廣闊的市場空間,今后水性聚氨酯無疑仍舊是一個熱點。