高固體分脂肪族聚氨酯面漆的研制

薛玉華，阮潤琦，步明升，王　黎，汪　威，劉　志，郭年華

(海洋化工研究院有限公司，海洋涂料國家重點實驗室，山東青島 266071)

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高固體分脂肪族聚氨酯面漆的研制

薛玉華，阮潤琦，步明升，王黎，汪威，劉志，郭年華

(海洋化工研究院有限公司，海洋涂料國家重點實驗室，山東青島 266071)

摘要：采用羥基丙烯酸樹脂與聚酯樹脂合理復配并科學選擇固化劑、顏填料、助劑及施工工藝，所研制的脂肪族聚氨酯面漆具有以下特點：①相比丙烯酸聚氨酯面漆，基料的粘度更低，固含量更高，可達70%以上；漆膜韌性更好，50cm反沖沒有任何的裂紋；漆膜表面平整光滑更加豐滿；②相比聚酯聚氨酯面漆，通過選擇固化劑HDI三聚體以及合理控制-NCO/-OH比例在1.1～1.2之間，漆膜有合理的交聯密度，具有更好的干燥速度、涂層硬度、耐候性以及耐化學品性；③通過對潤濕分散劑、流平劑、消泡劑、抗流掛劑、防老化劑以及催干劑等助劑的合理選擇，漆膜表面狀態良好，對層間附著力沒有任何影響，施工性能及耐候性更佳；④對施工工藝科學設計，面漆達到了流平性、鮮映性、豐滿度以及與底漆結合力好的效果。

關鍵詞：高固體分，脂肪族，丙烯酸樹脂，聚酯樹脂，面漆，研制

脂肪族聚氨酯面漆由于具有良好的裝飾性、耐化學品性、良好的耐候性和防腐蝕性，現在已成功應用于家具、車輛、輪船、飛機等領域，成為涂料裝飾領域研究的熱點。普通聚氨酯面漆現大多采用羥基丙烯酸樹脂配多異氰酸酯固化劑，雖然具有良好的保光、保色及耐候性，但一般存在的問題是：固體分偏低，VOC超標(噴涂固含量一般為40%～50%)；機械性能差(沖擊性能欠佳，膜脆)；漆膜豐滿度欠佳等[1-8]。

針對這些問題，我們成功開發了一種用丙烯酸樹脂與聚酯樹脂復配得到的綜合性能優異脂肪族聚氨酯面漆，具有高固體分、漆膜狀態平整光滑豐滿、良好的機械性能、良好的耐化學品性及耐候性。現在已成功應用，得到客戶的一致好評。

1實驗部分

1.1原材料

樹脂：高固體分丙烯酸樹脂，聚酯樹脂(進口)；固化劑：六亞甲基二異氰酸酯(HDI)縮二脲及三聚體(進口)；顏料：金紅石型鈦白粉，酞菁藍，炭黑，有機紅(全部進口)；填料：超細滑石粉及超細硫酸鋇(國產)；助劑(BYK、BASF等)、溶劑(國產)等。

1.2面漆的制備

按既定配方依次加入樹脂及部分稀料與助劑攪拌均勻，再依次加入鈦白粉、酞菁藍、炭黑、有機紅、滑石粉等顏填料，充分攪拌分散至無塊狀物，大約30min，然后進行研磨分散，直到色漿分散到細度15 以下為止，備用。于調漆缸中再加入剩余的助劑等，調整顏色、光澤及固含量等，取樣進行出廠一致性檢測，成品合格后進行過濾包裝。涂料的基本配方見表1。

表1　涂料基本配方

2結果與討論

2.1樹脂的選擇

從表2中，可知丙烯酸樹脂耐候性好，干燥快，但其機械性能較差，涂膜脆，漆的固含量較低及漆膜豐滿度欠佳；而聚酯樹脂雖然耐候性差點，但其漆膜韌性及豐滿度好，固體分高，易制得高固體分涂料。把丙烯酸樹脂與聚酯樹脂配合使用，可以提高漆膜的綜合性能，拓寬其使用領域，滿足客戶更高的使用要求。

