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