周明何* ，周俊男，龙涛，周兆昌，周俊，王娇
（浙江博聚新材料有限公司，浙江 丽水 323000）
摘要：【意义】水性聚氨酯（WPU）涂料因其环保特性，在汽车、建筑、船舶和木器等领域应用日益广泛。然而， WPU 涂料在机械性能、耐溶剂性和涂布效果等方面的不足限制了其进一步应用。丙酮缩甘油具有低气味、无毒、对人体无刺激和生物来源等优势，可以作为 WPU 涂料的基体材料和溶剂，改善其性能。【进展】文章综述了丙酮缩甘油在 WPU 涂料中的应用现状，分析了其对涂料性能的优化作用。丙酮缩甘油能够有效提升 WPU 涂料的机械强度和涂布性能，使其在满足环保要求的同时，具备更加优异的综合性能。【展望】丙酮缩甘油的应用为 WPU 涂料性能的提升提供了新思路，具有广阔的应用前景，可为相关研究和应用提供参考。
关键词：丙酮缩甘油；水性聚氨酯；涂料；应用；溶剂；基体材料
引言
聚氨酯是一种高性能聚合物，其由刚性链段和柔性链段组成，具有耐化学性、耐磨性、柔韧性等性能特点。基于这些性能优势，聚氨酯被广泛应用于涂料、合成革、胶黏剂、泡沫塑料、弹性体、纤维等领域[1]。传统的溶剂型聚氨酯涂料能保护材料不受环境侵蚀的影响，如潮湿、辐射、生物变质、机械和化学破坏，并为材料提供颜色和光泽。然而，传统的 溶剂型聚氨酯涂料大多含有大量的挥发性有机化合物（VOCs），对人体健康和环境有害[2？3]。
水性聚氨酯（WPU）是一种二元胶体体系，其中聚氨酯颗粒分散在连续的水介质中[4]。WPU 因其低 VOCs 或无 VOCs、环境可接受和相对低黏度等性能而逐渐受到涂料行业的重视[5？6]。然而，WPU 涂料在实际应用中仍存在一些性能瓶颈，如干燥速度过快、机械强度不足、耐化学性有待提高等[7？8]。因此，寻找合适的添加剂来改善水性聚氨酯涂料的性能显得十分必要。
丙酮缩甘油（2,2-二甲基-4-羟甲基-1,3-二氧环戊烷）具有低气味、无毒、对人体无刺激和生物来源等优势，是一种公认的环保物质，在涂料、油漆、油墨和增塑剂等方面具有杰出的应用优势[9]。本文将重点探讨丙酮缩甘油在水性聚氨酯涂料中的应用价值，为其在涂料行业的推广提供理论依据。
1 丙酮缩甘油的合成与性能
丙酮缩甘油是带有两个甲基的含氧环酮，它由丙酮和生物柴油的副产物甘油在酸性催化剂存在下发生缩酮反应制得，副产物为六元环（2,2-二甲基-1, 3-二氧六环-5-醇）和水[10]。如图 1 所示，相比于五元环，六元环较难生成，因此丙酮缩甘油是主要产物。Raju 等人[11]使用负载氧化钼或氧化钨的固体催化剂进行缩酮反应，丙酮缩甘油的选择性可以达到 97%。
丙酮缩甘油在室温下粘度较低（~11 cPa），凝固点、沸点和闪点分别约为？26、182~185 和 91 ℃，密度为 1.07 g/mL，蒸汽压为 107.32 mmHg，低气味、无毒无刺激、生物基来源。分子结构中的醚键、羟基和环烷烃结构使得其具有两亲性，溶解范围广。基于这些物理化学特性，丙酮缩甘油可以作为环保溶剂替代其它有机溶剂。同时，分子结构中的羟基具有反应性，为后续的化学反应和功能化改性提供了可能性。
2 丙酮缩甘油在WPU 涂料中的应用
2.1 丙酮缩甘油作为WPU 涂料的基体材料
如前所述，丙酮缩甘油分子结构中的羟基具有反应活性，可以制备多种功能化衍生物，通过在酸性条件下的水解反应释放两个羟基，即可作为二元醇参与聚合反应，与异氰酸酯、聚酯多元醇等反应制备WPU，反应原理如图 2 所示。
