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水性双组分聚氨酯防腐涂料的研发与应用
2019/10/13
近几年，随着各国对环保的重视，对溶剂排放的严格限制，发展了多种水性涂料。由于传统的溶剂型双组分聚氨酯涂料在制造、施工、成膜过程中，向空气中散发大量的VOC，对人类生态环境构成了严重的污染和威胁，故双组分水性聚氨酯涂料越来越受到人们的青睐。
水性双组分聚氨酯防锈涂料以水溶性的聚氨酯树脂和含多异氰酸酯的固化剂组成，不仅具有成膜温度低、光泽高、附着力强等优点，而且节能环保、安全可靠，广泛应用于汽车、钢结构等领域的装饰。水性双组分聚氨酯防锈涂料涂膜性能与双组分溶剂型涂料不相上下，成为发展最快的涂料品种之一，从长远来看，水性聚氨酯涂料势必取代溶剂型聚氨酯涂料的市场。本文主要综述了水性双组分聚氨酯防锈涂料的制备与性能研究。
1.结果与研究
1.1 树脂的选择
本试验选用的是水性聚氨酯分散体作为成膜物质，双组分聚氨酯涂料的涂膜具有优异的耐溶剂性、耐热性及物理机械性能，现在已经广泛在工业行业中使用。双组分聚氨酯涂料分为A、B两个组分，分别贮存。A组分为含—OH的多元醇树脂，其与固化剂B组分反应，生成氨酯键。双组分水性聚氨酯涂料的性能主要是由A组分的多元醇树脂结构决定。相比于溶剂型双组分聚氨酯涂料，水性双组分聚氨酯涂料的A组分要有更加良好的水分散性，能将B组分固化剂较好地分散在水中。过去的聚氨酯树脂多用粒径在600 nm左右的多元醇树脂乳液，现今为了提高多元醇体系对固化剂的水分散性，多采用粒径小于70nm的水性多元醇树脂溶液。
1.2 固化剂加入量对涂膜的影响
双组分聚氨酯涂料的固化剂多为含—NCO的低黏度多异氰酸酯。双组分聚氨酯涂料的制造技术之一是确定合适的n(—NCO)/n(—OH)比例，通常设定n(—NCO)/n(—OH)=1。使1个—NCO基与1个—OH基反应生成氨酯键。但实际情况要通过试验研究，来确定合适的比例。若多异氰酸酯加入太少，不足与羟基反应，则涂膜交联度较低，抗溶剂性、耐热性、抗水性下降，甚至涂膜发软。若多异氰酸酯加入太多，则多余的—NCO基吸收空气中潮气转化成脲，增加交联密度，提高抗溶剂性以及硬度，但是涂膜较脆。经试验测试结果(见表3)，推荐水性固化剂的加入量为总量的6%。
1.3 助剂的选择
双组分聚氨酯涂料配制过程中时常有气泡产生的弊端，故需要添加具有消泡作用的助剂。而具有消泡作用的助剂可分为脱泡剂和消泡剂；选择消泡剂或脱泡剂时，表面张力要低于涂料的表面张力，与涂料体系要有一定的不相容性，但不能产生负面作用，因此要经过试验寻找适合水性双组分聚氨酯防锈涂料的消泡剂以及脱泡剂。最后，选择了有机硅类消泡剂和有机硅类脱泡剂，添加量为0.1%～0.3%。
水性涂料体系而言，通过添加少量的基材润湿剂，可降低涂料和基材的界面张力，提高涂料的展布性，防止缩孔，增强附着力。基材润湿剂的加入量一定要适中，过多的基材润湿剂会形成胶束，致使加入的消泡剂有一部分进入其中，从而降低了消泡效果。
润湿剂降低液/固之间的表面张力，增强颜料表面的亲液性，提高机械研磨效率，分散剂吸附在颜料的表面上构成电荷作用或空间位阻效应，使分散剂处于稳定状态，选择润湿剂和分散剂，要适合体系，否则会导致涂料出现浮色发花、分层、浮水、沉淀等不良现象。本试验颜料包括有机颜料和无机颜料，因此选用有机颜料分散剂和无机颜料分散剂搭配使用。