表2　樹脂對涂料的性能影響

2.2固化劑的選擇

為了制得具有良好耐候性及機械性能的漆膜，固化劑的選擇非常關鍵。眾所周知，甲苯異氰酸酯，苯環易共軛，不耐候，而脂肪族或脂環族這一類的異氰酸酯化合物，具有突出的耐候性，長時間日光暴曬條件下都不泛黃，良好的機械性能。目前比較常用的是六亞甲基二異氰酸酯(HDI)縮二脲(Desmodur N75等)、HDI三聚體(Desmodur N3375、N3390等)、異佛爾酮二異氰酸酯(IPDI)三聚體等。相對HDI三聚體，雖然HDI縮二脲柔韌性好些，但其具有更好的干燥速度、涂膜硬度以及耐候性，主要原因是其分子結構能自聚形成的六元環，且環狀結構上沒有活潑氫原子，不會形成分子內或分子間氫鍵，不僅具有較高的穩定性，且產物的粘度低，易制得高固含量產品。選擇HDI三聚體作為主體固化劑。表3是HDI衍生物的性能比較。

表3　HDI衍生物的性能比較

2.3顏料的選擇

由于所研制的涂料應用在要求較為苛刻的領域，要求漆膜具有良好的耐候性，能長久保持鮮艷的色彩，故對顏料的選擇要慎重，要求所選擇的顏料不僅具有耐候性好，而且具有與樹脂體系良好的混溶性和著色性。無機顏料中分子鍵能一般較高，通常具有良好的耐熱性、耐化學品性和耐候性；有機顏料提供了更廣泛的顏色選擇和裝飾性，顏料的選擇取決于要求的顏色、防腐性能、耐侯性及其它性能。客戶要求的顏色以淺色為主，選擇具有良好耐候性的無機顏料杜邦鈦白粉為主，配以耐候性好的巴斯夫有機顏料，來滿足客戶的要求。

2.4助劑的選擇

助劑雖然在涂料體系中用量不大，但對涂料的性能起很重要的作用，一般助劑價格比較貴，也說明了其重要性。涂料中一般要加的助劑包括潤濕分散劑、流平劑、消泡劑、抗流掛劑、 防老化劑以及催干劑等，其用量加入很少，從0.01%～5%不等，取決于涂料的各種性能要求[9-10]。表4是經過實驗驗證后不同助劑的選擇。

表4　不同助劑種類的選擇

潤濕分散劑主要起潤濕顏料，提高其分散性，并最終達到防止涂料浮色發花以及良好的貯存穩定性。防止涂料浮色發花一般選擇低相對分子質量的潤濕分散劑，而涂料良好的分散及穩定性則選擇相對分子質量高的潤濕分散劑，可以非常有效地抗絮凝，對有機和無機顏料均能適用，因此應用得較多。對于不同的顏料，由于其表面處理情況不一樣，如吸油量，比表面積的不同，一種潤濕分散劑可能不能應用在多種顏料的分散，選擇合適的潤濕分散劑非常關鍵，不然會出現絮凝、貯存穩定性差、漆膜浮色發花等現象。對于不同的顏料，經過我們長時間的試驗，分別選擇了不同的潤濕分散劑，用量一般為1%～2%，制得漆的穩定性很好。

選擇合適的流平劑可以獲得平整光滑，無縮孔、凹陷和桔紋等表面缺陷的涂膜。可用作流平劑的種類有很多，一般分為以下幾種：高沸點溶劑、有機硅化合物、有機氟化合物、聚丙烯酸酯共聚物、醋酸丁酸纖維素(CAB)等。通過實驗發現，往往單一的流平劑很難達到理想的效果。高沸點溶劑、有機硅化合物及有機氟化合物主要起短波流平，而聚丙烯酸酯共聚物、醋酸丁酸纖維素(CAB)一般用在長波流平。有機硅化合物、有機氟化合物由于其能促進表面張力急速下降，影響漆膜的復涂，降低層間附著力。因此，有機硅化合物、有機氟化合物的選擇及加量要慎重。經過試驗研究：選擇聚丙烯酸酯流平劑和有機硅或有機氟流平劑復配使用，起到短波與長波流平協同增效作用，達到較好的流平效果，且不影響復涂后的涂膜層間附著力。

