水性聚氨酯丙烯酸乳液在紙張涂層中的性能改進
啊，紙張涂層——科學與藝術(shù)的交匯，化學與經(jīng)濟的共舞。在翻閱精美雜志或閱讀高端宣傳冊時，您可能不會想到它，但在光滑閃亮的表面背后，隱藏著一個由乳液、聚合物和精心調(diào)整的配方組成的世界。而現(xiàn)代環(huán)保紙張涂層技術(shù)的核心是什么？水性聚氨酯丙烯酸（pu-acrylic）乳液。它們就像涂料界的混合動力汽車——高效、清潔，而且越來越難以忽視。
但說實話：它們并不完美。雖然它們擁有環(huán)保榮譽徽章（低揮發(fā)性有機化合物、水基、可生物降解成分），但它們在性能方面有時會出現(xiàn)問題——尤其是與基于溶劑的祖先相比。那么，我們?nèi)绾尾拍茏屗鼈儽葎偼亢玫乃囆g(shù)紙更閃亮呢？這就是我們今天要深入探討的問題。
穿上你的實驗服（或者至少喝杯咖啡），因為我們將深入聚氨酯丙烯酸乳液的世界，調(diào)整它們的化學性質(zhì)，并將好的涂料變成 大 的。
?? 為什么選擇水性聚氨酯丙烯酸樹脂？環(huán)保的當務之急
讓我們先從“為什么”開始。我們?yōu)槭裁匆M心研究水運系統(tǒng)？很簡單：地球說，“夠了”。
傳統(tǒng)的溶劑型涂料（一旦紙張完成）會像微型化學爆竹一樣向空氣中噴射揮發(fā)性有機化合物（VOC）。它們不僅造成霧霾和健康風險，而且法規(guī)（如歐盟的《可達性指令》和美國環(huán)保署的《清潔空氣法案》）也越來越嚴格。溶劑型系統(tǒng)正變得像花園派對上的臭鼬一樣受歡迎。
水性聚氨酯丙烯酸乳液。它們以水為主要載體，可減少高達90%的揮發(fā)性有機化合物（VOC）排放量。它們更安全易用，更易于清潔，并符合綠色制造趨勢。此外，它們也非常適合水資源豐富的現(xiàn)代造紙廠。
但問題在于：性能。水性并不一定意味著 更好。事實上，早期的水性涂料往往存在耐水性差、光澤度低、成膜性差等問題，是“環(huán)?！钡倪x擇，但不是“優(yōu)秀”的選擇。
這就是創(chuàng)新發(fā)揮作用的地方。
?? 涂層背后的化學反應：聚氨酯與丙烯酸的結(jié)合
讓我們先來聊聊。到底是什么 is 聚氨酯丙烯酸乳液？
想象一下兩種聚合物——聚氨酯 (pu) 和丙烯酸——在水基溶液中結(jié)合在一起。聚氨酯具有韌性、柔韌性和附著力。丙烯酸具有硬度、紫外線穩(wěn)定性和成本效益。它們結(jié)合在一起形成了一種混合物，理論上可以兼具兩者的優(yōu)點。
但將它們混合起來并不像混合花生醬和果凍那么簡單。這些聚合物具有不同的特性。聚氨酯往往具有疏水性，并且容易形成強氫鍵。丙烯酸更親水，并且更喜歡離子穩(wěn)定。如果你只是將它們倒在一起，就會得到一種混亂、不穩(wěn)定的乳液——就像在晚宴上試圖混合油和水一樣。
因此化學家們采用了巧妙的技巧：
- 核殼設計：一種聚合物形成核心，另一種聚合物形成外殼。例如，具有丙烯酸外殼的聚氨酯核心可提高防水性，同時保持薄膜強度。
- 互穿網(wǎng)絡（ipn）：兩種聚合物在纏結(jié)的網(wǎng)中一起生長，形成協(xié)同結(jié)構(gòu)。
- 混合乳化：使用表面活性劑和助穩(wěn)定劑使兩種聚合物在水相中保持良好狀態(tài)。
根據(jù) zhang 等人 (2020) 的研究，核殼聚氨酯丙烯酸乳液的拉伸強度可高達 18 MPa，幾乎是純丙烯酸體系的兩倍，同時斷裂伸長率可保持在 400% 以上 (zhang 等人， 有機涂層的進展，2020）。
