水性聚氨酯/苯丙復合可剝保護涂料的研制

郭軍紅 張鵬飛 楊保平 崔錦峰 周應萍 劉永亮

（蘭州理工大學石油化工學院，甘肅 蘭州 730050）

1 引言

許多產品在運輸、裝卸、組裝過程中，不可避免地受到風沙、勒痕、劃痕、刮痕等因素的影響，造成表面刮傷、影響美觀、性能下降、甚至報廢。當在材料工件表面涂一層臨時保護涂料時，將避免工件損傷毀壞，完成保護后保護涂膜即可剝去，產品表面依舊能保持原有的外觀和性能[1-2]。可剝涂料是一種廣泛用于表面臨時性保護的涂料。目前，溶劑型的可剝涂料應用比較廣泛，但其含有大量有機溶劑，環境友好性差；此外，熱熔型的可剝涂料也有應用，但其施工難度大、能耗高；水性可剝涂料具有低VOC 排放、環境友好、便于施工、保護作用強、易于剝離等優點，成為可剝涂料的一個未來發展方向[3-5]。本研究是以水性聚氨酯-苯丙乳液復合成的可剝涂料，該涂料適應于各種涂裝方式、可剝離性好、價格低廉、符合環保性要求。

2 實驗部分

2.1 實驗儀器

ESJ-500 實驗室高速分散機，上海易勒機電有限公司；QTY-10A 型漆膜彎曲試驗器，天津材料試驗機廠；QHQ-A 型涂膜鉛筆硬度計，上海新諾儀器設備有限公司；PSC 紅外線涂層厚度測試儀，武漢潤立辦公設備有限公司 ；XH-200S型180 度剝離強度試驗機，易電國際集團有限公司；四口燒瓶，回流冷凝管等。

2.2 實驗藥品

聚四氫呋喃醚（PTMG），異佛爾酮二異氰酸酯（IPDI），二羥甲基丙酸(DMPA)，N-甲基－吡咯烷酮(NMP)，苯乙烯(St)，甲基丙烯酸(MAA)，甲基丙烯酸甲酯（MMA），丙烯酸乙酯（EA），丙烯酸正丁酯(BA)，三乙胺，乙二胺，丙酮，氨水，二月桂酸二丁基錫，十二烷基硫酸鈉，OP-10，過硫酸鉀，碳酸氫鈉，有機硅剝皮助劑，醇酯-12，EFKA 消泡劑，EFKA 流平劑，增稠劑，丙二醇等均為化學純。

2.3 水性聚氨酯的制備

在裝有回流冷凝管、機械攪拌和溫度計的四口燒瓶中加入一定量的聚四氫呋喃醚（PTMG）、異佛爾酮二異氰酸酯（IPDI）和N－甲基－吡咯烷酮(NMP)、加入少許二月桂酸二丁基錫，升溫至80 ℃反應1.5 h，降溫至50 ℃，加入二羥甲基丙酸(DMPA)擴鏈，反應完成后加入丙酮調節粘度，經三乙胺中和后，在快速攪拌下加入去離子水乳化分散，用乙二胺擴鏈，再用少量氨水處理后，減壓脫除丙酮，最后得到藍色半透明乳液[6]。水性聚氨酯乳液的性能指標見表1。

表1 水性聚氨酯乳液的性能指標

2.4 苯丙乳液的制備

將一定量的混合乳化劑（十二烷基硫酸鈉與OP-10 質量比為1:1）用去離子水總量80%-90%的水加入溶解后加入到四口燒瓶中，調節溫度到70 ℃，攪拌速度160-180 轉/分鐘。先加入質量分數約20%的由苯乙烯(St) 、甲基丙烯酸(MAA) 、甲基丙烯酸甲酯（MMA）、丙烯酸乙酯（EA）、丙烯酸正丁酯(BA)組成的混合單體和總質量3%-4%的引發劑過硫酸鉀。待溫度恒定到70℃后，再加入PH 緩沖劑碳酸氫鈉和剩余的引發劑和水，然后在4 小時內滴加完剩余的混合單體，最后用氨水調節乳液PH 在8.0-9.0 之間，最后得到乳狀白色液體[7]。苯丙乳液的性能指標見表2。

表2 苯丙乳液的性能指標

2.5 水性可剝保護涂料的制備

在敞口容器中加入一定量的苯丙乳液，開動攪拌器在600-800 轉/每秒下，加入一定量的水性聚氨酯、丙二醇；攪拌10 分鐘后加入適量消泡劑，流平劑；繼續攪拌30 分鐘后加入一定量的有機硅助劑，繼續攪拌10 分鐘后加入成膜助劑、增稠劑，最后用三乙胺調整PH 至7.2-8.5。