1.4 防锈颜料的选择
为了保护金属表面不被腐蚀，因此必须在涂料配方中加入一定量的防锈颜料，磷酸锌与涂料中的羟基、羧基，形成颜料-涂料-底材的高分子络合物，阻止锈的形成和发展。铁钛粉可引进几种纳米粉体材料，形成超致密的涂膜，有效地阻隔水分子、氯离子、氧气等对钢铁表面的侵蚀。三聚磷酸铝在钢铁底材表面形成致密的钝化膜，而使底材得到保护。防锈颜料的筛选结果如图1，最后选择的防锈颜料为铁钛粉，加入量为12%。
1.5 流变助剂的选择
用于水性工业涂料的流变助剂分为三大类：无机增稠剂类、碱溶胀类增稠剂、聚氨酯类增稠剂。无机增稠剂对光泽以及透明度的影响比较大，一般应用于色漆中。碱溶胀类增稠剂具有较强的增稠性，但是对pH值较敏感、耐水性不佳、流平性差，因此一般与聚氨酯类增稠剂搭配使用。聚氨酯类增稠剂有较好的流动性，对光泽、体系的pH值影响较小，但是增稠效率低，易流挂。强假塑型聚氨酯增稠剂，增稠效率高，并且流平性好，不易流挂。用以下几种增稠剂将双组分水性聚氨酯涂料增稠到相同的黏度，然后观察涂料的性状及涂膜的表面效果，比较结果如表4。最终选择假塑型聚氨酯类增稠剂。
2.结 论
近几年，随着人们环保意识的增强和对健康的重视，大家将目光转向水性涂料行业，于是水性工业涂料渐渐成为工业涂料发展的必然方向。而对水性双组分聚氨酯防锈涂料的应用进行深入的研究，使之尽快应用到工业涂料领域，将有利于推动整个水性工业涂料行业健康发展。
本试验制得的水性双组分聚氨酯防锈涂料，经检测各项性能都达到所要求标准，同时符合环保要求，又兼具制作工艺简单的优点，故有很高的性价比，具有很好的市场前景。
水性双组分聚氨酯防锈涂料以水溶性的聚氨酯树脂和含多异氰酸酯的固化剂组成，不仅具有成膜温度低、光泽高、附着力强等优点，而且节能环保、安全可靠，广泛应用于汽车、钢结构等领域的装饰。水性双组分聚氨酯防锈涂料涂膜性能与双组分溶剂型涂料不相上下，成为发展最快的涂料品种之一，从长远来看，水性聚氨酯涂料势必取代溶剂型聚氨酯涂料的市场。本文主要综述了水性双组分聚氨酯防锈涂料的制备与性能研究。
1.结果与研究
1.1 树脂的选择
本试验选用的是水性聚氨酯分散体作为成膜物质，双组分聚氨酯涂料的涂膜具有优异的耐溶剂性、耐热性及物理机械性能，现在已经广泛在工业行业中使用。双组分聚氨酯涂料分为A、B两个组分，分别贮存。A组分为含—OH的多元醇树脂，其与固化剂B组分反应，生成氨酯键。双组分水性聚氨酯涂料的性能主要是由A组分的多元醇树脂结构决定。相比于溶剂型双组分聚氨酯涂料，水性双组分聚氨酯涂料的A组分要有更加良好的水分散性，能将B组分固化剂较好地分散在水中。过去的聚氨酯树脂多用粒径在600 nm左右的多元醇树脂乳液，现今为了提高多元醇体系对固化剂的水分散性，多采用粒径小于70nm的水性多元醇树脂溶液。
1.2 固化剂加入量对涂膜的影响