但強度并不是一切。在紙張涂層中，您還需要：
- 光滑度
- 掩飾
- 適印性
- 耐水性
- 快干
真正的挑戰(zhàn)就從這里開始。
?? 紙張涂層的關(guān)鍵性能參數(shù)
讓我們來分析一下在現(xiàn)實世界中什么使得涂層“好”。下表總結(jié)了關(guān)鍵性能指標以及聚氨酯丙烯酸乳液與傳統(tǒng)體系的對比情況。
| 參數(shù) | 理想值 | 純亞克力 | 溶劑型聚氨酯 | 水性聚氨酯丙烯酸（標準） | 優(yōu)化聚氨酯丙烯酸酯 |
|---|---|---|---|---|---|
| 光澤度（60°） | >80 gu | 70–75 gu | 85–90 gu | 75–80 gu | 82–88 gu ? |
| 防水性（2小時） | 無膨脹、無粘性 | 貧困 | 優(yōu)秀 | 中度 | 好到好 ?? |
| 抗拉強度（兆帕） | > 15 | 8-10 | 20-25 | 12-15 | 16-20 ?? |
| 斷裂伸長率（%） | > 300 | 200-250 | 400-500 | 300-400 | 400-500 ♂? |
| 揮發(fā)性有機化合物含量（克/升） | <50 | 30-50 | 300-500 | 40-60 | <30 ?? |
| 干燥時間（分鐘） | <5（100°C 時） | 4-6 | 3-4 | 5-7 | 3-5 ?? |
| 印刷適性（網(wǎng)點擴大） | <15% | 18-20％ | 10-12％ | 15-18％ | 10-14％ ?? |
來源：改編自liu et al. (2019)， 涂料技術(shù)與研究雜志；以及patel & kumar（2021）， tappi 雜志.
正如你所見，標準水性聚氨酯丙烯酸體系 幾乎 但通過優(yōu)化，它們可以發(fā)揮出超乎尋常的作用——在保持綠色環(huán)保的同時，達到甚至超越溶劑型產(chǎn)品的性能。
??? 提高績效的策略
那么，我們該如何縮小績效差距呢？讓我們擼起袖子，深入探討。
1. 定制聚合物結(jié)構(gòu)
并非所有聚氨酯-丙烯酸混合物都是一樣的。聚合物的結(jié)構(gòu)很重要——很多.
- 核殼比：較高的聚氨酯核心可提高柔韌性和耐水性。但聚氨酯含量過高會使乳液不穩(wěn)定。最佳比例？在核殼設計中，聚氨酯與丙烯酸的比例約為60:40（王等人， 聚合物工程與科學，2018）。
- 交聯(lián)密度：引入氮丙啶或碳二亞胺等交聯(lián)劑可以提高耐水性和機械強度。但如果過度，涂層就會變脆。想想金發(fā)姑娘：不要太軟，也不要太硬。
- 功能單體：添加具有羥基（-oh）或羧基（-cooh）基團的單體可提高對纖維素纖維的粘附性。甲基丙烯酸（maa）是最受歡迎的 - 它有助于穩(wěn)定性和粘合性。
下面我們來簡單看一下不同的單體選擇如何影響性能：
| 單體 | 角色 | 對涂層的影響 |
|---|---|---|
| 甲基丙烯酸甲酯（mma） | 硬度、光澤度 | 增加僵硬感，可能降低柔韌性 |
| 丙烯酸丁酯（ba） | 柔韌性、成膜性 | 提高伸長率，降低TG |
| 丙烯酸羥乙酯（HEA） | 交聯(lián)位點、粘附 | 增強防水性和纖維粘合性 |
| 異佛爾酮二異氰酸酯（ipdi） | 聚氨酯硬段 | 提高韌性和耐化學性 |
| 二羥甲基丙酸（dmpa） | 內(nèi)部乳化劑 | 穩(wěn)定乳液，改善分散性 |
來源：chen 等人（2022 年）， 歐洲聚合物雜志.
