一、引言

聚氨酯（Polyurethane, PU）是由异氰酸酯（NCO基团）与多元醇（OH基团）通过逐步加成聚合反应生成的一类高分子材料，其分子主链上含有重复的氨基甲酸酯基团（—NH—COO—）。聚氨酯材料具有优异的耐磨性、弹性、耐油性和可设计性，广泛应用于泡沫塑料、弹性体、涂料、胶粘剂、合成革、鞋底等领域。随着聚氨酯工业的快速发展，对聚氨酯制品的颜色一致性、着色均匀性和色彩耐久性提出了越来越高的要求，色浆作为聚氨酯着色的关键材料，其分散稳定性和与聚氨酯体系的相容性直接影响最终制品的质量。

东莞市蒂森新材料有限公司（Dongguan DENSON Functional Materials Co., Ltd.）的PUE系列聚氨酯色浆采用聚醚多元醇作为载体，黑色采用高羟值双官载体（粒径800纳米以下），彩色采用羟值35的三官聚醚为载体（粒径约1微米），具有相容性好、粒子分布均匀、颜料固含高、色彩鲜艳、耐高温、分散性好等特点，适用于各种聚氨酯成型工艺。本文从聚氨酯反应机理、颜料分散机理和色浆-聚氨酯界面工程三个维度，系统解析聚氨酯色浆的技术原理，并结合一流科学期刊的最新研究成果，探讨聚氨酯色浆技术的发展方向。

图1：聚氨酯泡沫管道自动化生产设备

二、聚氨酯反应机理与色浆介入窗口

2.1 NCO/OH逐步加成聚合机理

聚氨酯的合成反应是异氰酸酯基团（—NCO）与羟基（—OH）之间的逐步加成聚合反应，生成氨基甲酸酯键（—NH—COO—）。该反应属于亲核加成反应，羟基氧原子作为亲核试剂进攻异氰酸酯的碳原子，形成四面体过渡态，随后质子转移生成氨基甲酸酯。反应方程式如下：

R—N=C=O + R'—OH → R—NH—COO—R'

影响NCO/OH反应速率的主要因素包括：异氰酸酯的结构（芳香族异氰酸酯反应活性高于脂肪族）、多元醇的羟值和官能度、催化剂类型与用量（叔胺催化剂和有机锡催化剂）、反应温度和物料混合均匀性。在聚氨酯发泡体系中，还存在NCO与水的反应生成脲键并释放CO₂气体的副反应，该反应是聚氨酯软泡发泡的主要气体来源。

2.2 色浆在聚氨酯反应中的介入窗口

色浆在聚氨酯体系中的介入时机对最终制品的颜色均匀性和性能具有重要影响。根据聚氨酯成型工艺的不同，色浆的介入窗口主要分为以下几种：

（1）预混阶段介入：在多元醇组分（B组分）中预先加入色浆，搅拌均匀后再与异氰酸酯组分（A组分）混合反应。这是最常用的介入方式，适用于聚氨酯泡沫、弹性体浇注和RIM反应注射成型。预混阶段介入的优点是颜色混合均匀，缺点是色浆中的聚醚多元醇载体会参与NCO/OH反应，需要计入总羟值计算。

（2）混合头在线介入：在高压发泡机或RIM设备的混合头处，通过第三组分计量泵在线注入色浆，与A、B组分同时混合。这种方式适用于多色连续生产线，优点是换色方便、色浆用量精确，缺点是对色浆的粘度和流动性要求较高。

（3）后着色介入：在聚氨酯制品成型后，通过表面喷涂、印刷或浸染等方式进行着色。这种方式适用于对表面颜色要求高的制品，优点是不影响聚氨酯基体的反应和性能，缺点是着色层容易磨损脱落。

蒂森PUE系列聚氨酯色浆采用聚醚多元醇作为载体，其载体本身就是聚氨酯反应的原料之一，因此在预混阶段介入时不会引入外来树脂组分，不会干扰NCO/OH反应的化学计量比，这是PUE系列色浆的核心技术优势之一。