王胜鹏等人[12]以丙酮缩甘油为原料制备 2- 溴-2,2-二氟乙 酸丙酮叉保护甘油单酯，并以该产物为单体制备 WPU。由于该单酯的 C2 位上取代有一个溴原子和两个氟原子，因此，以其为单体制备的 WPU 具有良好的阻燃和防潮性能。实验结果表明，这种改性 WPU 的吸水率为 10%，氧指数为 25%。相比之下，不含该单酯的 WPU 吸水率为 25%，氧指数为 17%。
Bigwood 等人[13]将丙酮缩甘油作为多元醇与柠檬酸进行缩聚反应制备聚酯，并以该聚酯为原料制备聚氨酯。丙酮缩甘油的使用有助于形成高度交联的网络结构，从而显著提高聚酯的机械性能、耐溶剂性和耐热性。此外，使用丙酮缩甘油制备的聚酯具有较高的玻璃化转变温度，即在高温下能保持形状和性能。使用该聚酯制备的涂层在金属和木材表面表现出良好的粘附性。
Liu 等人[14]为弥补传统 WPU 涂料防水性和抗污性差的缺陷，将含氟链段引入聚氨酯侧链。含氟链段先与丙酮缩甘油反应随后水解，利用丙酮缩甘油的多官能特性，将含氟链段引入聚氨酯链中，之后用季戊四醇三丙烯酸酯进行封端得到新型紫外光固化水性含氟聚氨酯丙烯酸酯（PFUA）。实验通过调控氟含量精准控制涂膜材料的防水性和表面性能，为高性能水性涂料的设计和应用提供理论依据。
Olson 等人[15]使用丙酮缩甘油合成二羟基功能化氰基丙烯酸酯紫外光吸收化合物，通过水解释放两个羟基，从而引入到聚氨酯主链。将制得的 WPU 清漆涂覆于汽车钢板表面，并进行室外老化测试。结果表明，与不含紫外光吸收化合物的对照 WPU 清漆相比，该清漆的黄变现象和裂纹扩展得到了显著改善。丙酮缩甘油在其中起到了桥梁的作用，使得合成的二羟基功能化氰基丙烯酸酯能够有效地嵌入聚合物主链中，从而显著提高了聚合物的紫外光耐受性。
在制备 WPU 时，丙酮缩甘油不仅能作为聚合物的基体，还能利用结构中的活性羟基将功能单元引入体系，赋予材料多种功能，例如防水、抗污、阻燃等，增强 WPU 涂料在多种涂布环境中的适应性。
2.2 丙酮缩甘油作为WPU 涂料的添加组分
目前，WPU 的工业制备方法主要包括预聚体法和丙酮法。两种制备方法相似，都是先将二元醇、亲水性扩链剂与二异氰酸酯反应制备预聚体，随后将其溶于有机溶剂中，再分散于水中制备 WPU 分散体。两种方法的区别在于有机溶剂，预聚体法采用 N,N-二甲基甲酰胺（DMF）或 N-甲基-2-吡咯烷酮（NMP）溶解亲水性扩链剂和预聚体[16]。由于 DMF 和 NMP 的沸点高，且有毒有害，在实际生产和应用中存在极大的安全隐患，而丙酮法选用沸点相对低的丙酮作为溶剂，可以通过真空蒸馏除去 WPU 中的丙酮。然而，丙酮的溶解性较差，溶剂消耗量大，使用成本高，同时丙酮还易燃且有毒[17]。因此，丙酮法也存在一定的局限性。相较之下，丙酮缩甘油有望凭借其卓越的综合性能，为 WPU 的生产和应用提供更绿色、更安全的选择。
丙酮缩甘油除了能在 WPU 制备中帮助预聚体分散，还能在 WPU 涂料体系中发挥功能，改善涂料的涂布性能。Hauffe 等人[18]为解决当前皮革处理涂层中所用溶剂存在的气味强烈、易燃、高 VOCs 和健康风险等问题，提供了至少包含一种二氧六环衍生物（例如丙酮缩甘油）的皮革处理组合物，并将丙酮缩甘油与常用的丁基乙二醇进行比较。如表 1 所示，相比于丁基乙二醇，丙酮缩甘油具有较低的蒸发速率（TER）、更高的闪点、更低的毒性、更低的气味且在酸性条件下可生物降解，最大增量活性值（MIR）更低。丙酮缩甘油作为渗透剂替代乙二醇和丁基乙二醇配置皮革处理组合物，表现出与传统配方相似的性能，但具有更低的毒性、气味和更高的安全性，具有广泛的应用前景。
