水性雙組分聚氨酯涂料的研制和發(fā)展

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1、水性雙組分聚氨酯涂料的研制發(fā)展摘要隨著環(huán)境法規(guī)對(duì)涂料的揮發(fā)性有機(jī)化合物(VOC)含量的限制，高性能與低VOC含量相結(jié)合的雙組分水性聚氨酯涂料成為涂料工業(yè)發(fā)展的趨勢(shì)。采用三羥甲基丙烷(TMP)為擴(kuò)鏈劑合成具有交聯(lián)結(jié)構(gòu)的水性聚氨酯分散體多元醇，與多異氰酸酯固化劑組成雙組分水性聚氨酯涂料。研究發(fā)現(xiàn)雙組分涂膜的機(jī)械性能和外觀是由合成的水性聚氨酯多元醇的擴(kuò)鏈劑(TMP)含量、中和度、中和工藝和雙組分涂料的配比等決定的。當(dāng)擴(kuò)鏈劑含量為2%~4%，中和度為100%，NCO:OH=1.0~1.2時(shí)所得雙組分水性聚氨酯涂膜外觀好

2、、快干、硬度高和施工方便。本文綜述了水性雙組分聚氨酯涂料的合成、組成、性能和應(yīng)用研究新進(jìn)展。討論了副反應(yīng)對(duì)水性雙組分聚氨酯涂料成膜、活化期及涂膜外觀等的影響，并指出水性聚氨酯涂料的發(fā)展趨勢(shì)。關(guān)鍵詞：水性聚氨酯涂料；活化期；雙組分；應(yīng)用水性聚氨酯分散體；雙組分；涂料中圖分類號(hào)：TQ630.1;TQ630.495;O623.734文獻(xiàn)標(biāo)識(shí)碼雙組分聚氨酯涂料具有優(yōu)良的機(jī)械性能（涂膜硬度高、附著力強(qiáng)、耐磨性高等），良好的耐化學(xué)品性、耐候性和低溫成膜性能，廣泛應(yīng)用于工業(yè)防護(hù)、木器家具和汽車涂飾等方面。隨著各國環(huán)保法規(guī)的健

3、全和人們環(huán)保意識(shí)的增強(qiáng)，傳統(tǒng)溶劑型聚氨酯涂料中的揮發(fā)性有機(jī)化合物（VOC）的排放量受到愈來愈嚴(yán)格的限制。開發(fā)低污染、高性能、多功能的環(huán)保型水性涂料成為涂料技術(shù)發(fā)展的主要方向[1]。水性雙組分聚氨酯涂料將溶劑型雙組分聚氨酯涂料的高性能和水性涂料的低VOC排放相結(jié)合，成為涂料工業(yè)研究的熱點(diǎn)[2]。水性雙組分聚氨酯涂料是由含NCO基的低粘度多異氰酸酯固化劑(甲組分)和含OH基的水性多元醇(乙組分)組成，其涂膜性能主要由乙組分羥基樹脂的組成和結(jié)構(gòu)決定的。與溶劑型雙組分聚氨酯涂料不同，水性雙組分聚氨酯涂料的乙組分必須具有

4、良好的分散性能，能以盡量低的剪切能耗將甲組分很好的分散在水中。通常乙組分采用丙烯酸乳液多元醇，其主要缺點(diǎn)是對(duì)固化劑的分散能力差，施工時(shí)限短，涂膜外觀差[3]；采用丙烯酸分散體多元醇，存在粘度高、固體含量低和涂膜干燥速度較慢等缺點(diǎn)。目前水性聚氨酯分散體多為線性樹脂，它與固化劑配制的涂料干燥速度慢，硬度低。然而自乳化水性交聯(lián)型聚氨酯分散體多元醇具有較好的分散功能，與固化劑的相容性好，可通過調(diào)整氨基甲酸酯鍵的含量和交聯(lián)結(jié)構(gòu)來調(diào)整涂膜性能，得到具有優(yōu)異的物理機(jī)械性能和耐化學(xué)性能的涂膜。本文合成了具有交聯(lián)結(jié)構(gòu)的聚氨酯分散

5、體多元醇，用以配制性能優(yōu)異的水性雙組分聚氨酯涂料。1水性多元醇體系與溶劑型雙組分聚氨酯涂料相比，水性雙組分聚氨酯涂料的多元醇必須就有良好的分散性，即以盡量低的剪切能耗將憎水的多異氰酸酯固化劑很好的分散在水中。最早采用的多元醇為乳液型多元醇（粒徑為0.08~0.5μm），一般為通過乳液聚合合成的具有多種結(jié)構(gòu)的丙烯酸乳液多元醇，其主要特點(diǎn)為[4]:聚合物分子量大，配制雙組分涂料所需的多異氰酸酯用量小、成本低。Feng等人[3]采用統(tǒng)計(jì)方法優(yōu)選了羥基丙烯酸乳液的羥基含量、乳液粒徑、聚合物的玻璃化溫度等配方參數(shù)，獲得性

6、能優(yōu)異的水性雙組分聚氨酯木器涂料。乳液多元醇對(duì)多異氰酸酯固化劑的分散性較差，涂膜外觀較差，活化期較短。為了改善性能，提高乳液的分散性，常采用較高的乳液聚合溫度，提高引發(fā)劑和鏈轉(zhuǎn)移劑的濃度，降低聚合物相對(duì)分子質(zhì)量和乳液粒徑等，只是聚合溫度受水的沸點(diǎn)所限，較高濃度的引發(fā)劑和鏈轉(zhuǎn)移劑會(huì)影響聚合物性能（如出現(xiàn)單體轉(zhuǎn)化率低、毒性和顏色深等缺陷）。此外，有親水單體參與的乳液聚合，親水組分會(huì)發(fā)生遷移，使得合成的聚合物結(jié)構(gòu)分布不均勻，特別是羥基官能度分布較寬，會(huì)縮短雙組分涂料的活化期。因此，采用乳液型多元醇配制的雙組分聚氨酯涂

7、膜的外觀和性能不理想，即使采用改性的親水多異氰酸酯固化劑，或采用高剪切力混合設(shè)備，要得到性能優(yōu)異的涂膜仍有困難。為了改善多元醇的分散性，提高水性雙組分聚氨酯涂料的性能，目前研究較多的是采用分散體型多元醇（粒徑小于0.08μm），也稱第二代水性羥基樹脂[5]。該多元醇首先在有機(jī)溶劑中合成分子結(jié)構(gòu)中含有親水離子或非離子鏈段的樹脂，然后將樹脂熔體或溶液分散在水中得到。其有點(diǎn)為乳液粒徑小，聚合物結(jié)構(gòu)和相對(duì)分子質(zhì)量及其分布較易控制，涂膜外觀好等；缺點(diǎn)是聚合物分散到水中后，有機(jī)溶劑必須脫除，增加合成成本；另外，聚合物在水中

8、的分散過程往往發(fā)生相轉(zhuǎn)移，體系粘度會(huì)急劇增大，形成高粘度低固含量的分散體，降低施工固體分，不利于雙組分體系的物理成膜；親水離子或鏈段的存在會(huì)降低雙組分涂膜的耐水性和耐溶劑性等。根據(jù)化學(xué)結(jié)構(gòu)將分散體多元醇和雜合多元醇等。其中，丙烯酸多元醇分散體具有較低的分子量，較高的羥基官能度，涂膜交聯(lián)密度高，且具有良好的耐溶性、耐化學(xué)品性和耐候性。與丙烯酸乳液多元醇相比，丙烯酸分散體多元醇配制的涂料流