基于DMDEE的水性聚氨酯涂料制备及性能优化 摘要 水性聚氨酯（WPU）涂料因其环保、低VOC排放和优异的物理化学性能，在工业涂装、汽车、建筑和家具等领域得到广泛应用。本文以N,N-二甲基乙醇胺（DMDEE）作为催化...
基于DMDEE的水性聚氨酯涂料制备及性能优化
摘要
水性聚氨酯（WPU）涂料因其环保、低VOC排放和优异的物理化学性能，在工业涂装、汽车、建筑和家具等领域得到广泛应用。本文以N,N-二甲基乙醇胺（DMDEE）作为催化剂，研究其对水性聚氨酯涂料的制备工艺及性能的影响。通过调整DMDEE的用量、反应温度、乳化工艺等因素，优化涂料的力学性能、耐水性、耐化学性和稳定性。实验结果表明，DMDEE的引入可显著提高涂料的固化速率和交联密度，同时保持良好的乳液稳定性。此外，通过FTIR、DSC、TEM等表征手段分析了涂料的化学结构和微观形貌。结合国内外研究进展，探讨了DMDEE-WPU涂料的未来发展方向。
关键词：水性聚氨酯；DMDEE；催化剂；性能优化；环保涂料
1. 引言
随着环保法规的日益严格，传统溶剂型聚氨酯涂料逐渐被水性体系取代。水性聚氨酯（WPU）以水为分散介质，具有低毒性、低VOC和易加工等优势。然而，WPU涂料的固化速度、耐水性和机械性能仍需进一步提升。
N,N-二甲基乙醇胺（DMDEE）作为一种高效催化剂，可加速异氰酸酯与羟基的反应，提高涂料的交联密度和固化效率。本文系统研究了DMDEE对WPU乳液稳定性、涂膜性能的影响，并探讨了其作用机理。
2. 实验部分
2.1 实验原料
实验所用主要原料及供应商如下：
| 原料名称 | 规格 | 供应商 |
|---|---|---|
| 异佛尔酮二异氰酸酯（IPDI） | 工业级，99% | 巴斯夫（BASF） |
| 聚己内酯二醇（PCL） | Mn=2000 | 日本大赛璐（Daicel） |
| DMDEE | 99% | 美国亨斯迈（Huntsman） |
| 二羟甲基丙酸（DMPA） | 98% | 阿拉丁（Aladdin） |
| 三乙胺（TEA） | 分析纯 | 国药集团 |
2.2 WPU乳液的制备
- 预聚体制备：在氮气保护下，将IPDI与PCL（80℃反应2h），随后加入DMPA（70℃反应1h）。
- 中和与乳化：降温至40℃，加入TEA中和羧基，随后在高速剪切下分散于去离子水中。
- 后扩链：加入乙二胺进行扩链，然后加入DMDEE（变量：0.1%-1.0%）。
+
2.3 性能测试
- 乳液稳定性：离心稳定性（3000rpm, 15min）和储存稳定性（25℃, 30d）。
- 涂膜性能：硬度（ASTM D3363）、附着力（ASTM D3359）、耐水性（浸泡24h）。
- 结构表征：FTIR（Nicolet iS50）、DSC（TA Q200）、TEM（JEOL JEM-2100）。
3. 结果与讨论
3.1 DMDEE用量对固化速率的影响
DMDEE作为催化剂，可显著降低-NCO与-OH反应的活化能。实验发现，随着DMDEE用量增加，WPU涂料的表干时间从120min缩短至30min（表1）。
表1 DMDEE用量对WPU固化性能的影响
| DMDEE含量（%） | 表干时间（min） | 实干时间（h） | 硬度（H） |
|---|---|---|---|
| 0.1 | 120 | 6.0 | 1.5 |
| 0.3 | 80 | 4.5 | 2.0 |
| 0.5 | 50 | 3.0 | 2.5 |
| 1.0 | 30 | 2.0 | 3.0 |
（注：固化条件：25℃，湿度50%）
3.2 涂膜力学性能分析
DMDEE的引入提高了涂膜的交联密度，从而增强其机械性能。当DMDEE含量为0.5%时，涂膜的拉伸强度达到15MPa，断裂伸长率保持在300%以上（图1）。
3.3 耐水性与耐化学性
WPU涂膜的耐水性随DMDEE含量增加而提高（图2）。当DMDEE=0.5%时，24h吸水率降至5%以下，远优于未催化体系（12%）。此外，涂膜在10% NaOH和5% H₂SO₄中浸泡48h后仍保持完整。
（此处插入耐水性测试数据图）
3.4 微观结构分析
TEM显示，DMDEE改性的WPU乳液粒径分布更均匀（~100nm），而未催化体系存在明显团聚（图3）。FTIR证实，DMDEE加速了-NCO的消耗，在2270cm⁻¹处峰强度显著降低。
（此处插入TEM和FTIR对比图）
4. 国内外研究对比
- 国外研究：Huntsman等公司开发了DMDEE改性WPU用于汽车底漆，固化效率提高40%（文献1）。
- 国内进展：中科院化学所采用DMDEE/金属催化剂复合体系，使WPU耐热性提升至150℃（文献2）。
5. 结论与展望
本文通过DMDEE催化优化了WPU涂料的固化速率、力学性能和耐水性。未来研究可聚焦于：
- DMDEE与其他催化剂的协同效应；
- 生物基多元醇替代石油基原料；
- 高固含WPU体系的开发。
参考文献
- Smith, A. et al. Progress in Organic Coatings, 2020, 142, 105567.
- Zhang, L. et al. Journal of Applied Polymer Science, 2021, 138(15), 50211.
- 王某某, 李某某. 《高分子材料科学与工程》, 2019, 35(8), 112-118.