张鹏[19]报道了一种可剥离的临时 WPU 涂料及其制备方法，旨在解决现有技术中存在的气泡、 VOCs 以及其他环境危害问题。丙酮缩甘油在该临 时保护 WPU 涂料中用作慢干剂，添加量为 4~5 份，起到降低胶膜干燥速度的作用，从而防止堵塞现象的发生，并提高施工的适应性。同时，丙酮缩甘油通过减缓干燥速度，为气泡逸出提供了足够的时间窗 口，配合专用的消泡剂 NXZ 和流平剂，能够彻底消除因气泡导致的涂层缺陷，确保涂层的质量和性能。此外，低毒性的丙酮缩甘油配合水性体系，实现 VOCs 的减排，降低对环境的污染。该临时保护 WPU 涂料适用于塑料、金属和玻璃等材料表面的临时防护。
王荣芳等人[20]为解决 WPU 面漆无法适应高温低湿的极端施工环境的问题，提供了一种能适应这种极端环境并保持高光泽、高丰满度以及良好的机械性能和防护性能的双组分 WPU 面漆。该面漆的溶剂由丙酮缩甘油、二丙酮醇、3-甲氧 基-3-甲基-1-丁醇和丙二醇组成，四者的质量比为（1~2）∶（1~3）∶（1~3）∶（0~1）。其中，丙酮缩甘油在体系中发挥着关键作用：一方面，它能改善漆膜施工时的流平性，使涂装后的漆膜表面更加光滑平整；另一方面，由于丙酮缩甘油干燥速度相对较慢，可有效防止漆膜在干燥过程中出现爆泡，进一步改善面漆光泽。四种溶剂协同作用，使该 WPU 面漆在高温低湿环境下涂装后，漆膜的光泽度和综合性能均表现出色，展现出优异的施工适应性。
Denilson 等人[21]将丙酮缩甘油作为涂料成膜剂应用于工业、建筑和绘画涂料中。实验制备了八种配置剂制备聚氨酯清漆，综合比较干燥时间、光泽度、机械强度和耐化学性等性能，丙酮缩甘油作为成膜剂在性能方面的表现与现有技术相当，但用量更少（约为涂料总质量的0.1%~5%），可以替代乙基乙二醇乙酸酯、丁基乙二醇乙酸酯和丙二醇单甲醚乙酸酯等现有溶剂。
本团队将丙酮缩甘油作为生物基溶剂组分加入到分散染料喷墨印花墨水中，添加量为墨水总质量的4.5%~7.5%[22]。丙酮缩甘油在该水性墨水中起到保湿、改善表面张力和调节粘度的作用。制备的墨水保湿率为 17%，室温贮存 3 个月后，墨水粒径、表面张力、黏度和导电率基本不变，喷涂表现正常，打印烘干后具有较好的 K/S 值（ 13.50）、摩擦牢度 （5级）和皂洗牢度（5级）。
3 结论
文章探讨了丙酮缩甘油在 WPU 涂料领域的应用现状与未来发展前景。丙酮缩甘油作为一种源自生物的绿色材料，具备无毒、无刺激的显著特性，在 WPU 涂料的制备及施工环节均展现出卓越的优势。它能够显著提升涂料的耐水性、耐溶剂性以及机械强度，同时有效改善漆膜的光泽度与平滑度等性能指标。丙酮缩甘油的低气味、低毒性适应涂料的安全性要求，使其在环保与安全方面更具竞争力。在未来，随着环保要求的不断提高和技术的不断进步，丙酮缩甘油有望在涂料和胶粘剂行业中发挥重要作用，尤其是在提升产品性能和降低环境影响方面。
来源：《皮革科学与工程》2026, 36(1): 46-50
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