水性聚氨酯防水透湿涂层剂的合成与应用

      防水透湿材料被广泛应用于军事、体育、医学等领域，如作战服、登山服、外科医生工作服、无尘室、工作服等。而防水透湿性(又称防水透气)是指材料不允许水滴等液体渗透，但可使人体散发的水蒸汽自由透过。本文针对目前防水透湿型水性聚氨酯存在的问题，通过调控体系的组分结构及组成，研究了聚酯聚醚多元醇的比例、DMPA用量、R值对水性聚氨酯薄膜吸水率和涂膜的透湿性、接触角等性能的影响，制备了具有良好性能防水透湿型水性聚氨酯。

1.实验

1.1 水性聚氨酯乳液的合成

      将聚酯聚醚多元醇在100℃，0.1MPa下脱水3h后降至室温，再与适量的异佛尔酮二异氰酸酯（IPDI）按投料比加入到装有电动搅拌器、冷凝管、温度计的干净干燥的四口烧瓶中，开动搅拌器，缓慢升温到65℃，反应3h，升温至75℃，加入一定量的2,2-二羟甲基丙酸（DMPA）反应3h，温度降至50℃，如粘度过大，可加入适量丙酮降低体系粘度，然后降温至30℃，加入与二羟甲基丙酸等摩尔量的三乙胺（TEA）中和成盐，快速搅拌条件下反应1h。

1.2 水性聚氨酯薄膜的制备

      将水性聚氨酯乳液均匀的铺展在平整干净的聚四氟乙烯板上，在40℃下成膜3d，然后在80℃下脱膜，干燥后置于干燥器内，备用。

1.3 防水透湿涂层整理工艺

      （1）防水整理：一浸一轧（防水剂15g/l） 预烘（100℃×1.5min） 焙烘（170℃×2min）

      （ 2 ） 水 性 聚 氨 酯 涂 层 整 理 ： 涂 层 预 烘（90℃×2min） 焙烘（160℃×3min），其中水性聚氨酯90份，增稠剂5份，交联剂5份。

1.4 分析测试

1.4.1 红外光谱分析

      用FTIR-5700型红外光谱仪对水性聚氨酯薄膜进行红外光谱表征。

1.4.2 透湿性测试

      按GB/T12704-2009（织物透湿量测定方法透湿杯法），使用YG601型织物透湿仪测定。

1.4.3 接触角测试

      使用JC2000A静滴接触角/介面张力仪测试测试织物表面接触角。

1.4.4 扫描电镜分析

      将未整理的织物和经过水性聚氨酯整理过的棉织物喷金处理，用电子扫描电镜观察微相结构。

2 结果与分析

2.1 R值对织物防水透湿性和薄膜吸水率的影响

      从图1，2中可以看出，随着R值的增大，水性聚氨酯胶膜吸水率不断降低，透湿量不断下降，接触角不断增大。这是因为随着R值的增大，刚性链段如氨基甲酸酯基、脲基含量增加，柔性链段含量降低，特别是残余的-NCO基团在乳化时与水或二胺反应生成的取代脲等硬段含量增加，链段的刚性增加，这些都导致内聚能的增加，链段间易形成硬相微区，使弹性体发生微相分离。同时，在亲水基团含量一定的条件下，R值增加，水性聚氨酯大分子的亲水性降低，再加上大分子链的硬段数量和密度的增加，增加了微相区中硬段交联点，使分子链间作用力加强，分子链更紧密，不易被水分子渗透，从而提高了聚氨酯成膜物的耐水性能。经涂层整理后织物表面形成一层连续的聚氨酯薄膜，导致透湿量下降，接触角上升，防水性增加。

2.2 DMPA用量对织物防水透湿性和薄膜吸水率的影响

      从图3，4中可以看出，随着DMPA用量的增加，水性聚氨酯的吸水率不断增加，织物透湿量上升，接触角下降。这是因为随着DMPA用量的增加，聚氨酯分子链上的-COOH基增多，中和后，水性聚氨酯胶膜的亲水性增强，水易被聚氨酯分子链上的亲水基团吸附和传递，从而导致水性聚氨酯膜的吸水率上升，耐水性下降。

2.3 聚酯聚醚比例对织物防水透湿性和薄膜吸水率的影响

      由图5,6可以看出，随体系中聚酯的比例上升，薄膜吸水率下降，织物透湿量下降，耐水性增加。这主要由于聚酯分子的亲水性小于聚醚分子，随体系聚酯比例的上升，聚醚比例的下降，亲水性基团比例减少，导致织物透湿量下降，耐水性上升。

2.4 测试温度对织物透湿性的影响

      由图7可以看出，随测试温度的上升，织物的透湿量显著上升。这主要由于温度的上升使得聚氨酯分子活动性增大，更容易传递水分子通过。

2.5 红外光谱图

      由图8见，在3340cm-1左右为N-H的伸缩振动峰，在1700cm-1左右为CO-NH的C=O的伸缩振动峰，1500cm-1左右为CO-NH的NH的变形振动峰，这三个峰都是聚氨酯中氨基甲酸酯的特征振动峰，说明合成的物质中确实有氨基甲酸酯生成，是目标产物。

2.6 扫描电镜图

      从图9看出，未经过水性聚氨酯整理的织物的纤维表面以及纤维之间没有膜的存在，而经过水性聚氨酯整理后的织物的纤维表面以及纤维之间存在薄膜，这说明水性聚氨酯上的活性基团和纤维上的活性基团发生了反应。水性聚氨酯整理后的织物经过水洗后，和纤维结合不牢的以及未和纤维发生反应的水性聚氨酯被洗掉。同时，随着水性次数的增多，纤维表面及纤维之间水性聚氨酯薄膜的量不断减小。而且，经过水性聚氨酯处理后的织物经过50次水洗后，纤维表面上与纤维之间仍然有少量水性聚氨酯薄膜，这说明水性聚氨酯在织物上形成的薄膜具有较好的耐久性。

3.结论

      （1）优化的防水透湿涂层剂的合成工艺为：聚酯多元醇和聚醚多元醇摩尔比=2/1，DMPA3.0%，R=1.9。经聚氨酯乳液涂层的织物的透湿量可到达4500g/（m2×24h），接触角可达137°

      （2）织物经水性聚氨酯涂层后，表面明显形成一层连续的薄膜，经过多次水洗后，仍然有连续薄膜存在，说明水性聚氨酯在织物上形成的薄膜具有较好的耐久性。