水性双组分聚氨酯涂料的研制和发展

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1、水性双组分聚氨酯涂料的研制发展摘要随着环境法规对涂料的挥发性有机化合物(VOC)含量的限制，高性能与低VOC含量相结合的双组分水性聚氨酯涂料成为涂料工业发展的趋势。采用三羟甲基丙烷(TMP)为扩链剂合成具有交联结构的水性聚氨酯分散体多元醇，与多异氰酸酯固化剂组成双组分水性聚氨酯涂料。研究发现双组分涂膜的机械性能和外观是由合成的水性聚氨酯多元醇的扩链剂(TMP)含量、中和度、中和工艺和双组分涂料的配比等决定的。当扩链剂含量为2%~4%，中和度为100%，NCO:OH=1.0~1.2时所得双组分水性聚氨酯涂膜外观好

2、、快干、硬度高和施工方便。本文综述了水性双组分聚氨酯涂料的合成、组成、性能和应用研究新进展。讨论了副反应对水性双组分聚氨酯涂料成膜、活化期及涂膜外观等的影响，并指出水性聚氨酯涂料的发展趋势。关键词：水性聚氨酯涂料；活化期；双组分；应用水性聚氨酯分散体；双组分；涂料中图分类号：TQ630.1;TQ630.495;O623.734文献标识码双组分聚氨酯涂料具有优良的机械性能（涂膜硬度高、附着力强、耐磨性高等），良好的耐化学品性、耐候性和低温成膜性能，广泛应用于工业防护、木器家具和汽车涂饰等方面。随着各国环保法规的健

3、全和人们环保意识的增强，传统溶剂型聚氨酯涂料中的挥发性有机化合物（VOC）的排放量受到愈来愈严格的限制。开发低污染、高性能、多功能的环保型水性涂料成为涂料技术发展的主要方向[1]。水性双组分聚氨酯涂料将溶剂型双组分聚氨酯涂料的高性能和水性涂料的低VOC排放相结合，成为涂料工业研究的热点[2]。水性双组分聚氨酯涂料是由含NCO基的低粘度多异氰酸酯固化剂(甲组分)和含OH基的水性多元醇(乙组分)组成，其涂膜性能主要由乙组分羟基树脂的组成和结构决定的。与溶剂型双组分聚氨酯涂料不同，水性双组分聚氨酯涂料的乙组分必须具有

4、良好的分散性能，能以尽量低的剪切能耗将甲组分很好的分散在水中。通常乙组分采用丙烯酸乳液多元醇，其主要缺点是对固化剂的分散能力差，施工时限短，涂膜外观差[3]；采用丙烯酸分散体多元醇，存在粘度高、固体含量低和涂膜干燥速度较慢等缺点。目前水性聚氨酯分散体多为线性树脂，它与固化剂配制的涂料干燥速度慢，硬度低。然而自乳化水性交联型聚氨酯分散体多元醇具有较好的分散功能，与固化剂的相容性好，可通过调整氨基甲酸酯键的含量和交联结构来调整涂膜性能，得到具有优异的物理机械性能和耐化学性能的涂膜。本文合成了具有交联结构的聚氨酯分散

5、体多元醇，用以配制性能优异的水性双组分聚氨酯涂料。1水性多元醇体系与溶剂型双组分聚氨酯涂料相比，水性双组分聚氨酯涂料的多元醇必须就有良好的分散性，即以尽量低的剪切能耗将憎水的多异氰酸酯固化剂很好的分散在水中。最早采用的多元醇为乳液型多元醇（粒径为0.08~0.5µm），一般为通过乳液聚合合成的具有多种结构的丙烯酸乳液多元醇，其主要特点为[4]:聚合物分子量大，配制双组分涂料所需的多异氰酸酯用量小、成本低。Feng等人[3]采用统计方法优选了羟基丙烯酸乳液的羟基含量、乳液粒径、聚合物的玻璃化温度等配方参数，获得性

6、能优异的水性双组分聚氨酯木器涂料。乳液多元醇对多异氰酸酯固化剂的分散性较差，涂膜外观较差，活化期较短。为了改善性能，提高乳液的分散性，常采用较高的乳液聚合温度，提高引发剂和链转移剂的浓度，降低聚合物相对分子质量和乳液粒径等，只是聚合温度受水的沸点所限，较高浓度的引发剂和链转移剂会影响聚合物性能（如出现单体转化率低、毒性和颜色深等缺陷）。此外，有亲水单体参与的乳液聚合，亲水组分会发生迁移，使得合成的聚合物结构分布不均匀，特别是羟基官能度分布较宽，会缩短双组分涂料的活化期。因此，采用乳液型多元醇配制的双组分聚氨酯涂

7、膜的外观和性能不理想，即使采用改性的亲水多异氰酸酯固化剂，或采用高剪切力混合设备，要得到性能优异的涂膜仍有困难。为了改善多元醇的分散性，提高水性双组分聚氨酯涂料的性能，目前研究较多的是采用分散体型多元醇（粒径小于0.08μm），也称第二代水性羟基树脂[5]。该多元醇首先在有机溶剂中合成分子结构中含有亲水离子或非离子链段的树脂，然后将树脂熔体或溶液分散在水中得到。其有点为乳液粒径小，聚合物结构和相对分子质量及其分布较易控制，涂膜外观好等；缺点是聚合物分散到水中后，有机溶剂必须脱除，增加合成成本；另外，聚合物在水中

8、的分散过程往往发生相转移，体系粘度会急剧增大，形成高粘度低固含量的分散体，降低施工固体分，不利于双组分体系的物理成膜；亲水离子或链段的存在会降低双组分涂膜的耐水性和耐溶剂性等。根据化学结构将分散体多元醇和杂合多元醇等。其中，丙烯酸多元醇分散体具有较低的分子量，较高的羟基官能度，涂膜交联密度高，且具有良好的耐溶性、耐化学品性和耐候性。与丙烯酸乳液多元醇相比，丙烯酸分散体多元醇配制的涂料流