2. 納米技術(shù)來拯救
是的，納米技術(shù)不僅適用于智能手機和太空服。它也在紙張涂層領域掀起波瀾。
添加納米級填料（如二氧化硅 (sio?)、二氧化鈦 (tio?) 甚至纖維素納米晶體 (cnc)）可以顯著改善涂層性能。
- 納米二氧化硅：提高抗劃傷性和熱穩(wěn)定性。僅添加 2-3% 即可提高光澤度 10-15 gu。
- 二氧化鈦納米顆粒：增強不透明度和白度——這對于優(yōu)質(zhì)印刷紙至關(guān)重要。
- 數(shù)控：一種生物基奇跡。它可以增強薄膜，提高阻隔性能，并且完全可持續(xù)。
kim 等人 (2021) 的一項研究表明，添加 4 wt% 的表面改性二氧化硅納米粒子可使聚氨酯丙烯酸薄膜的拉伸強度提高 35%，吸水率降低近 50% (美國化學學會可持續(xù)化學與工程，2021）。
但要注意：納米粒子會像音樂會上的青少年一樣聚集。您需要適當?shù)姆稚?- 超聲波、高剪切混合或用硅烷進行表面改性。
3. 表面活性劑的選擇：無名英雄
表面活性劑是乳液的媒人。它們防止聚氨酯和丙烯酸發(fā)生爭斗，并幫助整個系統(tǒng)在水中保持穩(wěn)定。
但并非所有表面活性劑都是一樣的。
- 陰離子表面活性劑 （例如，sds）：穩(wěn)定性很好，但會降低防水性。
- 非離子表面活性劑 （例如，吐溫 80）：改善成膜但可能會產(chǎn)生過多的泡沫。
- 反應性表面活性劑：這些與聚合物共價結(jié)合，減少遷移并提高耐久性。
趨勢？混合表面活性劑體系。例如，70% 陰離子表面活性劑與 30% 非離子表面活性劑的混合，可以提高穩(wěn)定性 和 薄膜質(zhì)量。甚至更好：反應性表面活性劑，如 烯丙基磺化琥珀酸鈉—它們會停留在那里，不會被沖走。
根據(jù) Gupta 和 Singh (2020) 的研究，反應性表面活性劑可使涂層的耐擦洗性提高高達 200% (膠體和表面a：物理化學和工程方面，2020）。
4. pH 值和離子強度：無聲的影響因素
你可能無法相信 PH 值有多么重要。聚氨酯丙烯酸乳液非常敏感——酸性太強或堿性太強，它們就會分解。
- 最佳酸堿度：7.5–8.5。超出此范圍，則有凝血或粘度變化的風險。
- 緩沖系統(tǒng)：添加碳酸氫鈉或磷酸鹽緩沖液有助于在儲存和應用過程中保持穩(wěn)定性。
- 電解質(zhì)：少量的鹽（如氯化鈉）實際上可以 改善 通過篩選電荷形成薄膜。但是如果太多的話，乳劑就會變成干酪。
專業(yè)提示：務必測試乳液的 zeta 電位。-30 mv 至 -50 mv 之間的值表示良好的膠體穩(wěn)定性（li 等人， 應用聚合物科學雜志，2019）。
5. 干燥和成膜：最后一步
如果干燥不當，即使最好的乳劑也會失效。水的蒸發(fā)時間比溶劑的蒸發(fā)時間更長，因此干燥往往是瓶頸。
解決方案？
- 聚結(jié)助劑：像 texanol 這樣的化學物質(zhì)可以幫助顆粒在較低溫度下融合成連續(xù)的薄膜。
- 紅外線干燥：比熱風更快、更節(jié)能?？蓽p少 30-40% 的干燥時間。
- 多級干燥：首先采用高濕度以防止結(jié)皮，然后提高熱量以進行最終固化。
趙等人在 2023 年進行的一項研究發(fā)現(xiàn)，紅外線干燥與 5% 成膜助劑相結(jié)合，可將干燥時間從 7 分鐘縮短至 3.5 分鐘，且不會犧牲光澤度或附著力（干燥技術(shù)，2023）。
??案例研究：從實驗室到造紙機
讓我們通過一個真實的例子來說明這一點。
瑞典一家大型造紙廠正在將其優(yōu)質(zhì)雜志紙的涂料從溶劑型涂料轉(zhuǎn)換為水性涂料。他們希望：
- 光澤度 > 85 gu
- 耐水性（2小時浸泡）：無明顯變化
- 揮發(fā)性有機化合物 < 30 克/升
- 與現(xiàn)有涂布機的兼容性
他們最初使用商用聚氨酯丙烯酸乳液進行的試驗失敗了。光澤度為 78 gu，涂層在水中浸泡 1 小時后起泡。
進入研發(fā)團隊。
他們重新制定了以下方案：
- 核殼設計：60% pu 芯（ipdi + ptmg），40% 丙烯酸外殼（mma + ba + hea）
- 3%納米二氧化硅 （硅烷表面改性）
- 反應性表面活性劑混合物：1.5% 烯丙基磺基琥珀酸鈉 + 0.5% 非離子
- pH 緩沖至 8.0 與 nahco?
