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雙組分交聯型水性聚氨酯涂料，即涂料分為兩個組分：其一為水性多元醇組分；另一為水分散型異氰酸酯組分。兩者可在常溫或加熱下交聯固化成膜。

1、 水性多元醇組分的分類及特點

按水性聚合物的膠體結構，可將其分為兩大類。一類是水分散型多元醇，另一類是乳液型多元醇。根據化學結構水分散型多元醇可分為3類：

①聚酯多元醇：用聚酯多元醇制備的水性雙組分聚氨酯涂料形成的涂膜光澤高、流平性好�？捎糜谏�產高光澤色漆。其缺點是聚酯分子鏈的酯鍵易水解，聚合物鏈易產生斷裂。

②丙烯酸多元醇：將丙烯酸聚合物接枝到聚酯分子鏈上可制備聚酯一丙烯酸復合分散體多元醇，由于相對憎水性聚丙烯酸支化鏈的引入，可以提高聚酯鏈的耐水解性。丙烯酸分散體多元醇具有較低的相對分子質量，較高的羥基官能度，配制的涂膜交聯密度較高，具有良好的耐溶劑性、耐化學品性和較好的耐候性，但涂膜干燥速度較慢。該多元醇配制的雙組分涂料將聚酯的軟鏈段和丙烯酸樹脂的硬鏈段結合在一起，有利于涂膜硬度和柔韌性保持良好平衡。

③聚氨酯多元醇：目前水性聚氨酯分散體多為線性樹脂，它與固化劑配制的涂料干燥速度慢，硬度低。而自乳化水性交聯型聚氨酯分散體多元醇具有較好的分散性能，與固化劑相容性好。通過調整氨基甲酸酯鍵的含量和交聯結構來調整涂膜性能，得到具有優異的物理機械性能和耐化學品性能的涂膜。相對分子質量小的聚氨酯分散體中包含有聚酯單元，既具有聚酯分散體涂膜外觀好、又具有聚氨酯結構性能好的特征MJ。因此，聚氨酯多元醇分散體是理想的雙組分聚氨酯涂料的羥基組分。

2、 水性多元醇組分的制備

水性聚氨酯多元醇的制備可采用傳統的水性聚氨酯分散體的制備方法，但在聚合物的親水基團中，應該有更多的羥基，在化學結構上滿足雙組分涂料的反應要求。常用的方法是預聚體法和丙酮法。

2．1預聚體法

預聚體法可分為一步法和預聚法。在一步法中，二異氰酸酯與過量的聚酯二醇、乙二醇以及二羥甲基丙酸(DMPA)反應，得到羥基封端的聚氨酯離聚體；在胺的中和下，離聚體分散在水中得到了含羥基官能團的聚氨酯分散體(圖1)。具有更高官能度的聚氨酯離聚體可通過在離聚體主鏈上不同的多元醇得到。

在預聚法中：一條路線是先由二異氰酸酯、多元醇、DMPA合成得到異氰酸酯封端的前聚體；在胺中和下，預聚體分散在水中并與含羥基的鏈終止劑反應(圖2)。通過改變不同的鏈終止劑可得到具有較高或較低羥基官能度的聚氨酯離聚體。

另一條路線是先制備異氰酸酯封端的初聚體，但不是用胺來封閉NCO基團，而是用含羥基官能團的多元胺對初聚體進行擴鏈，例如Ⅳ-羥乙基乙烯二胺。要求擴鏈劑用量使NCO：NH的比率大約為1。這樣可制備出側鏈上帶羥基的擴鏈聚氨酯。

圖1   一步法

圖2 預聚體法

預聚法的特點是通過改變鏈終止劑從線性預聚體制備具有更高官能度的分散體。與一步法制備的具有相似官能度的聚氨酯離聚體得到的預聚體相比，前者的預聚體黏度更低。另一特點是：與一步法相比，預聚法中聚氨酯多元醇或水能更快地與多異氰酸酯交聯劑反應。因此，在雙組分水性體系中由預聚體方法制備的多元醇能更有效地與多異氰酸酯交聯劑反應。

2．2丙酮法(或溶劑法)

該聚合過程是在丙酮或丁酮溶劑中進行的，然后再加人水。所以與水的競爭反應不再是像其他幾種制備方法中要考慮的主要因素。此法缺點在于丙酮需回收，致使成本相對較高，而且反應是在相對較低的固含量下進行的。

2．3無異氰酸酯過程

聚氨酯多元醇分散體也能通過無異氰酸酯過程得到。脂肪族聚酯多元醇與雙-B-羥丙基氨基甲酸酯進行反應。通過與酸酐反應結合上羧酸的官能度，產物用叔胺中和并分散在水中015]。此過程制得的聚氨酯分散體與一般的在Ⅳ-甲基吡咯烷酮(NMP)中用預聚體法制得聚氨酯分散體可用下列3種物質進行評價：HDI異氰脲酸酯、IPDI異氰脲酸酯和親水改性的HDI異氰脲酸酯。親水改性多異氰酸酯比一般聚氨酯分散體制得的涂膜更硬，但其VOC含量也比其他的更高。對于無異氰酸酯的聚氨酯分散體，使用HDI異氰脲酸酯和親水改性的多異氰酸酯的混合物會得到綜合效果更佳的產品。高羥基、高羧基和高異氰酸酯含量的無異氰酸酯PUDs是優良的顏料分散介質。

3、 多異氰酸酯組分

用于水I生雙組分聚氨酯體系的多異氰酸酯固化劑有兩種——親水改性多異氰酸酯和未親水改性多異氰酸酯。濁度實驗表明：未親水改性多異氰酸酯分散在水中時需要高度的剪切混合；而親水改性的異氰酸酯使用普通攪拌的方法即可與水混合(圖3)。