消泡劑的選擇與流平劑的選擇差不多，既要注重要有良好消泡能力，又要不影響涂膜層間附著力。經過試驗：同樣選擇既有流平能力又有消泡能力的聚丙烯酸酯和有機硅助劑搭配使用。

雙組分聚氨酯面漆是高固體分涂料，再加上如果基材不均勻的話，必須加入一定量的抗流掛劑來保證其良好的施工性，達到流平和流掛之間的平衡。有機膨潤土類、氫化蓖麻油衍生物類、聚酰胺蠟類、氣相二氧化硅類、改性脲類等是常用的抗流掛劑。通過實驗發現：有機膨潤土類用量較大，且效果不明顯；氫化蓖麻油衍生物類不適用該體系，效果同樣不明顯；聚酰胺蠟類對漆膜的光澤有影響；氣相二氧化硅類粉料輕，使用不方便，微弱消光；改性脲類是液體，使用方便，且抗流掛效果明顯，其用量一般為1%～2%。

由于所研制的涂料對耐候性苛刻要求，在體系中加入光穩定劑來進一步提高其耐候性以及保光、保色性能。常用的光穩定劑一般包括兩類：一種是紫外線吸收劑，另一種是受阻胺類。紫外線吸收劑的作用是吸收射入漆膜的紫外線，而受阻胺類是捕獲漆膜中降解的自由基，以阻止鏈式降解反應。兩者相互配合增效，達到提高漆膜壽命的作用。其用量經過試驗決定，一般添加量為總漆量的2%～3%。

在雙組分聚氨酯涂料固化成膜過程中，使用催干劑可以有效地加速-NCO與-OH的反應，縮短漆膜的干燥時間，但同樣也會縮短涂料混合后的適用期。為達到兩者之間的平衡，催化劑的用量必須適量。經過試驗論證：有機錫類催干劑效果更好。

2.5-NCO/-OH比例的影響

雙組分聚氨酯涂料必須確定恰當的-NCO/-OH比例，滿足性能的要求。表5列出了-NCO/-OH當量比與涂層性能關系。若多異氰酸酯加入太少，不足以與羥基完全反應，則漆膜交聯度較低，從而造成干性變差、耐溶劑性、耐化學品性、耐水性下降，甚至漆膜發軟。若多異氰酸酯加入太多，剩余的多異氰酸酯與空氣中的水蒸氣反應，使涂膜固化時產生的CO2較多，引起涂層表面起泡，且交聯密度過大，雖然提高抗溶劑性、抗化學品性，但使涂膜干得太快，變硬變脆，耐沖擊性變差。通過實驗論證：一般雙組分聚氨酯涂料的-NCO/-OH比例為1.1～1.2之間。

表5　-NCO/-OH當量比對涂層性能的影響

2.6施工方式的影響

目前廠家進行涂裝主要采用普通噴槍和人工噴涂。因此涂裝效果跟涂裝人員的噴涂經驗有很大關系[11-13]。要想面漆達到流平性、豐滿度、鮮映性且與底漆結合力好的效果，需特別注重以下幾個方面：

(1)噴涂室要封閉干凈，最好備有調溫調濕裝置，噴涂溫度在20℃～25℃，濕度在75%以下為佳。

(2)底漆要表面平整，不能有皺紋、瑕疵等，且在上面漆前，底漆徹底干透的話，最好其表面用細砂紙打磨活化。

(3)面漆施工粘度要適當，一般控制在12s～20s，使其表面流平良好而又沒有流掛、縮孔等漆膜弊病。施工時，最好采取高噴涂壓力、小出漆量、低油漆黏度方式進行。

3結論

通過對樹脂、顏料、助劑及施工工藝等研究，所研制出的脂肪族聚氨酯涂料，具有高固體分、漆膜豐滿、耐候性好、良好機械性能、化學性能及施工性能等優點，能完全滿足客戶對涂料性能的要求。

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中圖分類號：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