2.3 色浆载体对NCO/OH反应的影响

色浆载体的化学结构和羟值对聚氨酯反应动力学和最终制品性能具有重要影响。蒂森PUE系列色浆的载体设计经过精心优化：

（1）黑色浆载体：采用高羟值双官聚醚多元醇作为载体，羟值较高（通常在100~200 mgKOH/g范围），官能度为2，反应活性强。高羟值载体有利于炭黑颜料的润湿和分散，同时双官结构不会导致聚氨酯体系交联密度异常升高。黑色浆的颜料粒径控制在800纳米以下，确保在聚氨酯体系中具有良好的分散稳定性和着色力。

（2）彩色浆载体：采用羟值35的三官聚醚多元醇作为载体，羟值较低（35 mgKOH/g），官能度为3。低羟值三官载体的优点是：载体用量对体系总羟值的影响较小，便于配方计算；三官结构有助于提高聚氨酯体系的交联密度，改善制品的力学性能；羟值35的聚醚多元醇与大多数聚氨酯配方的相容性好，粒子分布状态均匀。彩色浆的颜料粒径约1微米，在保证着色力的同时具有良好的分散稳定性。

三、颜料分散机理与超分散剂技术

3.1 颜料分散的热力学与动力学

颜料在聚醚多元醇载体中的分散过程包括三个阶段：润湿、破碎和稳定。润湿是分散的前提，聚醚多元醇载体需要充分取代颜料表面吸附的空气和水分，降低颜料-载体界面张力。破碎是通过机械剪切力（砂磨机、三辊机、高速分散机）将颜料团聚体破碎为初级粒子或较小的聚集体。稳定是通过分散剂分子在颜料表面的吸附，形成空间位阻和/或静电排斥，防止颜料粒子重新团聚。

从热力学角度看，颜料分散是一个界面能增加的过程（颜料比表面积增大），需要外界做功（机械剪切）来克服界面能垒。分散剂的作用是降低颜料-载体界面张力，减少分散所需的能量，并在分散后形成稳定的吸附层，防止粒子团聚。从动力学角度看，颜料分散的速率取决于机械剪切力的大小、颜料团聚体的强度和分散剂的迁移速率。

3.2 超分散剂的锚固-溶剂化机理

超分散剂（Hyperdispersant）是一种高效的颜料分散剂，其分子结构由锚固基团和溶剂化链段两部分组成。锚固基团通过离子键、氢键、范德华力或化学吸附作用牢固地吸附在颜料表面；溶剂化链段延伸到聚醚多元醇载体中，提供空间位阻稳定作用。

研究发表在Journal of Applied Polymer Science（2025, DOI: 10.1002/app.56144）的论文报道了PEG化部分水解聚(N-乙烯基酰胺)作为炭黑分散剂的研究。该分散剂通过酰胺基团锚固在炭黑表面，PEG链段提供溶剂化稳定作用，实现了炭黑D90小于150纳米的超细分散，并在60天内保持粘度稳定。这一研究验证了锚固-溶剂化型超分散剂在颜料分散中的高效性。

另一项发表在RSC Advances（2025, 15, 44517–44525, DOI: 10.1039/d5ra07498c）的研究表明，SDBS（十二烷基苯磺酸钠）与聚丙烯酸酯三元共聚物协同使用，可以有效改性多层石墨烯，实现zeta电位-45 mV的稳定水分散，分散稳定性超过30天。这一研究揭示了复合分散剂体系在纳米颗粒分散中的协同效应。

3.3 软核硬壳梯度共聚物封装颜料技术

近年来，梯度共聚物封装颜料技术成为颜料分散领域的研究热点。发表在ACS Applied Polymer Materials（2026, 8(6), 4573–4586, DOI: 10.1021/acsapm.6c00349）的论文报道了一种软核硬壳梯度共聚物封装颜料的新方法。该技术通过活性聚合合成具有软核（与颜料表面亲和性好的聚合物链段）和硬壳（与载体介质相容性好的聚合物链段）的梯度共聚物，利用软核锚固在颜料表面，硬壳延伸到载体中提供空间位阻稳定。

