水性聚氨酯树脂乳液的制备是一项精细的化学工程，其核心目标是：将原本疏水的聚氨酯高分子链，通过引入亲水基团，使其能够稳定地分散在水中，形成均一、稳定的乳液。

最经典、应用最广泛的制备方法是 “预聚体分散法”（或称“丙酮法”的简化变体）。下面以阴离子型水性聚氨酯为例，详解其基础制备步骤与关键原理。

一、核心制备原理与路线图

整个制备过程可以理解为 “先构建疏水骨架，再安装亲水门户，最后引入水中安家” 的过程。其核心流程如下图所示：

二、分步详解与关键控制点

第一步：原料准备与脱水

1. 主要原料： 低聚物多元醇：提供柔韧性，如聚酯二醇（耐油、强度高）或聚醚二醇（耐水解、柔韧好）。

a. 二异氰酸酯：提供硬段和反应活性，如甲苯二异氰酸酯（TDI，价廉）、异佛尔酮二异氰酸酯（IPDI，耐候好）、二环己基甲烷二异氰酸酯（H12MDI，耐黄变）。

b. 亲水扩链剂：引入亲水中心，如二羟甲基丙酸（DMPA），其侧链的羧基（-COOH）是后续中和成盐的关键。

c. 中和剂：使羧基离子化，如三乙胺（TEA）、氨水。

d. 后扩链剂：水中反应，提高分子量，如水合肼、乙二胺。

e. 溶剂（可选）：丙酮、N-甲基吡咯烷酮（NMP），用于调节粘度。

2. 关键预处理：多元醇和亲水扩链剂必须在 110-120℃、真空脱水 数小时，以除去微量水分。水分是此反应的头号敌人，会与-NCO基团反应生成CO₂，导致乳液发泡、不稳定。

第二步：制备含亲水基团的-NCO封端预聚体

1. 在干燥的氮气保护反应釜中，加入脱水后的多元醇、DMPA和过量二异氰酸酯。

2. 在 70-90℃ 下反应2-4小时。

3. 关键控制点：通过滴定法定期监测反应体系的 -NCO含量，当其达到理论设计值时，表示预聚体合成完毕。此时，大分子链两端为未反应的-NCO基团，侧链带有羧基。

第三步：中和成盐

1. 将预聚体降温至 40-60℃。

2. 加入计算量的中和剂（如三乙胺），与预聚体侧链的羧基进行中和反应，生成羧酸铵盐。这是赋予聚氨酯水分散性的关键化学步骤。

R-COOH + N(Et)₃ → R-COO⁻ ⁺HN(Et)₃第四步：高速剪切乳化分散于水中

1. 在高速搅拌（如1000-3000 rpm）下，将中和后的预聚体缓慢加入冰水混合物或冷水中。低温水有助于减缓-NCO与水的副反应。

2. 在剪切力作用下，黏稠的预聚体被撕裂成微小液滴，其表面的亲水离子基团朝向水相，形成初生乳液。

3. 此过程发生剧烈放热，需控制温度和加料速度。

第五步：水相扩链与链增长

1. 在乳化后的体系中，加入小分子二胺或二醇类后扩链剂（如乙二胺）。

2. 扩链剂在水相中扩散，与预聚体乳胶粒表面及内部的-NCO基团反应，使分子链增长、分子量提高，并可能形成部分交联。此步显著提升最终乳液的力学性能和稳定性。

第六步：脱除溶剂与调节

1. 如果使用了丙酮等溶剂，需在 减压蒸馏 下将其彻底脱除，得到纯净的水性聚氨酯乳液。

2. 最后，调节乳液的pH值、固含量和粘度，过滤、包装。

三、关键影响因素与工艺精髓

1. 亲水基团含量（HCO值）：决定乳液稳定性、粒径和涂膜耐水性的平衡。含量高，乳液稳定、粒径小，但涂膜耐水性下降。

2. NCO/-OH比值（R值）：影响预聚体分子量、粘度和最终涂膜硬度。R值越大，预聚体分子量越小、粘度越低，最终涂膜可能更硬。

3. 中和度：通常略高于100%，以确保羧基完全离子化，获得最佳分散效果。

4. 乳化工艺：加料方式（正相：预聚体入水；反相：水入预聚体）、搅拌速度、水温控制，直接影响乳液粒径分布和稳定性。

5. 后扩链剂选择：影响胶粒内部结构（如是否形成硬段微区）和最终力学性能。

四、其他制备方法简介

● 丙酮法：在溶剂（丙酮）中完成所有聚合反应，得到高分子量PU溶液，再中和、乳化于水，最后脱丙酮。产品性能好，但工艺复杂、成本高。

● 熔融分散法：无溶剂法。制备端基为-NCO的离子型预聚体，在高温熔融状态下与尿素反应生成缩二脲，再在热水中分散、扩链。工艺环保，但对设备和控制要求高。

● 酮亚胺/酮连氮法：将扩链剂（胺）以潜封闭形式带入预聚体，遇水释放并反应，适用于高固含产品。

总结

水性聚氨酯乳液的制备，是 “分子设计”与“过程工程”的完美结合。通过精准控制原料配比、亲水基团引入、乳化工艺和扩链反应，可以像“搭积木”一样，定制出从高弹到高硬、从高耐水到高附着等各种性能的树脂，以满足涂料、胶粘剂、油墨等千变万化的应用需求。其工艺精髓在于：在亲水与疏水、稳定性与最终性能、工艺可行性与成本之间，找到最佳平衡点。

（本文仅供参考，若有技术问题，可咨询在线工程师）