谈聚氨酯涂料的应用及其研发趋势

第六十五讲谈聚氨酯涂料的应用及其研发趋势

肖九梅

湖北武汉化工建材公司 430055

内容提要：聚氨酯涂料以其高光泽、高丰满度、高硬度、高装饰性的优异综合性能，而广泛应用于较多领域。根据聚氨酯涂料的品种、结构类型及其应用领域，阐述了聚氨酯涂料的性能特点，介绍了聚氨酯涂料的典型应用实例；论述了聚氨酯涂料单体、预聚物以及环保型聚氨酯涂料的研发进展；提出了聚氨酯涂料发展趋势。

关键词：聚氨酯涂料应用领域发展趋势

聚氨酯技术在德国兴起，在中国涂料行业中飞速发展。以聚氨酯为原料的涂料系统已经渗透到中国涂料行业的各个应用领域内。尤其聚氨酯技术在汽车OEM涂料及修补漆、木器涂料、防腐蚀涂料、塑料涂料和建筑涂料中得到了广泛的应用，并有着广阔的市场前景。

1、聚氨酯涂料的品种、结构类型及其应用领域

聚氨酯(英文缩写PU)是指分子链中含有多个氨酯键(-NH-COO-)的聚合物的总称。主链含—NHCOO—重复结构单元的一类聚合物。由异氰酸酯(单体)与羟基化合物聚合而成。氨酯键一般由异氰酸酯基和羟基反应获得。聚氨酯在20世纪30年代由德国化学家发明，半个多世纪以来迅速用于制造泡沫塑料、纤维、弹性体、涂料、胶黏剂、铺装材料和医用材料等，广泛应用于交通、建筑、轻工、纺织、机电、航空、医疗卫生等领域。

分子结构中含有氨基甲酸酯键的涂料称为聚氨酯涂料，其涂膜外观美好、耐腐蚀、有较好的低温柔性和良好的耐化学品性等优点，被广泛用于工业与民用设备的保护与装饰。

聚氨酯漆品种很多，按包装类型分类，可分为单罐装聚氨酯漆、双罐装聚氨酯漆、三罐装聚氨酯漆。家庭装饰通常选用三罐装聚氨酯漆(即一罐主漆、一罐固化剂、一罐稀释剂)。

中国木器用高档涂料主要有聚氨酯漆(PU)和聚酯漆(PE)两大类。在国家标准分类中属完全不同的两大类涂料，即在类别、组成、性能、应用与固化机理等方面有很大区别。以聚氨酯树脂为主要成膜物质的涂料，常按其组成和成膜机理而将其分为五大类：聚氨酯改性油涂料、潮气固化聚氨酯涂料、封闭型聚氨酯涂料、催化固化型聚氨酯涂料和羟基固化型聚氨酯涂料。广泛应用于木器、汽车、飞机、机械、电器、塑料、皮革、织物、石油化工等各方面。

聚氨酯涂料是目前较常见的一类涂料，可分为双组分聚氨酯涂料和单组分聚氨酯涂料。

双组分聚氨酯涂料一般是由异氰酸酯预聚物（也叫低分子氨基甲酸酯聚合物）和含羟基树脂两部分组成，通常称为固化剂组分和主剂组分。这一类涂料的品种很多，应用范围也很广，根据含羟基组分的不同可分为丙烯酸聚氨酯、醇酸聚氨酯、聚酯聚氨酯、聚醚聚氨酯、环氧聚氨酯等

品种。一般都具有良好的机械性能、较高的固体含量、各方面的性能都比较好。是目前很有发展前途的一类涂料品种。主要应用方向有木器涂料、汽车修补涂料、防腐涂料、地坪漆、电子涂料、特种涂料、聚氨酯防水涂料等。但其施工工序复杂，对施工环境要求很高，漆膜容易产生弊病。单组分聚氨酯涂料主要有氨酯油涂料、潮气固化聚氨酯涂料、封闭型聚氨酯涂料等品种。应用面不如双组分涂料广，主要用于地板涂料、防腐涂料、预卷材涂料等，其总体性能不如双组分涂料全面。

