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0 前 言 聚氨酯涂料综合性能非常优良，在大巴车、轨道交通、工程机械等领域广泛应用，随着涂料消费税新政策的推出，如何在生产与施工环节有效减少可挥发性有机物(VOC)的排放已成为当前工业涂料面临的现实问题。因此，亟需研制一种综合性能优良、可挥发性有机物(VOC)排放小的聚氨酯涂料。水性聚氨酯涂料(双组分)主要以水作为分散剂，既能满足聚氨酯涂料性能要求，又能符合环保要求。 水性涂料普遍存在耐水性差的缺陷，为克服此缺陷，本文重点从研磨工艺、分散剂的分散效率、高羟水性羟基丙烯酸分散体以及水性多异氰酸酯固化剂配比、流平剂、基材润湿剂和增稠剂等影响涂膜耐水性的因素进行实验探讨，制备了具有优良的耐水性，优异的涂膜机械性能、耐介质性和良好的保光保色性双组分水性聚氨酯色漆。 1 实验部分 1.1 主要原材料(见表1)  1.2 基础配方(见表2、表3)   1.3 制备方法 树脂研磨色漆制备工艺：在分散容器中准确加入水性羟基丙烯酸树脂分散体，将分散容器固定在高速分散机搅拌杆中心，在低速500 r/min下依次缓缓加入分散剂、润湿剂、消泡剂、基材润湿剂后，提高转速至1 000 r/min高速分散10 min；降低分散机转速至500 r/min，加入钛白粉、炭黑等颜料；提高转速1 500r/min分散30 min后，置入砂磨机研磨至细度合格；在500 r/min转速下缓缓加入助溶剂、防爆泡剂、增稠剂、流平剂；提高转速至1 200 r/min继续分散30 min，即得双组分水性聚氨酯A组分。 无树脂研磨色漆制备漆工艺；在分散容器中准确加入水，将分散容器固定在高速分散机搅拌杆中心，在低速500 r/min下依次缓缓加入分散剂、润湿剂、消泡剂、基材润湿剂后，提高转速至1 000 r/min高速分散10 min；降低分散机转速至500 r/min，加入钛白粉、炭黑等颜料，提高转速1 500 r/min分散30 min后，置入砂磨机研磨至细度合格；在500 r/min转速下缓缓加入水性羟基丙烯酸树脂分散体、助溶剂、防爆泡剂、增稠剂、流平剂；提高转速至1 200 r/min继续分散30 min，即得双组分水性聚氨酯A组分。 亲水性多异氰酸酯固化剂制备：要求避免在潮湿环境下进行操作，在容器中准确称量亲水性多异氰酸酯固化剂，500 r/min转速下依次加入PMA、DMM后，继续搅拌分散2 min，即得双组分水性聚氨酯B组分。 1.4 试板的制备及技术要求 实验板制备：配漆A组分10份、B组分2份混合后，使用搅拌机在1 500 r/min，充分搅拌2～3 min，静置10 min消泡，再加入2～2.5份去离子水搅拌均匀，静置10 min消泡。空气喷涂制板，涂膜厚度按照GB/T13452.2—2008要求制作并恒温室养护7 d。技术要求见表4。
 2 结果与讨论 2.1 制漆工艺及分散剂的分散效率对涂膜耐水性的影响 无树脂研磨色漆与有树脂研磨色漆比较，无树脂研磨色漆涂膜耐水性优异，测试耐水性2 000 h不起泡、不失光，而有树脂研磨色漆测试耐水性500 h起泡。目前双组分水性聚氨酯工业涂料，使用的分散剂是含颜料亲和基团的高分子共聚物，其通过空间位阻使颜料解絮凝。 无树脂研磨色浆工艺，分散剂在分散、研磨颜料过程中含有对颜料表面有强吸附(锚定)作用的基团或特殊链段，在没有羟基丙烯酸分散体竞争情况下更加容易润湿到颜料表面，如图1。  分散过程中颜料聚集体被破坏，分解成较小颜料聚集体(原级粒子体，很难被打开，因为彼此间非常牢固地面对面吸引在一起，生产涂料的研磨设备机械力不足以破坏原级粒子间吸引力)，较小颜料聚集体的形成伴随着在液体介质中界面积的增加，界面张力越高，降低它们的界面积驱动力就越大，导致颗粒重新团聚形成絮凝。而使用水性高分子分散剂，分散剂的特殊链段，通过离子键、偶极作用或氢键可与颜料表面发生强烈地相互作用(如图2)，若干个官能团锚定在较小颜料聚集体表面，而提供空间位阻的支链的排斥和相互牵制效应迫使靠近的较小颜料聚集体分开在临界距离之外，由于在分散研磨过程中没有水性树脂与高分子分散剂竞争，分散剂能充分锚定在颜料表面，未锚定在颜料表面的分散剂很少，分散剂的分散效率高。  