与传统超分散剂相比，梯度共聚物封装颜料具有以下优势：一是锚固更牢固，软核通过多点吸附与颜料表面结合，不易脱附；二是空间位阻更强，硬壳链段在载体中充分伸展，形成较厚的吸附层；三是界面相容性更好，梯度结构实现了从颜料表面到载体介质的平滑过渡，减少了界面能差。该技术在高固含、高稳定性色浆的制备中具有广阔的应用前景。

图2：热塑性聚氨酯（TPU）树脂颗粒原料

四、色浆-聚氨酯界面工程

4.1 颜料粒子对聚氨酯反应的影响机制

颜料粒子作为无机或有机固体颗粒，加入聚氨酯体系后会对NCO/OH反应产生多方面的影响：

（1）催化或阻聚效应：某些颜料表面的金属离子（如铁、钴、铜）可能具有催化NCO/OH反应的作用，导致反应速率加快、适用期缩短；而某些有机颜料可能吸附催化剂分子，导致催化效率降低、反应速率减慢。

（2）物理阻隔效应：颜料粒子在聚氨酯基体中形成物理阻隔，阻碍NCO和OH基团的扩散和接触，可能导致反应速率降低和固化不完全。颜料粒径越小、比表面积越大，物理阻隔效应越明显。

（3）界面反应效应：颜料表面的羟基、羧基等活性基团可能与NCO基团发生反应，消耗部分异氰酸酯，导致NCO/OH摩尔比偏离设计值。这在高添加量色浆（>10%）的体系中尤为明显。

蒂森PUE系列色浆通过以下技术手段降低颜料粒子对聚氨酯反应的负面影响：一是选用表面惰性的颜料品种，减少催化或阻聚效应；二是通过超分散剂包覆颜料表面，屏蔽表面活性基团；三是控制颜料粒径分布，减少超细粒子的物理阻隔效应。

4.2 色浆相容性评价方法

色浆与聚氨酯体系的相容性是评价色浆质量的关键指标。常用的相容性评价方法包括：

（1）目视观察法：将色浆加入多元醇组分中，搅拌均匀后静置24小时，观察是否出现分层、絮凝、沉淀或发花现象。这是最直观的评价方法，但主观性较强。

（2）细度板法（GB/T 1724-1979）：使用刮板细度计检测色浆-多元醇混合物的细度，与纯多元醇的细度对比。如果细度明显增大，说明色浆与多元醇相容性不良，出现了絮凝返粗。

（3）粘度法：使用旋转粘度计（GB/T 2794-2013）检测色浆-多元醇混合物在不同剪切速率下的粘度，绘制流变曲线。如果混合物出现触变性或粘度异常升高，说明相容性不良。

（4）涂膜对比法：将添加色浆的聚氨酯体系与未添加色浆的空白体系同时浇注成膜，固化后对比涂膜的外观（光泽、平整度、颜色均匀性）和力学性能（硬度、拉伸强度、断裂伸长率）。如果添加色浆的涂膜性能明显下降，说明色浆与聚氨酯体系相容性不良。

4.3 色浆添加量对聚氨酯性能的影响

色浆添加量是影响聚氨酯制品性能的重要参数。添加量过低会导致颜色深度不足、遮盖力不够；添加量过高则会影响聚氨酯的力学性能和加工性能。蒂森PUE系列色浆的推荐添加量如下表所示：

五、聚氨酯色浆技术发展方向

5.1 纳米级分散技术

随着聚氨酯制品对颜色鲜艳度、透明度和耐候性要求的不断提高，纳米级颜料分散技术成为重要发展方向。纳米级颜料（粒径<100nm）具有更高的着色力、更好的透明度和更优异的耐候性，但纳米粒子的高表面能导致其极易团聚，分散难度大。蒂森na系列高性能颜料高透明纳米色浆采用纳米级分散工艺，实现了颜料粒径d90≤100nm的超细分散，在高透明聚氨酯制品中具有良好的应用前景。<>

