水性聚氨酯涂料及其研究进展

水性聚氨酯涂料及其研究进展

杨姣

班级:100310 学号:100310127

摘要:本文简要介绍了水性聚氨酯涂料及其制备方法、种类,概述了水性聚氨酯涂料在建筑、汽车、织物、防腐保护等不同应用领域上的研究进展。

关键词:水性聚氨酯涂料;应用;进展

1.前言

随着人类生活质量的提高,人们的环保意识也渐渐增强,对自身的生活环境越来越关注。因此环保法规也越来越严格,各种环保条例对挥发性有机化合物(VOC)的排放量、有害溶剂的含量都有严格限制[1]。而水性聚氨酯由于其以水为分散介质,不仅具有无毒、不易燃烧、不污染环境、节能、安全可靠等优点;同时还具有溶剂型聚氨酯的一些重要的性能特征[2],水性聚氨酯涂料将聚氨酯涂膜的硬度高、附着力强、耐腐蚀、耐溶剂好等优点与水性涂料的低VOC 含量相结合,符合发展涂料工业的“三前提”( 资源, 能源, 无污染) 及“四E原则”( 经济ECONOMY,效率EFFICIENCY,生态ECOLOGY,能源ENERGY) 和日益强化的时代要求相适应。因此广泛用作木器漆、建筑涂料、汽车漆及防水涂料、防腐涂料等。本文将系统介绍水性聚氨酯涂料的制备方法、种类、应用领域、研究现状。

2.水性聚氨酯涂料

2.1 什么是水性聚氨酯涂料

聚氨酯涂料是1960 年以后发展起来的新型涂料,具有优良的附着力、耐化学品、装饰性及有优良的耐磨性能,是一种高档耐用的合成树脂涂料。聚氨酯涂料超

过硝基漆、丙烯酸树脂漆、环氧树脂漆、油脂漆、天然树脂漆,成为第三大涂料品种,产量仅次于醇酸树脂漆、酚醛树脂漆。

2.2 制备方法

水性PU按制备方法可以分为外乳化型和内乳化型。前者是最早的水性PU产品,1953年美国Du Pont公司的Wyandott 合成了PU 乳液,其制备工艺是在有机溶剂中,先合成了带有-NCO 封端的预聚体,再加入适当的乳化剂,在强剪切力作用下分散于水介质中,并用二元胺进行扩链,但因存在乳化剂用量大、反应时间长以及乳液颗粒较粗而导致稳定性差、成膜性及涂膜性能等都难以达到应用要求,目前已很少采用[3]。另一种是内乳化法,即在制备PU过程中引入亲水性成分,在不添加乳化剂的条件下分散在水中。20世纪60年代初期Dieterich等开发了内乳化法,在PU链段中引入亲水性成分,具有过程不要求强剪切力、可得到稳定的较细的分散颗粒、耐水性及耐非极性溶剂的能力增强等优点,已成为目前运用最广的制备PU

乳液的方法[4]。

2.3 种类

(1) 单组分水性聚氨酯涂料

水性单组分聚氨酯涂料是运用最早的水性聚氨酯涂料,具有很高的断裂延伸率和适当的强度,并能常温干燥。传统的单组分水性聚氨酯涂料通常有较低的分子量或低交联度。与溶剂型聚氨酯涂料相比,单组分水性聚氨酯涂料的耐化学性和耐溶剂性不良,硬度、表面光泽度和鲜艳度都低。

(2) 双组分水性聚氨酯涂料

双组分水性聚氨酯涂料由含有活泼异氰酸基团的固化剂A组分和含有可与异氰酸基团反应的活泼氢(羟基)的水性多元醇组分B组成。组分A:即含活泼异氰酸根(-NCO)组分,具有较低的粘度, 能在水中迅速分散的特性。组分B:多元醇体系,

具有分散功能,能将憎水的多异氰酸酯体系很好地分散在水中,使得分散体粒径足够小,保证涂膜具有良好的性能。

(3) 改良型水性聚氨酯涂料

在聚氨酯水分散体中进行丙烯酸酯类单体的聚合,是该类涂料生产的主要途径。

3.水性聚氨酯涂料的应用

高性能与低VOC含量相结合的水性聚氨酯涂料具有广阔的应用前景。涂膜干燥时间短、外观好、耐溶剂性好的水性聚氨酯涂料在木器涂料领域占有大量的市场份额;还被广泛用作建筑涂料、汽车涂料、塑料涂料、工业涂料和腐蚀保护涂料, 满足不同的性能要求。

3.1 水性聚氨酯木器涂料

木器漆一般要求美观并有良好的耐磨性、耐沾污性。水性聚氨酯具有耐磨性、柔韧性、附着力强等特点,木器漆已成为水性聚氨酯涂料的重要应用领域,有广阔的发展前景。然而单一的聚氨酯涂料在耐水性、光泽、硬度等方面还不够理想,可以通过改性使聚氨酯获得更加优异的综合性能。聚氨酯的改性有两种方式:一种是通过简单的物理方法将具有互补特性的两种或多种树脂混合在一起;另一种是通过化学方法使产品具有两种或多种体系的特性。

