高固体分脂肪族聚氨酯面漆的研制

薛玉华，阮润琦，步明升，王　黎，汪　威，刘　志，郭年华

(海洋化工研究院有限公司，海洋涂料国家重点实验室，山东青岛 266071)



高固体分脂肪族聚氨酯面漆的研制

薛玉华，阮润琦，步明升，王黎，汪威，刘志，郭年华

(海洋化工研究院有限公司，海洋涂料国家重点实验室，山东青岛 266071)

摘要：采用羟基丙烯酸树脂与聚酯树脂合理复配并科学选择固化剂、颜填料、助剂及施工工艺，所研制的脂肪族聚氨酯面漆具有以下特点：①相比丙烯酸聚氨酯面漆，基料的粘度更低，固含量更高，可达70%以上；漆膜韧性更好，50cm反冲没有任何的裂纹；漆膜表面平整光滑更加丰满；②相比聚酯聚氨酯面漆，通过选择固化剂HDI三聚体以及合理控制-NCO/-OH比例在1.1～1.2之间，漆膜有合理的交联密度，具有更好的干燥速度、涂层硬度、耐候性以及耐化学品性；③通过对润湿分散剂、流平剂、消泡剂、抗流挂剂、防老化剂以及催干剂等助剂的合理选择，漆膜表面状态良好，对层间附着力没有任何影响，施工性能及耐候性更佳；④对施工工艺科学设计，面漆达到了流平性、鲜映性、丰满度以及与底漆结合力好的效果。

关键词：高固体分，脂肪族，丙烯酸树脂，聚酯树脂，面漆，研制

脂肪族聚氨酯面漆由于具有良好的装饰性、耐化学品性、良好的耐候性和防腐蚀性，现在已成功应用于家具、车辆、轮船、飞机等领域，成为涂料装饰领域研究的热点。普通聚氨酯面漆现大多采用羟基丙烯酸树脂配多异氰酸酯固化剂，虽然具有良好的保光、保色及耐候性，但一般存在的问题是：固体分偏低，VOC超标(喷涂固含量一般为40%～50%)；机械性能差(冲击性能欠佳，膜脆)；漆膜丰满度欠佳等[1-8]。

针对这些问题，我们成功开发了一种用丙烯酸树脂与聚酯树脂复配得到的综合性能优异脂肪族聚氨酯面漆，具有高固体分、漆膜状态平整光滑丰满、良好的机械性能、良好的耐化学品性及耐候性。现在已成功应用，得到客户的一致好评。

1实验部分

1.1原材料

树脂：高固体分丙烯酸树脂，聚酯树脂(进口)；固化剂：六亚甲基二异氰酸酯(HDI)缩二脲及三聚体(进口)；颜料：金红石型钛白粉，酞菁蓝，炭黑，有机红(全部进口)；填料：超细滑石粉及超细硫酸钡(国产)；助剂(BYK、BASF等)、溶剂(国产)等。

1.2面漆的制备

按既定配方依次加入树脂及部分稀料与助剂搅拌均匀，再依次加入钛白粉、酞菁蓝、炭黑、有机红、滑石粉等颜填料，充分搅拌分散至无块状物，大约30min，然后进行研磨分散，直到色浆分散到细度15 以下为止，备用。于调漆缸中再加入剩余的助剂等，调整颜色、光泽及固含量等，取样进行出厂一致性检测，成品合格后进行过滤包装。涂料的基本配方见表1。

表1　涂料基本配方

2结果与讨论

2.1树脂的选择

从表2中，可知丙烯酸树脂耐候性好，干燥快，但其机械性能较差，涂膜脆，漆的固含量较低及漆膜丰满度欠佳；而聚酯树脂虽然耐候性差点，但其漆膜韧性及丰满度好，固体分高，易制得高固体分涂料。把丙烯酸树脂与聚酯树脂配合使用，可以提高漆膜的综合性能，拓宽其使用领域，满足客户更高的使用要求。