3 結果與討論

3.1 水性可剝保護涂料的成膜可剝機理

本實驗采用脂肪族聚醚型水性聚氨酯和苯丙乳液，加以其他助劑復配而成可剝涂料。其中苯乙烯(St)、甲基丙烯酸(MAA)、甲基丙烯酸甲酯（MMA）、異佛爾酮二異氰酸酯（IPDI）為硬單體，丙烯酸乙酯（EA）、丙烯酸正丁酯(BA)、聚四氫呋喃醚（PTMG）為軟單體。在形成涂膜過程中，水性聚氨酯和苯丙乳液中的這些單體則相互纏繞，相互形成牢固的化學鍵或不穩定的氫鍵，從而使整個涂膜形成一種帶有苯環、脂環、甲基、羧基、酯鍵、醚鍵等支鏈的網狀高分子聚合物。這種結構不僅使涂膜具有很好的柔韌性，還使涂膜具有一定的硬度。可剝涂料被覆涂到玻璃，光滑金屬等表面后，隨著水分的揮發，涂料中兩種成膜成分會不斷的纏繞、固化，最后形成一層連續、透明并且均勻的涂膜[8]。

加入適量的有機硅剝皮助劑可以降低涂膜與底材之間的粘結力，調整柔韌性與硬度之間的最佳比例，制得硬度適當，柔韌性好，具有良好彈性，附著力低，容易從底材表面順利剝離的保護涂料。

3.2 可剝涂料中主要成分對剝離強度的影響

可剝涂料中水性聚氨酯、苯丙乳液和有機硅助劑的配比直接影響保護涂膜的剝離強度。選擇A 水性聚氨酯質量、B 苯丙乳液質量、C 有機硅助劑質量三因數設計正交試驗如表3。

表3 因數水平表

表4 實驗設計表

表5 數據分析結果表

由以上正交試驗結果可知，影響可剝涂料的三因數顯著性依次為B＞C＞A.優化條件為A3B3C3,即可剝涂料的最佳剝離條件為：水性聚氨酯質量60 份，B 苯丙乳液質量30 份，有機硅助劑質量5 份。在最佳剝離條件下，按照表6的實驗配方制成可剝涂料。

表6 可剝保護涂料實驗配方

從表6 可知，苯丙乳液和水性聚氨酯是主要成膜物質，丙二醇作為防凍劑，有機硅助劑用于提高涂膜的可剝性能，增稠劑和去離子水用于調整涂料的施工粘度，三乙胺用于調整涂料的PH值。通過實驗得到的可剝涂料硬度適當，柔韌性好，具有良好彈性，附著力低，容易從多種底材表面順利剝離。

3.3 涂層厚度對剝離強度的影響

涂層厚度對剝離強度的影響見圖1。

圖1 涂層厚度對剝離強度的影響

從圖1 可知，涂層的剝離強度隨涂層厚度的增加而降低，當涂層厚度達到150um 時剝離強度為0.22N，繼續增加厚度剝離強度基本不再變化。一般涂層厚度達到200um 時具有良好的剝離效果。

3.4 有機硅助劑含量對剝離強度的影響

有機硅助劑含量對剝離強度的影響見圖2。

從圖2 可知，涂層的剝離強度隨有機硅助劑含量的增加而降低，當有機硅助劑含量達到2%時，剝離強度為0.22N，繼續增加有機硅助劑含量則涂層剝離強度基本沒有變化。一般有機硅助劑含量達2%時，涂層具有良好的剝離效果。

3.5 涂膜性能與幾種基材的保護

調整到合適的施工粘度，刷或噴于有機玻璃板，按照涂料漆膜制備的方法進行制版，其中涂膜厚度為200um。涂膜性能檢測結果見表7。

表7 涂膜性能檢測結果

3.6 可剝涂料對幾種基材表面的試驗

可剝涂料對幾種基材表面的試驗結果見表8。

由表8 可知，由于底材不同可剝涂料的剝離強度有明顯的差異，涂膜硬度的差異不是特別明顯。不同底材表面的化學組成成分不一樣，有些基材表面可能與可剝涂料的成膜物質形成氫鍵，從而使附著力增大，影響剝離強度。基材表面的粗燥程度也會影響剝離強度，粗燥的表面由于物理作用力，使涂膜附著力增大，從而影響剝離強度。由于可剝涂料涂膜厚度較厚，所以涂膜的硬度受底材的影響不大。

圖2 有機硅助劑含量對剝離強度的影響

4 結語

采用水性聚氨酯和苯丙乳液作為成膜物質，輔以有機硅助劑來降低涂層的剝離強度，加入各種助劑后制成單組分水性可剝涂料。該可剝涂料幾乎可以在任何光滑表面如有機玻璃、無機玻璃、光滑金屬、光滑陶瓷、汽車等表面進行臨時保護并剝離。

可剝涂膜的剝離強度受到不同底材的影響，當涂膜達到一定厚度后硬度受底材影響不大，涂膜的剝離強度隨著涂膜厚度的增加而降低，達到150um 膜厚后剝離強度基本不變；剝離強度隨著有機硅助劑含量的增加而降低，有機硅助劑含量達到2%以后，剝離強度基本不變。

表8 不同基材涂膜性能測試結果(200um 膜厚下測得)

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[8]張國強,朱婧，劉婭莉等.用苯丙乳液制成的水性可剝涂料[J].電鍍與涂飾,2007,26 (12):48-50.