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。

聚氨酯通常被认为是高性能的涂料，具有出色的颜色、保光性、耐磨性和耐化学性。

聚氨酯通常具有比其它类型涂料更好的颜色和保光性。

聚氨酯涂料配方可产生具有优秀耐化学性、耐溶剂性和出色耐候性以及其它性能的高性能涂料体系。

不论是溶剂型还是水性的聚氨酯，它总是被认为是一种很优越的涂料体系。

其各种抵抗外界条件侵袭的性能与高度耐久性的涂膜是其成为市场上最常被使用的优秀的涂料体系。

上述耐久性是聚氨酯涂料主要的卖点之一。

涂料中使用了聚氨酯分散体系，可获得各种加强的性能，就是因为聚氨酯体系具备增强的耐久性、耐磨性、耐洗擦性以及其它加强性能。

聚氨酯面漆还具备一些优秀的性能，比如出色的耐候性、超强的耐光性和耐酸蚀性、耐化学性以及出色的外观等。

正是由于这种耐久性，使其成为对涂料产品保护性能要求极高的终端市场的理想选择。

因而，建筑和交通市场无疑将成为聚氨酯技术最大的用户。

聚氨酯涂料是目前较常见的一类涂料，聚氨脂树脂涂料的优点在于可以低温固化，它与环氧底漆的配合使用可以成为重防腐涂装体系。

但对钢构架和海洋构造物的防腐常存在涂层易变色、粉化，固化时间长、涂装次数多的缺点。

双组分聚氨酯涂料具有成膜温度低、附着力强、耐磨性好、硬度大以及耐化学品、耐候性好等优越性能，广泛作为工业防护、木器家具和汽车涂料。

苯系物是各种油漆涂料、油漆涂料添加剂和稀释剂中不可或缺的成分，在聚氨酯漆和聚酯漆中也同样存在。

苯和苯系物与甲醛、氡和γ射线并称为室内环境“四大杀手”，其对人体的危害涉及导致血液病、癌变、呼吸道疾病等。

而聚氨酯漆中所含没有反应的甲苯二异氰酸酯(TDI)，对人体健康危害也非常严重，它刺激眼睛、皮肤和呼吸道，能引起哮喘，长期接触有致癌的危险。

聚氨酯涂料是增长速度最快的涂料品种之一，它在涂料中所占比例和增长速度象征着一个国家的涂料工业水平，受到世界各国的高度重视和广泛研究。

3、聚氨酯涂料的典型应用实例聚氨酯汽车涂料：汽车涂料按涂装工艺分汽车底漆、中间层涂料和面漆，聚氨酯涂料在各层涂料中所占的比例越来越大。

当今世界汽车生产中底漆有92%采用电泳漆（CED），其中90%为阴极电泳漆，聚氨酯电泳漆是电泳涂料大家族中新兴的一员，其综合性能优异，正受到各国涂料行业的普遍关注。

我国沈阳、天津灯塔、重庆三峡和湖南造漆厂先后从日本关西涂料公司引进厚膜化的HB2000型聚氨酯阴极电泳漆用于汽车底漆，其主要成分为环氧聚酰胺/聚氨酯双组分电泳漆，其优点是涂膜厚，表面高度平整，耐碎落，对防锈钢板的适用性很强，主要用于国产汽车如一汽奥迪、天津夏利、重庆五十铃等。

中间层涂料是指用于底漆和面漆之间的涂料，往往将抗石击涂料划为中间层涂料，与多种抗石击涂料相比，聚氨酯涂料的抗石击性能最佳。

因此，世界各大公司都有聚氨酯汽车抗石击涂料的专利。

在汽车面漆中，聚氨酯金属闪光水性漆显示了极大的优越性，已成为发展方向。

目前欧洲汽车生产线已广泛使用双组分丙烯酸聚氨酯罩光清漆，除具有优异的耐酸性之外，易制成高固体分或超高固体分，其施工固体分可达80%～90%，国内不少单位开发了丙烯酸聚氨酯汽车面漆。

以脂肪族多异氰酸酯作为交联剂的热固性丙烯酸漆，既可低温烘干，也可自干，不泛黄，广泛用于轿车、客车和载重车的涂装。

聚氨酯木器家具涂料：近年来木器家具行业的发展对涂料质量的要求不断提高。

传统木器家具涂料硝化纤维素漆溶剂含量约为80%及酸固化涂料释放甲醛，都不适应环保要求。

聚氨酯涂膜的坚韧性、耐沸水性、耐香烟头灼烧及耐冲洗性等方面优于其他系列的涂料，其固体分高，减少了施工道数，常温下干燥迅速，涂膜平整丰满，已成为高档家具用户争选的涂料。

我国聚氨酯木漆家具涂料中，单组分聚氨酯木器家具涂料以聚氨酯醇酸（氨酯油）为主，双组分聚氨酯木器家具涂料的NCO基组分以TDI加成物和HDI缩二脲居多，TDI加成物包括TDI/TMP加成物和蓖麻油多元醇预聚物/TDI的加成物，目前主要研究改善产品的色泽和降低残留单体含量以及使用改性的TDI三聚体等。

再者聚氨酯木器家具涂料由单一品种迅速向多品种、系列化或配套产品发展，包括开发聚氨酯清漆、磁漆、木器封闭底漆及专用助剂和稀释剂等，出现了各种美术漆、高光、亚光及无光面漆，银珠银光面漆，金属闪光漆等，使得聚氨酯木器涂料具有优异而美观的装饰性能。