表2　树脂对涂料的性能影响

2.2固化剂的选择

为了制得具有良好耐候性及机械性能的漆膜，固化剂的选择非常关键。众所周知，甲苯异氰酸酯，苯环易共轭，不耐候，而脂肪族或脂环族这一类的异氰酸酯化合物，具有突出的耐候性，长时间日光暴晒条件下都不泛黄，良好的机械性能。目前比较常用的是六亚甲基二异氰酸酯(HDI)缩二脲(Desmodur N75等)、HDI三聚体(Desmodur N3375、N3390等)、异佛尔酮二异氰酸酯(IPDI)三聚体等。相对HDI三聚体，虽然HDI缩二脲柔韧性好些，但其具有更好的干燥速度、涂膜硬度以及耐候性，主要原因是其分子结构能自聚形成的六元环，且环状结构上没有活泼氢原子，不会形成分子内或分子间氢键，不仅具有较高的稳定性，且产物的粘度低，易制得高固含量产品。选择HDI三聚体作为主体固化剂。表3是HDI衍生物的性能比较。

表3　HDI衍生物的性能比较

2.3颜料的选择

由于所研制的涂料应用在要求较为苛刻的领域，要求漆膜具有良好的耐候性，能长久保持鲜艳的色彩，故对颜料的选择要慎重，要求所选择的颜料不仅具有耐候性好，而且具有与树脂体系良好的混溶性和着色性。无机颜料中分子键能一般较高，通常具有良好的耐热性、耐化学品性和耐候性；有机颜料提供了更广泛的颜色选择和装饰性，颜料的选择取决于要求的颜色、防腐性能、耐侯性及其它性能。客户要求的颜色以浅色为主，选择具有良好耐候性的无机颜料杜邦钛白粉为主，配以耐候性好的巴斯夫有机颜料，来满足客户的要求。

2.4助剂的选择

助剂虽然在涂料体系中用量不大，但对涂料的性能起很重要的作用，一般助剂价格比较贵，也说明了其重要性。涂料中一般要加的助剂包括润湿分散剂、流平剂、消泡剂、抗流挂剂、 防老化剂以及催干剂等，其用量加入很少，从0.01%～5%不等，取决于涂料的各种性能要求[9-10]。表4是经过实验验证后不同助剂的选择。

表4　不同助剂种类的选择

润湿分散剂主要起润湿颜料，提高其分散性，并最终达到防止涂料浮色发花以及良好的贮存稳定性。防止涂料浮色发花一般选择低相对分子质量的润湿分散剂，而涂料良好的分散及稳定性则选择相对分子质量高的润湿分散剂，可以非常有效地抗絮凝，对有机和无机颜料均能适用，因此应用得较多。对于不同的颜料，由于其表面处理情况不一样，如吸油量，比表面积的不同，一种润湿分散剂可能不能应用在多种颜料的分散，选择合适的润湿分散剂非常关键，不然会出现絮凝、贮存稳定性差、漆膜浮色发花等现象。对于不同的颜料，经过我们长时间的试验，分别选择了不同的润湿分散剂，用量一般为1%～2%，制得漆的稳定性很好。

选择合适的流平剂可以获得平整光滑，无缩孔、凹陷和桔纹等表面缺陷的涂膜。可用作流平剂的种类有很多，一般分为以下几种：高沸点溶剂、有机硅化合物、有机氟化合物、聚丙烯酸酯共聚物、醋酸丁酸纤维素(CAB)等。通过实验发现，往往单一的流平剂很难达到理想的效果。高沸点溶剂、有机硅化合物及有机氟化合物主要起短波流平，而聚丙烯酸酯共聚物、醋酸丁酸纤维素(CAB)一般用在长波流平。有机硅化合物、有机氟化合物由于其能促进表面张力急速下降，影响漆膜的复涂，降低层间附着力。因此，有机硅化合物、有机氟化合物的选择及加量要慎重。经过试验研究：选择聚丙烯酸酯流平剂和有机硅或有机氟流平剂复配使用，起到短波与长波流平协同增效作用，达到较好的流平效果，且不影响复涂后的涂膜层间附着力。

消泡剂的选择与流平剂的选择差不多，既要注重要有良好消泡能力，又要不影响涂膜层间附着力。经过试验：同样选择既有流平能力又有消泡能力的聚丙烯酸酯和有机硅助剂搭配使用。

双组分聚氨酯面漆是高固体分涂料，再加上如果基材不均匀的话，必须加入一定量的抗流挂剂来保证其良好的施工性，达到流平和流挂之间的平衡。有机膨润土类、氢化蓖麻油衍生物类、聚酰胺蜡类、气相二氧化硅类、改性脲类等是常用的抗流挂剂。通过实验发现：有机膨润土类用量较大，且效果不明显；氢化蓖麻油衍生物类不适用该体系，效果同样不明显；聚酰胺蜡类对漆膜的光泽有影响；气相二氧化硅类粉料轻，使用不方便，微弱消光；改性脲类是液体，使用方便，且抗流挂效果明显，其用量一般为1%～2%。

