水性聚氨酯樹脂技術(shù)現(xiàn)狀及行業(yè)進(jìn)展

紀(jì)尚超，石磊，徐欣欣，沈連根

(1.浙江禾欣科技有限公司，浙江 嘉興 314000；2.浙江禾欣新材料有限公司，浙江 嘉興 314000)

0 引言

廣義上來(lái)講，水性聚氨酯樹脂屬于異氰酸酯加成產(chǎn)品。異氰酸酯反應(yīng)生成物在出現(xiàn)預(yù)聚體時(shí)將親水基團(tuán)加入，形成鹽后加入水乳化，就能夠得到聚氨酯乳液。聚氨酯的物理化學(xué)性能優(yōu)越，具備較強(qiáng)的環(huán)境友好性能，發(fā)展迅速，使用廣泛。當(dāng)前水性聚氨酯樹脂產(chǎn)品的生產(chǎn)要滿足以下要求：生產(chǎn)制造使用的原材料是無(wú)毒無(wú)害的，材料制造過(guò)程是無(wú)毒無(wú)害的，成品加工過(guò)程也基本屬于無(wú)毒無(wú)害，最終制品可以降解，不會(huì)給環(huán)境帶來(lái)負(fù)擔(dān)。水性聚氨酯樹脂具備真正的綠色環(huán)保性能，在人們的生產(chǎn)生活中應(yīng)用越來(lái)越廣泛。水性聚氨酯樹脂行業(yè)蓬勃發(fā)展，研究其現(xiàn)狀和未來(lái)發(fā)展方向有其現(xiàn)實(shí)價(jià)值[1-4]。

1 水性聚氨酯樹脂行業(yè)技術(shù)發(fā)展現(xiàn)狀

水性聚氨酯代替?zhèn)鹘y(tǒng)溶劑型樹脂作為原料，通過(guò)制革生產(chǎn)線獲得成品，生產(chǎn)過(guò)程無(wú)毒無(wú)害，不含有毒化學(xué)制劑，生產(chǎn)過(guò)程中揮發(fā)出的氣體主要是水蒸汽，對(duì)環(huán)境和人體無(wú)害，降低了環(huán)境污染治理產(chǎn)生的資源消耗。水性聚氨酯樹脂成品也不含有有毒化學(xué)品殘留，可以達(dá)到較高的環(huán)保要求。水性聚氨酯樹脂生產(chǎn)出的成品物理性能優(yōu)越，分子鏈中存在的功能性基團(tuán)較多，讓水性樹脂在耐溶劑性、耐磨、耐刮、耐折疊、透氣透濕等性能均比較優(yōu)越，部分革制品表面光滑，猶如真皮手感。和傳統(tǒng)溶劑型樹脂產(chǎn)品相比，水性聚氨酯樹脂的環(huán)保性能和使用性能均更加符合當(dāng)前人們的需求[5]。現(xiàn)階段水性聚氨酯樹脂的生產(chǎn)研發(fā)還受到一些限制，需要研究人員突破各種限制，解決問(wèn)題，降低生產(chǎn)難度和成本。

1.1 技術(shù)限制

以合成革生產(chǎn)為例，水性聚氨酯樹脂在離型紙上應(yīng)用，是該材料大力推廣的技術(shù)門檻。在離型紙上能夠應(yīng)用成功，則可以完全替代傳統(tǒng)的溶劑型樹脂。水性聚氨酯樹脂的分子一端親油，另一端親水，而溶劑型樹脂多為親油樹脂，是疏水的，兩者成膜機(jī)理有差別，要選擇不同的離型紙。水的表面張力比油大，很難在離型紙上鋪展開來(lái)，而溶劑型樹脂的油融特性讓它們?cè)陔x型紙上可以順利鋪展。水比油容易蒸發(fā)，水性聚氨酯樹脂的蒸發(fā)量為溶劑型樹脂的1.5倍。在進(jìn)行烘干工序時(shí)，水性聚氨酯樹脂需要解決的問(wèn)題比溶劑型樹脂要高，對(duì)離型紙的要求也更高，消耗的能量較大。目前已經(jīng)有部分樹脂在離型紙上實(shí)現(xiàn)了平衡鋪展，干燥性能更好[6-9]。目前德國(guó)公司產(chǎn)品的固含量超過(guò)六成，物化性能良好，烘干容易，可制作高檔成品，但是成本過(guò)高，在我國(guó)水性聚氨酯樹脂市場(chǎng)很難普及。我國(guó)部分企業(yè)能生產(chǎn)出不同性能的水性聚氨酯樹脂產(chǎn)品，由于其在離型紙上的鋪展還存在限制，批量生產(chǎn)還存在問(wèn)題，需要提高可量產(chǎn)性。