国内在改性聚氨酯方面的工作做的很多,主要有醇酸改性聚氨酯,环氧改性聚氨酯涂料,有机硅改性聚氨酯涂料,丙烯酸酯改性聚氨酯涂料等。张柏钦等[5]采用聚氨酯改性自催化醇酸树脂,氨基树脂,助剂,溶剂等制成聚氨酯改性醇酸氨基漆。该漆在110℃烘烤5min、或80 ℃烘烤20min 即可全干,缩短了烘干时间,降低了烘干温度,漆膜性能优良,各项指标均达到使用要求。许戈文[6]等用聚氨酯与环氧树脂接肢合成出环氧改性聚氨酯乳液,讨论了

n(NCO)/n(OH)值、环氧树脂加入量以及异氰酸跟残留量对产品性能的影响,制得了综合性能优良的水性环氧改性聚氨酯清漆。瞿金清等[7]采用水性聚氨酯分散体和丙烯酸乳液复配制备水性木器涂料,讨论了水性聚氨酯树脂种类和配比、共溶剂和润湿剂对涂膜性能的影响,通过正交实验优选了水性聚氨酯木器涂料配方。结果表明,研制的水性聚氨酯丙烯酸复合木

器涂料具有干燥速度快、硬度高和耐水性好等优点。侯孟华[8]等以甲苯二异氰酸酯、聚醚二醇、二羟甲基丙酸为原料,通过高分子反应得到预聚体,将此预聚体在低浓度的氨基硅烷偶联剂溶液中扩链,制得一种氨基硅烷偶联剂改性的聚氨酯水乳液。结果表明:以此乳液再配以其它助剂制得的水性聚氨酯木器涂料,具有优异的附着力、耐水性和力学性能。

3.2 水性聚氨酯汽车涂料

随着汽车工业的飞速发展,对汽车涂装的要求越来越高,从环保的角度考虑,水性化是汽车涂料的发展趋势,汽车表面的底漆、中涂漆、色漆、罩光漆以及修补漆均可采用水性聚氨酯[9]。汽车工业中使用的涂料根据使用部位不同可分为3 种类型:一类为车体零部件、内外饰件,特别是各种塑料件使用的涂料;另一类为车身表面涂装使用的涂料,即通常所谓汽车漆或汽车原厂漆(OEM);此外还有一类用于汽车车身修补的修补漆。聚氨酯分散体用于水性底漆时,可对脆性面漆的下凹起屏蔽作用而保护底材,二道水性漆的柔韧性和耐冲击性优于目前溶剂型涂料,尤其在低温时,聚氨酯分散体用于底色漆及面漆,有助于提高金属原料的取向效果,同时可减少罩光漆中因溶剂部分溶胀所产生的不利影响,赋予汽车外表悦目色彩、美感和光泽。

从20世纪90年代开始,欧美汽车厂为环保达标采用环保型汽车涂料替代传统的有机溶剂型汽车涂料。其中德国已基本实现水性化,中涂占80%,底色漆占93%。而在中国采用水性环保涂料较少,环保型汽车涂料市场还将有着巨大的发展前景。

3.3 水性聚氨酯织物涂料

水性聚氨酯用做织物涂层具有成膜性能好,遮盖力强,粘结牢固,涂层光亮、平滑、耐水、耐曲折、易于清洁保养、产品革手感丰满、舒适,环境效益好等特点,深受国内外纺织服装业高度重视。水性聚氨酯可应用于防水透湿、防紫外线、阻燃织物调温等功能涂层,近几年在织物抗起毛起球、免烫整理及染色固色中也得到广泛的应用。谢维斌等[10]分别加入丙烯酸甲酯或丙烯酸羟乙酯或两者的混合体合成改性水性聚氨酯,并对棉织物涂层,在不同温度、时间及涂层量下,测试其抗性、强力伸长率及透湿性表明,引入前者可提高涂层膜抗水性、增加涂层膜抗张强力。引入后者有利涂层膜透气性,提高涂层膜断裂伸长率。张瑞萍等[11]将纳米ZnO应用于水溶性聚氨酯对丝绸的抗皱整理,能够提高真丝绸的折皱回复角,有较好的耐洗性和织物强力及白度保持率,而且具有一定的紫外线吸收功能。崔锦峰等[12]将干性植物油与二乙醇胺发生胺解反应得到的中间体合成水性聚氨酯树脂,该树脂用作主成膜物与水复合溶剂及优质的颜料(染料)、填料和助剂复配,得到可用于丝网印染的常温交联型水性聚氨酯涂料,用此法合成的常温交联水性聚氨酯树脂可满足水性丝网印染涂料的制造工艺要求。中国专利[13]报道了一种水性聚氨酯改性丙烯酸树脂固色剂及生产方法。其作为纺织品整理剂,特别是纺织品成膜固色剂使用,具有干湿摩牢度好,且手感柔软的特点。