细度达标的色浆经过水性羟基丙烯酸分散体调漆后，水性羟基丙烯酸分散体对由若干个官能团锚定在较小颜料表面的聚集体重新润湿、包裹(如图3)，重新形成稳定的悬浮液。  双组分水性聚氨酯施工前加入水性聚氨酯固化剂，水性聚氨酯固化剂均匀分散在体系中，在涂膜干燥过程中固化剂—NCO与树脂—OH交联反应后变成网状耐水优异的大分子结构。交联后的网状耐水优异的大分子结构把水溶性的由若干个官能团锚定在较小颜料表面的聚集体重再次重新包裹，亲水性分散剂被包裹在里面，被包裹的分散剂不降低涂膜耐水性。而树脂研磨色浆工艺由于水性丙烯酸分散体与分散剂竞争没有锚定在颜料表面上的分散剂相对无树脂研磨工艺多，未锚定在颜料表面的分散剂，固化交联后游离在耐水优异的网状大分子结构以外，故涂膜完全固化后耐水性显著降低耐水500 h后起泡。图4、图5是2 000 h后耐水性的比较。   2.2 水性羟基丙烯酸分散体对涂膜耐水性的影响 水性羟基丙烯酸分散体是主要成膜基料，决定了涂膜主要功能，其中也影响涂膜的耐水性。高性能的水性羟基丙烯酸树脂是双组分聚氨酯涂料成功的最关键因素之一。水性羟基丙烯酸分散体固体分在35%～50%，羟值在70～140 mgkOH/g。在水性聚氨酯涂料配方中，选择固化后耐水优异、机械性能优良、光泽高、耐老化性优异的水性羟基丙烯酸分散体。不同厂家不同型号水性羟基丙烯酸分散体固化后耐水性见表5。  由表5可以看出，选择2042水性羟基分散体，其固化交联密度高(羟值140)，固化后耐水性好，性能接近进口的A2646及A2470、价格优势明显。 2.3 亲水性多异氰酸酯固化剂配比对涂膜耐水性的影响 亲水性多异氰酸酯是涂膜组成重要组成部分，影响涂膜干燥时间、耐水性、耐酸碱、光泽。磺酸盐改性脂肪族异氰酸酯，具有高光、干燥速度快、耐水性优等特点。因固化剂能与涂料中的水或胺中和剂发生反应消耗部分—NCO，正常的配比会导致—OH与—NCO交联不完全，所以水性多异氰酸酯固化剂需过量。亲水性多异氰酸酯固化剂与A组分配比对耐水性的影响见表6。  由表6可以看出，当n(—OH)︰n(—NCO)＝1.3～1.5，形成的涂膜有良好硬度、耐水性表现，综合成本因素，选择n(—OH)︰n(—NCO)＝1.3。 2.4 水性流平剂和基材润湿剂对涂膜耐水性的影响 水性聚氨酯涂料溶剂主要是水，水极性大，容易导致水性聚氨酯涂料流平润湿性差，造成涂膜易缩孔，通过添加基材润湿剂和水性流平剂可以解决润湿性差的问题。水性基材润湿剂和流平剂都具有水溶性特点，加入后都会降低涂膜耐水性。选择能有效降低静态和动态表面张力的4100润湿剂，添加量小，加入总量0.4%就能有效改善对多种基材的润湿；选择强烈降低表面张力、消除缩孔的BYK333流平剂，添加量小，加入总量0.1%能解决涂膜缩孔等弊病。 2.5 水性增稠剂对涂膜耐水性的影响 水性聚氨酯涂料黏度偏低，一般不大于50 KU，贮存易出现颜料沉淀、施工流挂等现象，只有通过添加合适的水性增稠剂改善贮存稳定性及施工性问题。但水性增稠剂含亲水基团多，能与水形成较强的作用力，加入后会明显降低涂膜的耐水性，必须严格控制增稠剂加入量，有效减少增稠剂对涂膜耐水性的副作用。因为缔合型聚氨酯增稠剂耐水性优于碱溶胀型增稠剂和无机增稠剂。选择缔合型聚氨酯增稠剂105A，加入总量0.3%～0.5%，增稠效果强，斯托默黏度＞80 KU，而且有效减少增稠剂对涂膜耐水性的影响。 3 结 语 以高羟水性羟基丙烯酸分散体为主要成膜物、以亲水性多异氰酸酯为固化剂，选用合适配比，采用无树脂研磨色漆工艺，选用合适的助剂并严格控制加入量，制备出了涂膜具有优良耐水性、良好机械性能、优良装饰性、长久的保光保色性的双组分水性聚氨酯色漆。制成的产品VOC低，施工条件下VOC可控制在110 g/L以下，可低温烘烤或常温自干，具有环保、节能等特点和广泛的施工性能，在大巴车、轨道交通、工程机械等领域可完全替代传统溶剂型聚氨酯涂料。 |
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