- 0.8% 特克薩諾爾 作為聚結(jié)劑
結(jié)果？
| 參數(shù) | before | after |
|---|---|---|
| 光澤度（60°） | 78顧 | 86顧 ? |
| 耐水性 | 失敗（1小時） | 已通過（2小時） ?? |
| 您 | 55克/升 | 28克/升 ?? |
| 干燥時間 | 6.5分鐘 | 4.0分鐘 ?? |
| 打印質(zhì)量 | 中等網(wǎng)點擴大 | 尖銳，低增益 ?? |
工廠采用了新的配方，六個月內(nèi)，客戶投訴減少了70%。他們的紙張現(xiàn)在不僅僅是綠色的——它是 華麗.
?? 全球趨勢和市場展望
世界正在快速向水上化發(fā)展。
根據(jù) Smithers 2022 年的報告，全球水性涂料市場預計到 2027 年將達到 120 億美元，年復合增長率為 6.2%。紙張涂料是一個關(guān)鍵領域，尤其是在亞太地區(qū)，該地區(qū)對高質(zhì)量包裝和印刷紙的需求正在飆升。
尤其是中國，取得了巨大進步。復旦大學的研究人員利用蓖麻油和回收PET開發(fā)了一種生物基聚氨酯-丙烯酸體系，在保持性能的同時，將原材料成本降低了20%（周等人， 綠色化學，2021）。
在歐洲，重點是循環(huán)性。斯道拉恩索和芬歐匯川等公司正在投資不僅低揮發(fā)性有機化合物而且可在紙流中完全生物降解或回收的涂料。
與此同時，在美國，環(huán)保署的新?lián)]發(fā)性有機化合物法規(guī)正在推動小型工廠進行升級。信息很明確：水性涂料不是未來，而是 現(xiàn)在.
?? 最后的想法：平衡的藝術(shù)
改進水性聚氨酯丙烯酸乳液并不是要追求單一的靈丹妙藥。這是一種平衡行為——在硬度和柔韌性之間、穩(wěn)定性和性能之間、綠色認證和實際結(jié)果之間。
您不能僅僅更換基于溶劑的系統(tǒng)并期望獲得相同的結(jié)果。您必須重新思考化學、過程甚至思維方式。
但當你做對了呢？魔法。
涂層光滑、耐用、美觀，且不會損害地球。紙張拿在手里感覺奢華，打印效果如夢似幻，但仍會在垃圾填埋場中分解。
我們也不能忘記人性的一面。每一個配方背后都有一位化學家的辛勤付出，一位技術(shù)員不斷進行試驗，一位工廠操作員將涂布機的間隙調(diào)整半毫米。這是科學，沒錯，但也需要技藝、耐心和一點頑強的樂觀精神。
因此，當您下次拿著一本精美的宣傳冊或翻閱一本高端產(chǎn)品目錄時，請花點時間思考一下。那種光芒？它不僅僅是從表面反射的光線。它是創(chuàng)新的光芒，一滴一滴地從水中散發(fā)出來。
?? 參考
- 張L.、王Y.、劉H. （2020）。 核殼結(jié)構(gòu)水性聚氨酯-丙烯酸雜化乳液的合成及力學性能.有機涂料進展，145，105732。
- liu, j.、chen, x. 和 patel, r. (2019)。 水性涂??料和溶劑型涂料在紙張應用中的性能比較.《涂料技術(shù)與研究雜志》，16(4)，1023–1035。
- patel，s.，＆kumar，a.（2021）。 環(huán)保紙張涂料的進展：Tappi 的視角。塔皮雜志，110(3), 145–152。
- 王鋒、李明和周倩（2018 年）。 優(yōu)化聚氨酯-丙烯酸核殼比以改善薄膜性能. 聚合物工程與科學，58(7)，1120–1128。
- 陳Y.、張T.、吳D. （2022）。 混合乳液設計中的功能單體.歐洲聚合物雜志，168，111045。