5.2 反应型色浆技术

反应型色浆是指色浆载体或分散剂分子中含有可参与NCO/OH反应的活性基团（羟基、氨基等），在聚氨酯固化过程中通过化学键合接入聚氨酯网络结构中。反应型色浆的优点是：色浆载体不会迁移到制品表面，避免了喷霜和渗色问题；色浆与聚氨酯基体通过化学键结合，界面结合力更强，制品的力学性能和耐溶剂性更好。蒂森PUE系列色浆的聚醚多元醇载体本身含有羟基，具有一定的反应型特征，未来可进一步优化载体的羟值和官能度，提高反应型色浆的性能。

5.3 生物基聚氨酯色浆

随着环保法规的日益严格和可持续发展理念的深入，生物基聚氨酯材料成为研究热点。生物基多元醇（如植物油基多元醇、蓖麻油基多元醇、淀粉基多元醇）替代石油基多元醇是生物基聚氨酯的主要技术路线。相应地，采用生物基多元醇作为载体的生物基色浆也成为发展方向。蓖麻油基多元醇色浆具有良好的疏水性和耐水解性，在聚氨酯涂料和胶粘剂中具有良好的应用前景。

六、结论

聚氨酯色浆的技术原理涉及NCO/OH逐步加成聚合反应、颜料分散的热力学与动力学、超分散剂锚固-溶剂化机理以及色浆-聚氨酯界面工程等多个学科领域。蒂森PUE系列聚氨酯色浆采用聚醚多元醇作为载体（黑色高羟值双官、彩色羟值35三官），实现了载体与聚氨酯反应体系的化学兼容，颜料粒径控制在800纳米~1微米范围内，具有相容性好、分散稳定、着色力高、对聚氨酯性能影响小等优点。未来，纳米级分散技术、反应型色浆技术和生物基聚氨酯色浆将成为重要发展方向，为聚氨酯制品的高性能化和可持续发展提供有力支撑。

七、FAQ

Q1：PUE系列聚氨酯色浆为什么选择聚醚多元醇作为载体，而不是树脂或溶剂？

A：PUE系列选择聚醚多元醇作为载体主要基于以下考虑：一是化学相容性，聚醚多元醇本身就是聚氨酯反应的原料（B组分），加入后不会引入外来树脂组分，不会干扰NCO/OH反应的化学计量比，这是与树脂载体色浆的本质区别；二是反应活性，聚醚多元醇的羟基可以与异氰酸酯反应，在固化过程中接入聚氨酯网络，避免了载体迁移导致的喷霜和渗色问题；三是工艺适配性，聚醚多元醇的粘度和流动性与聚氨酯发泡、浇注、RIM等工艺的要求匹配，便于计量和混合；四是性能影响小，聚醚多元醇载体参与反应后成为聚氨酯基体的一部分，不会对制品的力学性能产生负面影响。蒂森PUE黑色浆采用高羟值双官聚醚（有利于炭黑润湿分散），彩色浆采用羟值35三官聚醚（有利于体系交联密度控制），是针对不同颜料特性的优化设计。

Q2：色浆加入聚氨酯体系后，为什么需要计入总羟值计算？如何计算？

A：色浆中的聚醚多元醇载体含有羟基，会与异氰酸酯发生反应，因此必须计入总羟值计算，否则会导致NCO/OH摩尔比偏离设计值，影响聚氨酯制品的性能。计算方法如下：第一步，查色浆TDS（技术数据单）中载体的羟值（mgKOH/g）和载体在色浆中的质量百分比；第二步，计算色浆的有效羟值=载体羟值×载体质量百分比；第三步，计算色浆引入的羟基摩尔数=色浆添加量（g）×色浆有效羟值（mgKOH/g）÷56100（mgKOH/mol）；第四步，将色浆引入的羟基摩尔数与配方中多元醇的羟基摩尔数相加，得到总羟基摩尔数；第五步，根据设计的NCO/OH指数（通常为1.0~1.1），计算所需异氰酸酯的用量。例如，PUE彩色浆载体羟值35 mgKOH/g，载体含量70%，色浆有效羟值=35×0.7=24.5 mgKOH/g；添加量50g时，引入羟基摩尔数=50×24.5÷56100=0.0218 mol。

