Водные полиуретановые дисперсии

Водные полиуретановые дисперсии (далее ПУД) — современный класс пленкообразующих материалов для лакокрасочной промышленности и клеев. Набирают популярность благодаря своим свойствам:

• адгезия к различным поверхностям;

• устойчивость к химическим веществам, растворителям и воде; 

• устойчивость к истиранию; 

• гибкость и ударопрочность; 

• негорючесть; 

• содержание летучих органических веществ — 0,5–10 %. 

Свойства 

Водные ПУД представляют собой стабильную коллоидную систему. Дисперсионная среда — вода, дисперсная фаза — полиуретанмочевина. Стабилизация системы достигается гидрофильными группами в полимере. Гидрофильные группы делятся на три типа:

• неионные: например, полиэтиленоксидные цепи; 

• катионные: например, алкилированные или протонированные третичные амины; 

• анионные: например, карбоксилатные или сульфонатные группы. 

Группы действуют как внутренние диспергирующие агенты, с их помощью получают водные дисперсии с размером частиц 0,01–0,2 мкм. При высоких концентрациях гидрофильных групп полимер растворяется в воде, при средних — диспергируется. При низких концентрациях полярная группа обеспечивает стерическую стабилизацию дисперсии полимера в воде.

Способность водных полиуретанов комбинировать образование пленки при низких температурах, придавать им высокую твердость — результат водонаполненной структуры. Получение ПУД с малым размером частиц 20–100 нм также полезно: уменьшение размера частиц влияет на скорость и степень слияния. Достигнутая твердость пленки обусловлена ​​наличием фазы жесткого изоцианатного блока. 

Область применения

Дисперсии полиуретана подходят для окраски пластмасс, дерева, металлических, минеральных поверхностей, склеивания деревянных конструкций, а также для создания герметиков, клеев и водозащитных покрытий по тканям. ПУД используют не только из-за свойств, но также из-за давления со стороны мирового законодательства в отношении сырья с содержанием органических растворителей.

Стандартные системы полиуретановых смол, которые используют в лакокрасочных материалах, содержат 40–60 % летучих органических растворителей. В конце 1960-х годов производители полиуретановых смол разработали процессы, которые позволили синтезировать водные ПУД с содержанием растворителя 5–10 %. Идут работы по созданию рецептур водных ПУД без органических растворителей.

Способ синтеза водных ПУД

Сначала формируется форполимер путем взаимодействия полиола со стехиометрическим избытком полиизоцианата. Способы, которыми форполимер удлиняется, а вязкость поддерживается на низком уровне, различаются. Полимер, подлежащий диспергированию в воде, функционализируется солюбилизирующими и диспергирующими в воде группами. Их вводят либо в форполимер перед удлинением цепи, либо как часть агента удлинения цепи. Таким образом, стабильные дисперсии мелких частиц часто получают без использования добавленного извне поверхностно-активного вещества. 

При растворении полиуретановый форполимер с концевыми изоцианатными связями в растворе удлиняется цепью, чтобы предотвратить чрезмерную вязкость. Предпочтительный растворитель — ацетон, процесс называют ацетоновым. Удлинителем цепи выступает, например, функциональный диамин сульфоната, и в этом случае водорастворимую и диспергирующую группу вводят на стадии удлинения цепи. Удлиненный в цепи полимер правильнее описывать как полиуретановую мочевину. Затем к раствору полимера добавляют воду, и после инверсии фаз получают дисперсию раствора полимера в воде. Удаление растворителя перегонкой дает желаемую водную дисперсию полимера. Реакция показана на рисунке.