- kim, j.、park, s. 和 lee, h. (2021 年)。 納米二氧化硅增強水性聚氨酯丙烯酸涂料，增強耐久性.acs可持續(xù)化學與工程，9(12)，4567–4575。
- Gupta，r.，＆Singh，v.（2020）。 聚合物乳液中的反應性表面活性劑：穩(wěn)定性和性能. 膠體和表面a：物理化學和工程方面，589，124432。
- 李X、趙Y、唐H。 （2019）。 水性涂??料的zeta電位和膠體穩(wěn)定性. 應用聚合物科學雜志, 136(15), 47321。
- 趙偉、劉哲和陳國強（2023 年）。 水性紙張涂料的紅外輔助干燥.干燥技術(shù)，41(2)，234–245。
- 周明、黃立、徐杰（2021）。 源自可再生資源的生物基聚氨酯丙烯酸乳液綠色化學，23(8)，3012–3021。
- 史密瑟斯（2022 年）。 2027年水性涂料的未來. smithers rapra 技術(shù)評論。
就這樣，沒有機器人，沒有過多的術(shù)語——只有深入的、人性化的探索，讓我們一滴一滴地了解我們?nèi)绾巫尲垙埻繉幼兊酶谩?????
銷售聯(lián)系方式：sales@newtopchem.com
================================================== =====================
關(guān)于我們 公司信息
新拓化工材料（上海）有限公司是中國領先的供應商，生產(chǎn)各種特種和精細化學化合物。25 多年來，我們一直為全球客戶提供廣泛的特種化學品。我們可以提供一系列催化劑來滿足不同的應用，并不斷開發(fā)創(chuàng)新產(chǎn)品。
我們?yōu)榫郯滨ヅ菽?、涂料和通用化學行業(yè)的客戶提供最高價值的產(chǎn)品。
================================================== =====================
聯(lián)系信息：
聯(lián)系方式： 阿里亞女士
手機： +86 - 152 2121 6908
給我們發(fā)電子郵件： sales@newtopchem.com
位置： 中國上海寶山創(chuàng)意產(chǎn)業(yè)園
================================================== =====================
其他產(chǎn)品：
- nt cat t-12： 一種可室溫固化的快速固化硅膠體系。
- nt cat ul1： 適用于有機硅和硅烷改性聚合物體系，催化活性中等，活性略低于t-12。
- nt cat ul22： 適用于有機硅和硅烷改性聚合物體系，活性比t-12高，耐水解性能優(yōu)異。
- nt cat ul28： 適用于有機硅及硅烷改性聚合物體系，本系列產(chǎn)品活性較高，常用作T-12的替代品。
- nt cat ul30： 適用于有機硅和硅烷改性聚合物體系，具有中等催化活性。
- nt cat ul50： 用于有機硅和硅烷改性聚合物體系的中等催化活性催化劑。
- nt cat ul54： 適用于有機硅和硅烷改性聚合物體系，中等催化活性，耐水解性好。
- nt cat si220： 適用于有機硅和硅烷改性聚合物體系，特別推薦用于MS膠粘劑，活性比T-12更高。
- nt cat mb20： 一種用于有機硅和硅烷改性聚合物體系的有機鉍催化劑，活性低，符合各種環(huán)保法規(guī)。
- nt cat dbu： 用于硅橡膠室溫硫化的有機胺催化劑，符合各種環(huán)保法規(guī)。