由于所研制的涂料对耐候性苛刻要求，在体系中加入光稳定剂来进一步提高其耐候性以及保光、保色性能。常用的光稳定剂一般包括两类：一种是紫外线吸收剂，另一种是受阻胺类。紫外线吸收剂的作用是吸收射入漆膜的紫外线，而受阻胺类是捕获漆膜中降解的自由基，以阻止链式降解反应。两者相互配合增效，达到提高漆膜寿命的作用。其用量经过试验决定，一般添加量为总漆量的2%～3%。

在双组分聚氨酯涂料固化成膜过程中，使用催干剂可以有效地加速-NCO与-OH的反应，缩短漆膜的干燥时间，但同样也会缩短涂料混合后的适用期。为达到两者之间的平衡，催化剂的用量必须适量。经过试验论证：有机锡类催干剂效果更好。

2.5-NCO/-OH比例的影响

双组分聚氨酯涂料必须确定恰当的-NCO/-OH比例，满足性能的要求。表5列出了-NCO/-OH当量比与涂层性能关系。若多异氰酸酯加入太少，不足以与羟基完全反应，则漆膜交联度较低，从而造成干性变差、耐溶剂性、耐化学品性、耐水性下降，甚至漆膜发软。若多异氰酸酯加入太多，剩余的多异氰酸酯与空气中的水蒸气反应，使涂膜固化时产生的CO2较多，引起涂层表面起泡，且交联密度过大，虽然提高抗溶剂性、抗化学品性，但使涂膜干得太快，变硬变脆，耐冲击性变差。通过实验论证：一般双组分聚氨酯涂料的-NCO/-OH比例为1.1～1.2之间。

表5　-NCO/-OH当量比对涂层性能的影响

2.6施工方式的影响

目前厂家进行涂装主要采用普通喷枪和人工喷涂。因此涂装效果跟涂装人员的喷涂经验有很大关系[11-13]。要想面漆达到流平性、丰满度、鲜映性且与底漆结合力好的效果，需特别注重以下几个方面：

(1)喷涂室要封闭干净，最好备有调温调湿装置，喷涂温度在20℃～25℃，湿度在75%以下为佳。

(2)底漆要表面平整，不能有皱纹、瑕疵等，且在上面漆前，底漆彻底干透的话，最好其表面用细砂纸打磨活化。

(3)面漆施工粘度要适当，一般控制在12s～20s，使其表面流平良好而又没有流挂、缩孔等漆膜弊病。施工时，最好采取高喷涂压力、小出漆量、低油漆黏度方式进行。

3结论

通过对树脂、颜料、助剂及施工工艺等研究，所研制出的脂肪族聚氨酯涂料，具有高固体分、漆膜丰满、耐候性好、良好机械性能、化学性能及施工性能等优点，能完全满足客户对涂料性能的要求。

参考文献

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中图分类号：TQ 631.3

Preparation and Research of High Solid Content of Aliphatic Polyurethane Topcoat

XUE Yu-hua，RUAN Run-qi，BU Ming-sheng，WANG Li，WANG Wei，LIU Zhi，GUO Nian-hua

(Marine Chemicals Research Institute，State Key Laboratory of Marine Coatings，Qingdao 266071，Shandong，China)

Abstract：With hydroxyl acrylic resin and polyester resin reasonably compounding and scientific selection of curing agent，pigment，filler，additives and construction technology，aliphatic polyurethane topcoat has the following characteristics：①Compared with acrylic polyurethane topcoat，the viscosity of base material is the lower，the solid content is higher，and can reach more than 70%；the toughness is better and 50cm recoil is without any crack；film surface is smooth and more plump.②Compared with polyester polyurethane topcoat，through the selection of HDI trimer curing agent and reasonable control of the-NCO/-OH ratio of from 1.1 to 1.2，the film has reasonable crosslink density，better drying speed，coating hardness，weatherability and resistance to chemicals.③Through reasonable selection of wetting dispersing agent，leveling agent，defoaming agent，anti- flow agent，anti ageing agent and drying agent，film surface is in good condition，the adhesion between coating is without any effect，construction and weathering performance is better.④Through scientific design of construction technology，the film has good leveling，fullness，DOI and effect of combined with primer.

Key words：high solid content，aliphatic，acrylic resin，polyester resin，topcoat，preparation