双组分聚氨酯涂料的固化剂多为含—NCO的低黏度多异氰酸酯。双组分聚氨酯涂料的制造技术之一是确定合适的n(—NCO)/n(—OH)比例，通常设定n(—NCO)/n(—OH)=1。使1个—NCO基与1个—OH基反应生成氨酯键。但实际情况要通过试验研究，来确定合适的比例。若多异氰酸酯加入太少，不足与羟基反应，则涂膜交联度较低，抗溶剂性、耐热性、抗水性下降，甚至涂膜发软。若多异氰酸酯加入太多，则多余的—NCO基吸收空气中潮气转化成脲，增加交联密度，提高抗溶剂性以及硬度，但是涂膜较脆。经试验测试结果(见表3)，推荐水性固化剂的加入量为总量的6%。
1.3 助剂的选择
双组分聚氨酯涂料配制过程中时常有气泡产生的弊端，故需要添加具有消泡作用的助剂。而具有消泡作用的助剂可分为脱泡剂和消泡剂；选择消泡剂或脱泡剂时，表面张力要低于涂料的表面张力，与涂料体系要有一定的不相容性，但不能产生负面作用，因此要经过试验寻找适合水性双组分聚氨酯防锈涂料的消泡剂以及脱泡剂。最后，选择了有机硅类消泡剂和有机硅类脱泡剂，添加量为0.1%～0.3%。
水性涂料体系而言，通过添加少量的基材润湿剂，可降低涂料和基材的界面张力，提高涂料的展布性，防止缩孔，增强附着力。基材润湿剂的加入量一定要适中，过多的基材润湿剂会形成胶束，致使加入的消泡剂有一部分进入其中，从而降低了消泡效果。
润湿剂降低液/固之间的表面张力，增强颜料表面的亲液性，提高机械研磨效率，分散剂吸附在颜料的表面上构成电荷作用或空间位阻效应，使分散剂处于稳定状态，选择润湿剂和分散剂，要适合体系，否则会导致涂料出现浮色发花、分层、浮水、沉淀等不良现象。本试验颜料包括有机颜料和无机颜料，因此选用有机颜料分散剂和无机颜料分散剂搭配使用。
1.4 防锈颜料的选择
为了保护金属表面不被腐蚀，因此必须在涂料配方中加入一定量的防锈颜料，磷酸锌与涂料中的羟基、羧基，形成颜料-涂料-底材的高分子络合物，阻止锈的形成和发展。铁钛粉可引进几种纳米粉体材料，形成超致密的涂膜，有效地阻隔水分子、氯离子、氧气等对钢铁表面的侵蚀。三聚磷酸铝在钢铁底材表面形成致密的钝化膜，而使底材得到保护。防锈颜料的筛选结果如图1，最后选择的防锈颜料为铁钛粉，加入量为12%。
1.5 流变助剂的选择
用于水性工业涂料的流变助剂分为三大类：无机增稠剂类、碱溶胀类增稠剂、聚氨酯类增稠剂。无机增稠剂对光泽以及透明度的影响比较大，一般应用于色漆中。碱溶胀类增稠剂具有较强的增稠性，但是对pH值较敏感、耐水性不佳、流平性差，因此一般与聚氨酯类增稠剂搭配使用。聚氨酯类增稠剂有较好的流动性，对光泽、体系的pH值影响较小，但是增稠效率低，易流挂。强假塑型聚氨酯增稠剂，增稠效率高，并且流平性好，不易流挂。用以下几种增稠剂将双组分水性聚氨酯涂料增稠到相同的黏度，然后观察涂料的性状及涂膜的表面效果，比较结果如表4。最终选择假塑型聚氨酯类增稠剂。
2.结 论
近几年，随着人们环保意识的增强和对健康的重视，大家将目光转向水性涂料行业，于是水性工业涂料渐渐成为工业涂料发展的必然方向。而对水性双组分聚氨酯防锈涂料的应用进行深入的研究，使之尽快应用到工业涂料领域，将有利于推动整个水性工业涂料行业健康发展。
本试验制得的水性双组分聚氨酯防锈涂料，经检测各项性能都达到所要求标准，同时符合环保要求，又兼具制作工艺简单的优点，故有很高的性价比，具有很好的市场前景。
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