スルホン酸系水系ポリウレタンの種類・用途・メリット・デメリット

文: 蘇智禾 / 聚和國際 分析技術組

攝影師：Ivan Samkov: https://www.pexels.com/zh-tw/photo/9628854/

ポリウレタン（PU）とは

ポリウレタンは、イソシアネートとポリオールによって重合され、ゴムの弾力性と靭性、およびプラスチックの強度と優れた加工性を備えており、塗料、スポンジ、接着剤、皮革およびその他の材料のコーティング、ドレッシング、生物医学などの分野でよく使用されます。
 

従来の溶剤型ポリウレタン V.S. 水性ポリウレタン

従来の溶剤系ポリウレタンの製造工程では、多量の有機溶剤を使用していました。 近年、世界的に環境意識が高まる中、溶剤の使用を大幅に削減した、または無溶剤プロセスで製造された水性ポリウレタン (CN1869091A、2006) が注目を集めています。



さらに、プロセスから発生する揮発性有機化合物 (VOC) の量が大幅に削減されます。これは、環境に有益であるだけでなく、これらの有害化学物質への暴露を最小限に抑えることで、製造オペレーターの健康にも役立ちます。

水性ポリウレタンの種類

水性ポリウレタン (WPU) は、カチオン性、アニオン性、非イオン性の 3 つのカテゴリに分類できます。

1. カチオン性WPU：主に4級アンモニウム塩 (CN105601876A, 2016)

カチオン性WPUの4級アンモニウム塩基は、加熱すると分解や逆反応を起こしやすく、耐熱性に劣ります。

近年、カチオン性 WPU は、繊維、皮革仕上げ、製紙、木材ラッカーの用途で見られ、正電荷と繊維の間の良好な結合によって透過性が向上します (CN111533875A、2020)。 別の研究では、キトサンと組み合わせた WPU には優れた抗菌特性、生分解性、生体適合性が付与され、食品包装や薬物放出担体に使用できることが示されました。 (CN106700021A、2017)

2. 非イオン性WPU：エトキシ基を有する (CN101638472A, 2009), ポリエチレングリコールエーテル (CN108164650B, 2017)

エマルジョン安定性が低く、フィルム性能が低く、固形分が少ないため、非イオン性 WPU はあまり一般的ではなく、用途に応じて、湿潤剤、レベリング剤、消泡剤、酸化防止剤などの機能性添加剤と一緒に使用されることがほとんどです。 (WO2021103376A1, 2019)

3.アニオン性WPU：カルボン酸（CN104356330B, 2014）、リン酸（KR101858774B1, 2010）、スルホン酸（CN107446105B, 2017）の基を有する

陰イオン WPU は最も広く研究されているカテゴリであり、カルボン酸ベースの WPU は最も一般的なものです。 解離度が低いため、カルボン酸ベースの WPU は耐熱性が低く、固形分が少なく、さらに水分が多いという事実は、蒸発熱が高く、乾燥時間が長いことを意味します (CN111454420B, 2020)。 カルボン酸ベースの WPU は、アルカリ性条件下で保管する必要があります。 また、工程（中和・塩形成）では揮発性アミンを使用することが多いため、保管中にアミンが分解・揮発しやすく、また、特有の臭いの原因となります。

反対に、解離度が高く、負に帯電したコロイドの強い静電反発力によって安定化されたスルホン酸ベースの WPU は、固体含有量が高く、優れた熱安定性、耐水性、良好な接着性という利点にさらに貢献します。 また、アミンの中和を経ていないため、最終製品に特有の臭いがありません (CN108976371B, 2018 )。 以下に、スルホン酸ベースの WPU のアプリケーションと開発について簡単に紹介します。

スルホン酸水系ポリウレタンの用途開発

表面改質

経済の発展に伴い、今日の消費者の製品表面品質に対する要求は高まっています。 表面改質には、高透明性（高光沢）とつや消しの2つの主要な開発側面があります。

従来のPU製法では、光の反射を抑えるためにワックスパウダーやシリカなどの艶消し剤をPUDに添加して表面粗さを上げて艶消しを進めていましたが、艶消し剤の分散性が技術上の大きなボトルネックになっていました。 .

その後、つや消し剤を使用しない新しいつや消し技術が開発されました。これは、合成中にPUの粒子サイズを制御することにより、乾燥した表面の粗さを作ることができ、さらに、白化、霜付け、脆さなどのさまざまなコーティングの問題を取り除くことができます。 マット剤の分散不良による破れや脱落。 (CN106519133B、2016)

粘着テープ

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