1.2 設(shè)備限制

設(shè)定同樣的生產(chǎn)制造條件，采用水性聚氨酯樹脂比采用溶劑型樹脂需要投入更多的能量。傳統(tǒng)生產(chǎn)線是針對(duì)溶劑樹脂生產(chǎn)而設(shè)計(jì)的，運(yùn)用導(dǎo)熱油或水蒸氣為烘干介質(zhì)。這種空氣對(duì)流烘干法的能耗大，效率低，自動(dòng)化程度低，依賴操作人員的技能水平，如果操作失誤，很容易引發(fā)火災(zāi)。因此，設(shè)備改良一直是水性聚氨酯樹脂生產(chǎn)的重要方向。水性聚氨酯樹脂生產(chǎn)要求設(shè)備能耗低，智能化程度高，滿足自動(dòng)量產(chǎn)需求。

1.3 工藝限制

水性聚氨酯樹脂產(chǎn)品的生產(chǎn)受限于技術(shù)和設(shè)備，在工藝方面仍有待改進(jìn)。當(dāng)前我國(guó)的樹脂產(chǎn)品仍以溶劑型樹脂為主，生產(chǎn)工藝分為干法和濕法。經(jīng)過(guò)研究人員多年以來(lái)對(duì)工藝改進(jìn)的探索，目前水性聚氨酯樹脂能夠成功進(jìn)行產(chǎn)品生產(chǎn)，取得了巨大的進(jìn)展。但是從工藝角度來(lái)看，干法工藝在不斷進(jìn)步，濕法工藝進(jìn)步不夠明顯。部分產(chǎn)品無(wú)法完全使用水性聚氨酯樹脂生產(chǎn)，部分中間產(chǎn)品仍然需要使用溶劑型樹脂生產(chǎn)，濕法工藝的運(yùn)用較多。這就出現(xiàn)了以下問(wèn)題：雖然生產(chǎn)使用的原材料是水性聚氨酯樹脂，但是因生產(chǎn)工藝的問(wèn)題，無(wú)法達(dá)到完全的環(huán)保要求，無(wú)法解決化工行業(yè)中的“三高”問(wèn)題。而最終成品也無(wú)法做到無(wú)毒無(wú)害，從根本上無(wú)法提高我國(guó)樹脂制品的檔次。必須不斷革新生產(chǎn)工藝來(lái)取代產(chǎn)生有害物質(zhì)較多的傳統(tǒng)工藝，為水性聚氨酯樹脂制品生產(chǎn)提供環(huán)保工藝途徑。

1.4 應(yīng)用現(xiàn)狀

我國(guó)近年來(lái)在水性聚氨酯樹脂制品的研究和生產(chǎn)上投入了大量資源。國(guó)內(nèi)公司為實(shí)現(xiàn)水性聚氨酯樹脂產(chǎn)品的量產(chǎn)和無(wú)毒環(huán)保，從全球知名的化工生產(chǎn)廠家進(jìn)口了不同類型的離型紙，并參與共同研究。我國(guó)公司已擁有美國(guó)離型紙廠家生產(chǎn)水性聚氨酯樹脂產(chǎn)品的方案。從21世紀(jì)初就開始研究的水性聚氨酯樹脂生產(chǎn)工藝，已經(jīng)擁有整套成果，部分產(chǎn)品在專業(yè)生產(chǎn)領(lǐng)域可以投產(chǎn)，在可量產(chǎn)性方面有所突破。在設(shè)備生產(chǎn)方面，我國(guó)企業(yè)與國(guó)外先進(jìn)化工企業(yè)合作，在干法生產(chǎn)線的生產(chǎn)、使用、推廣方面成效卓著。水性聚氨酯樹脂制品的生產(chǎn)過(guò)程能夠做到節(jié)能和安全。當(dāng)前水性發(fā)泡純干法工藝已經(jīng)可以代替?zhèn)鹘y(tǒng)的干法合濕法工藝。使用新工藝生產(chǎn)水性聚氨酯樹脂制品時(shí)產(chǎn)生的中間制品，也能做到無(wú)毒無(wú)害。生產(chǎn)成本大大降低，做到了真正意義上的環(huán)保。運(yùn)用水性聚氨酯樹脂制品優(yōu)秀的物化特性，可以生產(chǎn)耐污耐臟的高品質(zhì)仿皮革制品，耐刮耐水的防雨制品，透氣性佳的服裝鞋子，以及各種汽車產(chǎn)品。在工業(yè)生產(chǎn)方面的應(yīng)用也變得更加廣泛。只要解決了技術(shù)、設(shè)備、工藝方面的問(wèn)題，做到量產(chǎn)和環(huán)保，水性聚氨酯樹脂的前景是極為廣闊的。

2 水性聚氨酯樹脂工藝及技術(shù)發(fā)展趨勢(shì)