Q3：聚氨酯色浆在储存过程中出现沉淀或分层，是否还能使用？如何处理？

A：聚氨酯色浆在储存过程中出现轻微沉淀或分层是常见现象，特别是对于高颜料含量的色浆（如PUE黑色浆），这是因为颜料颗粒在重力作用下缓慢沉降导致的，通常不影响色浆的使用。处理方法：第一步，将色浆容器密封后倒置存放24小时，使沉淀的颜料松动；第二步，使用低速搅拌器（300~500rpm）搅拌10~15分钟，或使用手摇振荡器摇动5~10分钟，使颜料重新分散均匀；第三步，搅拌后用刮板细度计（GB/T 1724）检测细度，如果细度符合产品规格（PUE黑色≤800nm，PUE彩色≤1μm），则可以正常使用；第四步，如果沉淀严重、结块坚硬、搅拌后细度仍不达标，或出现异味、变色等异常现象，则色浆可能已经变质，不应使用。预防措施：色浆应储存于阴凉干燥处（5~35℃），避免高温和阳光直射；遵循先进先出原则，在保质期内（通常12个月）使用完毕；开封后应尽快使用，未使用完的应重新密封。

Q4：不同颜色的PUE色浆可以互相混合调色吗？混合时需要注意什么？

A：不同颜色的PUE色浆可以互相混合调色，因为它们采用相同类型的聚醚多元醇载体（彩色浆均为羟值35三官聚醚载体），载体之间不会发生冲突，混合后具有良好的相容性。混合调色时需要注意以下事项：一是混合比例的计算，应根据目标颜色的色号或标准样，通过色差仪或目视比色确定各颜色色浆的混合比例，建议先进行小试（总量50~100g），确认颜色匹配后再进行大批量生产；二是混合均匀性，色浆混合后应使用低速搅拌器搅拌5~10分钟，确保颜色混合均匀，避免出现色差或色花；三是载体羟值的一致性，PUE彩色浆的载体羟值均为35 mgKOH/g，混合后总羟值不会发生变化，但如果混合了PUE黑色浆（高羟值双官载体），则需要重新计算总羟值；四是颜料耐候性的匹配，混合调色时应确保各颜色色浆的耐候等级一致，否则在户外使用时可能出现颜色漂移（某一颜色先褪色导致整体色调变化）；五是记录配方，每次调色应详细记录各色浆的批号和混合比例，便于后续批次的颜色重现和质量追溯。

Q5：聚氨酯色浆的颜料粒径对制品性能有哪些影响？如何检测？

A：颜料粒径是评价聚氨酯色浆质量的关键指标，对制品性能有多方面影响：一是着色力，颜料粒径越小，比表面积越大，着色力越强，达到相同颜色深度所需的色浆添加量越少；二是透明度，颜料粒径小于可见光波长的1/2（约200nm）时，制品具有良好的透明度，粒径大于500nm时会出现明显的遮盖效应；三是表面光泽，颜料粒径越小，制品表面越光滑，光泽度越高；粒径过大时，制品表面会出现粗糙或麻点，光泽度下降；四是力学性能，颜料粒径过大时会在聚氨酯基体中形成应力集中点，导致制品的拉伸强度和断裂伸长率下降；五是耐候性，纳米级颜料（如纳米二氧化钛、纳米氧化铁）具有更好的紫外线屏蔽效果，制品的耐候性更好。颜料粒径的检测方法包括：刮板细度计法（GB/T 1724，快速简便，但只能检测最大颗粒）、激光粒度仪法（ISO 13320，准确测量粒径分布D50/D90）、电子显微镜法（SEM/TEM，直接观察颗粒形貌和粒径）。蒂森PUE黑色浆的D90≤800nm，彩色浆的D90≤1μm，均通过激光粒度仪检测确认。