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;
-
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.