隨著經(jīng)濟(jì)全球化的推進(jìn)，我國(guó)樹脂產(chǎn)品的品質(zhì)和環(huán)保將會(huì)受到越來(lái)越多的關(guān)注。在水性聚氨酯樹脂研究中，我國(guó)眾多科研人員和企業(yè)聯(lián)合攻關(guān)，高新技術(shù)持續(xù)介入，性能好環(huán)保性強(qiáng)的水性聚氨酯樹脂逐漸成為主流產(chǎn)品，最終完全取代傳統(tǒng)溶劑型樹脂產(chǎn)品。水性聚氨酯樹脂生產(chǎn)的工藝、技術(shù)和設(shè)備等方方面面的研究，還需要持續(xù)深化。

2.1 產(chǎn)品豐富化

當(dāng)前人們對(duì)水性聚氨酯樹脂產(chǎn)品的要求是多樣化和功能強(qiáng)，同時(shí)也需要制品的外觀更加時(shí)尚美觀。使用水性聚氨酯樹脂生產(chǎn)合成革制品在我國(guó)尚屬比較年輕的產(chǎn)業(yè)，但是這類制品以期良好的外觀，強(qiáng)大的性能和多種多樣的選擇在市場(chǎng)上占據(jù)了一席之地，并且發(fā)展迅速，每年有上百種新品推向市場(chǎng)。

多樣化方面，當(dāng)前的水性聚氨酯樹脂制品走進(jìn)人們生活的多個(gè)領(lǐng)域，在生產(chǎn)生活中越來(lái)越豐富也越來(lái)越重要。不同領(lǐng)域的合成革制品有著不同的要求，而水性聚氨酯樹脂制品從服裝鞋帽到特種設(shè)備輔助制品，性能不一而足，愈發(fā)豐富，也啟發(fā)著人們?cè)诟嗟念I(lǐng)域使用水性聚氨酯樹脂制品。

功能性方面，無(wú)論是同一領(lǐng)域，還是不同領(lǐng)域的水性聚氨酯樹脂制品，有著不同的物化性能，讓制品的品種差異性較強(qiáng)，反映在實(shí)際產(chǎn)品上，表現(xiàn)在不同的產(chǎn)品運(yùn)用了水性聚氨酯樹脂不同的性能。水性聚氨酯樹脂的耐酸耐堿性，讓這類制品迅速走進(jìn)化工生產(chǎn)領(lǐng)域。此類制品柔軟、透氣，具備像真皮一樣細(xì)膩?lái)樆氖指?，并且容易清潔打理，日常維護(hù)比較容易，逐漸走進(jìn)人們的家具生活。只要是在量產(chǎn)化方面做得到位的水性聚氨酯樹脂制品，都能夠在市場(chǎng)上獲得一席之地。人們也在不斷挖掘其新的性能和使用領(lǐng)域。

在時(shí)尚性方面，目前水性聚氨酯樹脂新品投放量大，種類繁多，外觀精美。設(shè)計(jì)師利用水性聚氨酯樹脂良好的物化性能，結(jié)合工業(yè)設(shè)計(jì)、服裝設(shè)計(jì)、藝術(shù)設(shè)計(jì)，讓美觀大方的樹脂制品走向各個(gè)領(lǐng)域。水性聚氨酯樹脂產(chǎn)品的開發(fā)要順應(yīng)人們對(duì)美的追求，在市場(chǎng)變種的浪潮中求得生存和發(fā)展。

2.2 價(jià)格優(yōu)勢(shì)凸顯

從理論角度來(lái)看，水性聚氨酯樹脂比溶劑型樹脂的生產(chǎn)更節(jié)省能源，也能帶來(lái)更大的價(jià)格優(yōu)勢(shì)。因此，讓水性聚氨酯樹脂的質(zhì)量更好，價(jià)格更低，利潤(rùn)更高，成為研發(fā)的一大方向。

在研發(fā)和生產(chǎn)過(guò)程中，要不斷篩選合適的原料，選擇性價(jià)比更高的原材料，從原材料層面降低成本。如果甲苯二異氰酸酯的價(jià)格變動(dòng)過(guò)大，上漲更猛，可以選擇二苯基甲烷二異氰酸酯來(lái)替代，不影響最終制品性能，但是可以降低制品價(jià)格。

調(diào)整生產(chǎn)工藝路線，特別是合成工藝部分。水性聚氨酯樹脂生產(chǎn)過(guò)程比傳統(tǒng)溶劑型樹脂的生產(chǎn)更加復(fù)雜，設(shè)備工藝的要求更高，操作要求更嚴(yán)格。因?yàn)樯a(chǎn)的工藝路線有差別，水性聚氨酯樹脂生產(chǎn)成本較高。不斷優(yōu)化生產(chǎn)工藝和路線，革新傳統(tǒng)生產(chǎn)工藝，向水性聚氨酯樹脂生產(chǎn)需求靠攏。