3.4 水性聚氨酯防腐涂料

金属腐蚀导致的损失十分严重,特别是钢铁的防腐蚀日益引起国内外关注。而涂覆防锈涂料是防止钢铁腐蚀的主要方法之一。水性涂料因其能够有效地克服溶剂型涂料价格高、污染大的缺点,逐渐成为涂料的主要发展方向。文秀芳等[14]用环氧树脂作为大分子扩链剂,充分利用环氧树脂的环氧基和羟基参与反应,合成涂膜性能优异的防腐涂料用水性聚氨酯树脂。朱德勇等[15]采用BASF羟基丙烯酸乳液

S937T和HW160PC固化剂制备的水性双组分聚氨酯防腐涂料的综合性能优越,施工容易,完全可以取代目前大部分溶剂型防腐涂料。何海平等[16]报道了一种用于文物保护的水性聚氨酯涂料,通过对一种聚酯型聚氨酯乳液进行改性作为铁质文物复合封护剂:即通过添加缓蚀剂作为底层封护剂,添加TiO2、SiO2纳米颗粒作为面层封护剂,研究结果表明,添加缓蚀剂的底层封护剂对基体起到明显的防蚀作用,改性

后的纳米复合封护剂的耐紫外线、耐酸、碱、盐等主要性能有了明显提高,复合封护涂层无色、透明、无光,符合铁质文物保护要求。胡剑青等[17]在水性聚氨酯的合成过程中引入环氧树脂制备得到水性聚氨酯环氧树脂乳液,以此乳液作为基料,通过配方设计,筛选出无毒高效复合铁钛防锈颜料,配合其他颜填料和助剂,研究制备了高性能水性防锈涂料。万婷等[18]以水性聚氨酯为基料,加入颜填料和助剂合成水性防腐蚀涂料。改变涂料配方中颜填料和基料的质量比(P/ B) ,在不锈钢板上制得涂层样品,通过极化曲线和电化学阻抗测试,讨论P/ B对涂层腐蚀性能的影响,结果表明,涂料配方中P/B= 0.8和1.5时涂层综合性能较好。吴校彬等[19]以甲苯二异氰酸酯(TD I280) 、聚醚二元醇(N220) 、环氧树脂( E20)和甲基丙烯酸甲酯(MMA)等为原料,通过原位聚合,制备了水性聚氨酯-环氧树脂-丙烯酸(WPUEA)复合分散液. 分散液储存期超过10个月,冻融循环大于5,其涂膜硬度大于0.70,拉伸强度大于

10MPa,耐水性、耐酸碱性、耐溶剂性等较水性聚氨酯(WPU)有明显改善.王春

艳[20]等,引入环氧树脂来改性水性聚氨酯,以水性环氧聚氨酯为基料制备富锌涂料,通过对其腐蚀电位和电化学阻抗谱(EIS)的测试分析,研究了添加不同含量锌粉的富锌涂层在3%NaCl溶液中的腐蚀电化学行为,并与添加少量铝粉的富锌涂料及传统富锌涂料进行了对比。表明,水性环氧聚氨酯富锌涂料的防腐蚀能力比传统环氧富锌底漆强;锌粉的添加量对涂层的防腐蚀效果有一定的影响,添加少量铝粉能提高涂层的防腐蚀性能。在钢铁重防腐方面具有广阔的应用前景。

4.水性聚氨酯涂料存在的问题和发展趋势

随着环境保护、人体健康和对涂料质量要求的不断提高,高档多功能水性聚氨酯涂料的发展势在必行。随着研究人员的努力,水性聚氨酯产品的技术和性能等已趋向成熟。然而,水性聚氨酯涂料也存在一定的不足,如耐水性差、水性聚氨酯涂料干燥速度慢、干燥时间长; CO2残留在干燥涂膜中形成气泡;成本高,价格贵;水性

涂料对铁质材料可能引起“瞬间锈蚀”问题;体系表面张力大易引起对基材和颜料浸润性差等一系列问题。尽管水性聚氨酯还存在一些缺陷,但随着环保意识的不断

增强,水性聚氨酯涂料必将进入广泛应用阶段。聚氨酯涂料的发展趋势为开发高性能、低能耗和无污染的聚氨酯涂料, 充分利用聚氨酯分子的可

设计性,对聚氨酯进行改性,使产品向高科技含量、高质量、多功能性发展;双

组分水性聚氨酯涂料性能优异,应加强双组分聚氨酯涂料的研究;提高水性聚氨酯涂

料的固含量。发展中的水性聚氨酯涂料以其自身优良的性能,正逐渐取代传统的溶

剂型涂料,在人们的生产生活中起到了越来越重要的作用,呈现出良好的发展前景。

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