為了響應淨零排放趨勢，近年來用於皮革製品的聚氨酯材料已轉向環境友善、安全且無毒的水性化材料，使用關鍵材料 — CBDO單體開發新型聚酯多元醇來克服水性化材料耐水解性差的問題，並突破水性化材料應用於高階產品的限制。本文介紹工研院提供另一種原料選項來開發高耐磨性、良好的耐水解性且高韌性之水性聚氨酯材料，讓應用面除了皮革產業之外，也能拓展至其他如戶外運動、醫療器材等高值化應用領域。
前 言
聚氨酯(PU)的原料多元且廣泛，含有-NH-COO-基團，由強的氫鍵力與微相結構所組成，使其具有橡膠的硬韌彈性，又有塑料的強度以及優異的加工性能，已為全球不可或缺的重要材料之一。近年來因應應用端強調安全、環境友善、可循環使用、無毒的產業發展，以及各國紛紛制定法規來管制揮發性有機物(VOC)的排放量，國際知名品牌商如NIKE、Adidas、PUMA、H&M等大廠積極訴求使用環保材料與推動產業鏈實施危險化學物質零排放(ZDHC)，環保無害材料與產品已成為技術發展趨勢指標
高階產品要求較高物性表現，一般會選擇聚酯型聚氨酯，但是聚酯存在酯基易受水分子侵襲而發生斷裂的問題，而水解生成的酸又會加速催化進一步的水解，這也是聚酯型聚氨酯耐水解性極差的主要原因。通常一般聚酯型使用年限較聚醚型少，雖然聚酯類使用壽命較短，但是可承受較高的耐磨性與強度，所以產品還是選擇聚酯型聚氨酯作為原料。若要增加其耐水解性，會搭配聚醚多元醇使用，但會涉及多元醇的相容性與聚合程度的差異，並且衍生聚氨酯乳液安定性的問題；脂肪族聚碳酸酯(PCDL)為高物性之多元醇的象徵，價格高昂與其柔軟性不足，製備應用於皮革中只能部分添加，不然會使產品手感不佳，產品應用領域受到侷限；另一種原料是含有雙酚A (BPA)成分的聚碳酸酯(PC)多元醇，雙酚A屬於環境荷爾蒙的一種化合物，對於人體有致癌的健康疑慮，所以國際品牌大廠紛紛以不含雙酚A的材料取而代之，即為目前市面上常見的Tritan™材料。
水性聚氨酯用液態環脂肪族聚酯多元醇
由於CBDO的二元醇是屬於二級醇，其反應性較差，工研院利用反應時間及溫度的調控、觸媒選用與含量控制，增加二級醇之反應性。聚酯多元醇的製備方法是於催化劑存在下，讓二元酸與二元醇進行縮合聚合反應，如圖六，藉由調控醇酸間之比例、反應溫度-時間梯度以及減壓真空溫度-時間梯度來控制聚酯多元醇的分子量。
透過CBDO單體的導入，不同比例所製得的聚酯多元醇形態也不同。當CBDO占的比例越高，環狀結構讓整體結構呈現不規則排列，此時聚酯多元醇的外觀在室溫之下會從固態變成流動性高的液態並帶有透明性，增加聚氨酯樹脂聚合的操作性，不用另外耗能的加熱後導入，且可以增加原料間的相容性。
使用工研院開發的CBDO-based聚酯多元醇合成的自乳化水性聚氨酯，與國內廠商販售的PBA-based水性聚氨酯相比，膜材的100% Modulus較低，摸起來更柔軟舒適，但又保有一定水準的抗張強度與延伸率。經過耐水解試驗28天後，Tensile Strength物性維持率達75%，在耐水解性能上已媲美國外廠商販售的PC-based水性聚氨酯產品。相較之下PBA-based水性聚氨酯膜材，僅僅經過耐水解試驗7天，膜材大部分都已水解消失，可見其與CBDO-based水性聚氨酯膜材之間的耐水解性差異極大，如圖九。
為了拓寬水性聚氨酯使用物性規格區間，工研院將交聯官能基導入水性聚氨酯乳液中，藉由反應溫度、反應官能基的設計與製程程序的控制，得到乳液安定性良好的水性聚氨酯樹脂。
資料來源：材料世界網