在生產(chǎn)水性聚氨酯樹脂時(shí)，需要使用到功能助劑。開發(fā)高性能的功能助劑，也能夠降低生產(chǎn)過(guò)程的成本，從而降低最終產(chǎn)品價(jià)格。在各個(gè)環(huán)節(jié)加強(qiáng)研發(fā)和生產(chǎn)時(shí)間，盡快形成產(chǎn)業(yè)鏈，批量化生產(chǎn)采購(gòu)都能夠降低成本。在原材料研發(fā)方面減少對(duì)進(jìn)口品的依賴，增加國(guó)產(chǎn)化比例，能夠真正降低水性聚氨酯樹脂產(chǎn)品的成本。

2.3 生態(tài)性更優(yōu)異

水性聚氨酯樹脂的生產(chǎn)過(guò)程和最終產(chǎn)品都是無(wú)毒無(wú)害的，環(huán)保性能良好，屬于當(dāng)前人們最歡迎的生態(tài)友好型產(chǎn)品。水性聚氨酯樹脂及其產(chǎn)品的生產(chǎn)過(guò)程，要盡量避免重金屬的參與。過(guò)量重金屬不僅危害人體，也危害環(huán)境。水性聚氨酯樹脂生產(chǎn)過(guò)程中還需要溶劑型樹脂產(chǎn)品和工藝的配合。要盡量減少溶劑的參與，逐漸轉(zhuǎn)變?yōu)闊o(wú)溶劑生產(chǎn)，即使使用溶劑，也要改選對(duì)人體無(wú)毒對(duì)環(huán)境無(wú)害的容易。各種助劑和色漿的用量需要嚴(yán)格控制。要選擇無(wú)毒環(huán)保的助劑和色漿，也要確保在生產(chǎn)完成后，添加的助劑和色漿不會(huì)產(chǎn)生新的有毒有害產(chǎn)物。生產(chǎn)全過(guò)程無(wú)害，制品無(wú)害，制品可降解，則水性聚氨酯樹脂的應(yīng)用更加廣泛[10]。

2.4 生產(chǎn)工藝操作便利性

水性聚氨酯樹脂制品的需求每年有數(shù)十億米，其加工要全自動(dòng)機(jī)械化操作。因此此類制品的生產(chǎn)必須具備良好的工藝操作性。調(diào)漿攪拌要方便。水性聚氨酯樹脂在加入色漿和部分助劑后可以上機(jī)操作。條件必須快速、方便、簡(jiǎn)單。上機(jī)操作要輕松便捷，漿料符合全自動(dòng)作業(yè)要求，黏度適宜，容易控制，不會(huì)在生產(chǎn)設(shè)備上過(guò)度流掛，不會(huì)產(chǎn)生結(jié)塊，一定時(shí)間內(nèi)放置不會(huì)分層[11]。容易烘干，因?yàn)樗谋葻彷^大，烘干需要更多的能量，水性聚氨酯樹脂成膜需要吸收大量熱量。通過(guò)技術(shù)和工藝改造，讓樹脂干燥得更快，耗能更少。在生產(chǎn)旺季，就能夠加快生產(chǎn)流程，提高效率，滿足市場(chǎng)需求。在當(dāng)前電子信息技術(shù)不斷進(jìn)步的背景下，各行各業(yè)都在引入智能化生產(chǎn)手段提高生產(chǎn)效率。水性聚氨酯樹脂產(chǎn)品的生產(chǎn)也要依托信息技術(shù)的進(jìn)步，讓機(jī)器的眼睛代替人眼，用精細(xì)控制代替經(jīng)驗(yàn)控制，搜集的生產(chǎn)數(shù)據(jù)更加精確，能夠?yàn)檠邪l(fā)工作提供更全面的支持，給水性聚氨酯樹脂產(chǎn)品的生產(chǎn)注入一股高科技新風(fēng)[12]。

3 結(jié)語(yǔ)

綜上所述，水性聚氨酯樹脂材料的研究和發(fā)展，必須順應(yīng)市場(chǎng)供求關(guān)系以及人們對(duì)綠色環(huán)保材料的需求。隨著人們的素質(zhì)和生活水平不斷提高，經(jīng)濟(jì)生活中的各類產(chǎn)品不僅要提供良好的使用性能，還要具備環(huán)境友好型。因此，水性聚氨酯樹脂產(chǎn)品的市場(chǎng)巨大，發(fā)展前景廣闊。但是無(wú)論是研究還是市場(chǎng)推廣，都不能一蹴而就，廣大的化工研究人員，應(yīng)用技術(shù)人員須緊密配合，加強(qiáng)技術(shù)研發(fā)與創(chuàng)新，讓環(huán)保水性聚氨酯樹脂成為行業(yè)主流。