圖3 水性雙組分PU體系濁度實驗

3．1未親水改性多異氰酸酯

使用未親水改性多異氰酸酯時，因為高黏度多異氰酸酯分散后液滴較大，分散體不穩定，多異氰酸酯易沉降，為確保其分散性需使用低黏度的多異氰酸酯。

異氰酸酯單體是影響漆膜性能的主要因素。若要求涂層外觀好且耐光，以及活化期與干燥性合理的平衡，固化劑應選用脂肪族二異氰酸酯HDI和IPDI。HDI有長的亞甲基鏈，使漆膜具有好的耐劃傷性，且黏度低，易與水性分散體混合，形成的涂層流平性好、光澤高。IPDI具有環狀脂肪族結構，干燥快，涂層硬，耐化學品性和耐擦傷性突出。由于IPDI黏度大，較HDI難于混入分散體中，對光澤和流平性有影響。

從安全角度考慮，二異氰酸酯不適宜以單體形式用于聚氨酯涂料中，通常采用二聚體和三聚體。具有3個官能度的HDI三聚體的黏度在28℃時是1．7 Pa·s，而相當官能度的HDI縮二脲的黏度為8．5 Pa·s，因此前者更易于分散。有時可用溶劑稀釋來降低黏度，如用乙酸丁酯；而使用環狀碳酸酯或內酯溶劑比乙酸丁酯更能獲得小粒徑和較均勻的水分散體。烷氧基乙醇醋酸酯用作雙組分涂料中無環境危害型的溶劑已經申請了專利口叫：HDI縮二脲在分散前與用二甲基氨基乙醇(DMAE)中和的水稀釋丙烯酸樹脂的二甘醇二甲醚溶劑¨引混合。

此外噴射分散技術也能形成好的分散體，它能解決由于貯存期短帶來的施工問題。

3．2親水改性多異氰酸酯及其制備

親水改性多異氰酸酯可提高多異氰酸酯在水中的分散性。多異氰酸酯本身為憎水性物質。因分子鏈上具有反應活性較大的NCO基團，當以交聯劑加入水性涂料時，與水反應速度較快，瞬時生成脲，將多異氰酸酯外層包覆成殼狀物，喪失一定的活性。若在憎水性多異氰酸酯分子鏈上采取某種方式引入親水基團，使其全部或部分分子帶有親水基團，即具有表面活性劑功能，則親水基團朝向水相，憎水基團嵌人多異氰酸酯液滴。親水基團的相互排斥使得多異氰酸酯乳液處于穩定狀態。另外這些表面活性劑在多異氰酸酯液滴外層形成有效保護層，使其與水的反應降至最低限度。

3．2．1 外乳化法

將表面活性劑按一定比例加到多異氰酸酯中，而后直接分散到水中使用。表面活性劑可以是離子型、非離子型或兩者的混合型。國外早期多采用該法制備可水分散多異氰酸酯。該法操作比較方便，但所得制品使用性能欠佳。

3．2．2 內乳化法

采用含親水基團并具有能與異氰酸酯基反應的化合物作為表面活性劑制備可水分散多異氰酸酯。由于用離子型表面活性劑制備的可水分散多異氰酸酯對pH值、冷凍和電解質敏感，所以多用非離子型表面活性劑。

在非離子親水改性中，聚醚改性劑使用較為普遍。聚醚改性劑可以是由環氧乙烷聚合得到的單羥基聚醚；也可以是環氧乙烷與環氧丙烷共聚得到的單羥基聚醚。單羥基聚醚可使脂肪族多異氰酸酯在水中分散，但為了有利于分散，一般需將多異氰酸酯溶解在有機溶劑中。改性劑的分散穩定性有待提高，相應親水性也需要提高，需減少或消除分散步驟中的有機溶劑。

由環氧乙烷聚合得到的單羥基聚醚是固態的，通常導致改性的多異氰酸酯也是固態的。因此親水改性的多異氰酸酯分散于水中之前要將它們溶解在有機溶劑中。對于未封端的多異氰酸酯分散體而言，不大可能除去有機溶劑，因為分散型多異氰酸酯適用期有限，經受不了除去溶劑所需要的高溫。為了使固態聚醚液化或避免使用有機溶劑，可使用由環氧乙烷和環氧丙烷共聚得到的單羥基聚醚。這種聚醚是液態的，但環氧丙烷的存在增加了聚醚的質量，降低了改性多異氰酸酯中異氰酸酯官能團的含量。此外，因為環氧丙烷不像環氧乙烷那樣親水，就需要額外的環氧乙烷來提供環氧丙烷的親水性，而這也會降低改性多異氰酸酯中異氰酸酯基團的含量。隨著聚醚改性劑長度的增加，混合更加容易、分散穩定性也增加。就HDI異氰酸酯而言，為了有一個好的水性分散體，所用的聚氧乙烯甲基醚的相對分子質量必須>120(n=2)并<1 040(n=24)。聚醚／聚酯作為異氰酸酯改性劑能克服結晶問題，并能增強涂膜的耐水性，例如：聚氧乙烯甲醚(n=7)與己內酯反應得到的聚酯／聚醚可用來對HDI改性。將親水取代物加到異氰酸酯上減少與水反應的比率可使親水改性多異氰酸酯分散體的穩定性得以保持。使用親水聚乙二醇單醚和疏水乙醇的混合物可提高多異氰酸酯的耐水性。親水改性多異氰酸酯在水中的穩定性通過將其與陰離子乳化劑和溶劑混合來增加。