热固性聚氨酯涂料：交联的聚氨酯能增加其耐溶剂性及水解稳定性。聚氨酯水分散体在应用时与少量外加交联剂混合组成的体系叫热固化性水性聚氨酯涂料，也叫做外交联水性聚氨酯涂料。使用交联剂主要有多官能团的氮丙啶、氨基树脂（三聚氯胺树脂）或专用的环氧树脂等。采用氮丙啶，一般用量为聚氨酯质量的3％～5％，就有很好的交联膜生成。

光固化水性聚氨酯涂料：光固化水性聚氨酯涂料采用电子束辐射、紫外光辐射的高强度辐射引发低活性的预聚物体系产生交联固化，目前以紫外光固化形式为主。先用不饱和聚酯多元醇制备预聚物，然后用常规的方法引进粒子基因，经亲水处理后制得在主链上带双键的聚氨酯水分散体，再与易溶的高活性三丙烯酸烷氧基酯单体、光敏剂等助剂混合得到光固化水性聚氨酯涂料。

室温固化水性聚氨酯涂料：对于某些热敏基材和大型制件，不能采用加热的方式交联，必须采用室温交联的水性聚氨酯涂料。通过与水分散性多异氰酸酯结合，可以改进水性端羟基聚氨酯预聚物/丙烯酸酯混合物，尤其是羟基丙烯酸酯混合物的性能。此类水性聚氨酯涂料，采用特制的多异氰酸酯交联剂，即含－NCO端基的异氰酸酯预聚物，经亲水处理后分散于各种含羟基聚合物中而形成分散体，与多种含羟基聚合物水分散体组成能在室温固化的聚氨酯水性涂料。

第三代水性聚氨酯涂料(PUA)：聚氨酯（PU）乳液和聚丙烯酸（PA）乳液同其溶剂型产品相比，具有低廉，安全，不燃烧，无毒，不污染环境等优点。纯PA乳液存在耐磨性、耐水性和耐化学品性差的缺陷，固含量高，应用范围不广等。PU和PA在性质上具有互补作用。PUA复合乳液兼备了二者的优点，具有耐磨、耐腐蚀和光亮，柔软有弹性，耐水性和力学性能好，耐候性佳等特性，因此被誉为“第三代水性聚氨酯”，成为当今涂料一个发展趋势。

环保型低芳烃聚氨酯涂料：该涂料体系采用气味小、毒性低的石油类低极性溶剂为稀释剂，既可弥补水性涂料性能不足，保持溶剂型涂料的优异性能，又可减少涂料对环境的影响，兼顾性能与环保性，可显著减少对环境产生污染的物质，如苯、二甲苯及有害废气污染物(HAPs)的排放量，作为溶剂体系涂料，它还具有良好的涂膜及施工性能，在冬季低温条件下也可施工。此外，由于该涂料体系中溶剂的溶解力低，不会产生侵蚀，因而易于重涂。并可用于喷涂易被溶剂侵蚀的材料。

2、聚氨酯涂料的性能特点

聚氨酯漆即聚氨基甲酸酯漆。它漆膜强韧，光泽丰满，附着力强，耐水耐磨、耐腐蚀性、耐油、耐酸、耐化学品和工业废气，电性能好，能和多种树脂混溶，可在广泛范围内调整配方，以满足不同需要。被广泛用于高级木器家具，也可用于金属表面。缺点主要有遇潮起泡，漆膜粉化等问题，与聚脂漆一样，它同样存在着变黄的问题。

聚氨酯技术几乎可以在任何一种配方中使用。由于聚氨酯具有低温下快速固化和其物理性能，以及施工方便的特点，业内人士相信它是涂料配方中最全能的聚合物之一，并认为使用PU 的方法比其它方法要强。聚氨酯涂料不含VOC或CF，施工体系不复杂，并且具有优异的弹性体品质。其施工和固化迅速，因而缩短了停工时间，相应地降低了使用成本，施工更方便。聚氨酯产品可以达到各种各样的性能要求，从而为配方师提供了多种选择。其选择的范围要比其它普通涂料如环氧和醇酸涂料来得宽泛。聚氨酯产品可以应用于在多种配方中，比如冬季固化底漆、100%固含量厚涂层弹性次层围堵衬垫、厚涂层工业面漆、缎面至高光面漆以及高固含量/低VOC面漆。如今的聚氨酯面漆可有溶剂型和水性体系两种。