浅析水性聚氨酯涂料研究进展论文
随着人们环保、能源意识的增强,特别是各国环保法规对涂料体系中有机挥发物( VOC)含量的严格限制, 促进了水性涂料为代表的低污染型涂料的发展。水性涂料是以水为分散介质的一类涂料,具有不燃、无毒、不污染环境、节省能源和资源等优点。水性聚氨酯涂料将聚氨酯涂膜的硬度高、附着力强、耐磨蚀、耐溶剂性好等优点与水性涂料的低VO C含量相结合,且聚氨酯聚合物具有裁剪性,采用分子设计原理,结合新的合成和交联技术,能有效控制涂膜聚合物的组成和结构,使水性聚氨酯涂膜性能相当于甚至优于传统溶剂型涂料,成为发展最快的涂料品种之一。
1 聚氨酯水分散体涂料
1. 1 水性聚氨酯分散体的合成
聚氨酯( PU )水分散体的制备多采用聚合物自乳化法,即在聚合物链上引入适量的亲水基团,在一定条件下自发分散形成乳液。根据扩链反应不同,自乳化法可分为: 丙酮法、熔融分散法、预聚体分散法和酮亚胺法等,其中丙酮法和预聚体分散法较为成熟。丙酮法的扩链反应在均相体系中进行, 易于控制,重复性好,乳液质量高,适应性强。但需回收丙酮溶剂,生产效率低、能耗大。预聚体分散法的扩链反应在非均相体系中进行,无需使用大量的有机溶剂,可制备有支化度的聚氨酯乳液。近年来聚氨酯水分散体的研究热点有: ( 1)以脂肪族异氰酸酯单体为原料,采用预聚物混合工艺,研究软段多元醇的分子量、亲水离子含量和聚氨酯预聚物分子量等对聚氨酯分散体的粒子结构、形态、稳定性和涂膜物理力学性能等的影响,在宏观物性上探讨聚氨酯水分散体的结构与性能的关系,在产品开发与应用方面作了大量工作; ( 2)系统研究扩链剂种类、扩链工艺、中和度、介质介电常数等对分散体形态和结构影响,研究分散体的流体力学行为,并采用热分析技术,研究分散体涂膜的降解动力学; ( 3)相继出现了采用软段离子化和离子化扩链剂等合成分散体的新方法,如魏欣[4 ]等采用含叔胺基聚醚合成系列聚氨酯离聚物, Wei等采用离子化的聚氧乙烯化胺( N PEO)制备以N PEO为内乳化剂的聚氨酯水分散体。水性聚氨酯分散体的制备工艺涉及到脲链段的生成,有机溶剂的大量消耗,特殊的封端反应, 过量的NCO基含量及特别的反应物(如离子型扩链剂) ,其共同缺点是合成工艺复杂,质量可控性差,因此,探索易于控制的水性聚氨酯分散体的合成方法成为该领域的研究热点。
2 聚氨酯分散体涂料的改性研究
聚氨酯乳液的自增稠性差、固含量低、乳胶膜的耐水性差、耐溶剂性不良、硬度、表面光泽度低等,交联改性可以进一步提高聚氨酯水分散体涂料的机械性能和耐化学品性能。首先,通过选用多官能度的合成原材料如多元醇、多元胺扩链剂和多异氰酸酯交联剂等合成具有交联结构的水性聚氨酯分散体。其次,添加内交联剂,如碳化二亚胺、甲亚胺和氮杂环丙烷类化合物,在碱性条件下相当稳定,在聚氨酯乳液中能稳定存在,涂膜在干燥过程中由于水及中和剂的挥发,使得胶膜中的pH值下降,交联反应得以进行。另外热活化交联是由封端型异氰酸酯乳液与聚氨酯乳液混合形成稳定的单组分乳液,干燥后进行热处理能使高反应性的N CO基团再生,与聚氨酯分子所含的活性氢基团(如羟基、胺基、脲基、聚酯基)反应形成交联的涂膜。自动氧化交联的水性聚氨酯,是将含不饱和键的植物油或其脂肪酸引入其分子链中,由金属催干剂(如钴、锰、锆盐)来催化自交联,其原理与自干性醇酸相同。
复合改性也可提高聚氨酯乳液的性能,包括环氧树脂、有机硅和丙烯酸酯复合改性。许戈文等通过环氧改性水性聚氨酯,将环氧树脂较高的支化度引入到聚氨酯主链上,提高乳液涂膜的附着力、干燥速率、涂膜硬度和耐水性。王武生等采用氨基丙基三乙氧基硅烷与多异氰酸酯反应合成端硅氧烷聚氨酯预聚体,然后分散于水中,依靠硅氧烷水解缩合扩链交联制备交联水分散聚氨酯。研究发现这种硅氧烷封端的聚氨酯水分散体形成的涂膜具有优良的耐水性,其涂膜的硬度、抗拉强度随硅含量的增加而上升,具有优良的力学性能。丙烯酸酯改性聚氨酯乳液( PU A)可将聚氨酯的较高的拉伸强度和冲击强度、优异的柔性和耐磨损性能与丙烯酸树脂的良好附着力、较低的成本有机地结合,制备出高固含量、低成本的水性树脂,降低加工能耗。PUA乳液的制备方法较多,主要包括: 物理共混; 合成带C= C双键的不饱和氨基甲酸酯单体和丙烯酸酯单体共聚; 采用PU乳液作种子,进行种子乳液聚合;封端PU 乳液与含羟基的丙烯酸树脂乳液聚合; 也有采用接枝互穿网络( IPN )进行改性。新型的PUA复合乳液主要集中在有关PU A的互穿聚合物胶乳、核/壳乳液、超浓乳液、封端型乳液等的合成与性能研究,而该领域具有核壳结构微乳液的结构与性能关系的研究尤受重视。
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)的水性多元醇组分组成,分述如下。
2. 1 水性多元醇体系
水性双组分聚氨酯涂料的多元醇体系必须具有分散功能,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。水性双组分聚氨酯涂料的多元醇有分散体型多元醇(粒径小于0. 08μm)和乳液型多元醇(粒径在0. 08 μm～ 0. 5μm之间) 。乳液型多元醇的制备采用乳液聚合技术,具有工艺简单、成本低的优点; 乳液型多元醇的分子量较高,对多异氰酸酯固化剂的分散能力较差; 为了改善涂膜的外观,必须采用亲水改性的多异氰酸酯固化剂,或采用高剪切力混合设备。
分散体型多元醇的制备一般是在有机溶剂中合成含有亲水离子或非离子链段的树脂,通过相转移将树脂熔体或溶液分散在水中得到。其优点为聚合物的分子量及其分子量分布易于控制。但分散体多元醇粘度较大,其施工固体含量较高,引入的亲水单体会降低双组分涂膜的耐水性。根据化学结构分散体型多元醇可分为:聚酯分散体多元醇,丙烯酸分散体多元醇和聚氨酯分散体多元醇。丙烯酸分散体多元醇具有较低的分子量,较高的羟基官能度,配制的涂膜交联密度较高,具有良好的耐溶剂性、耐化学品性和较好的耐侯性,但涂膜的干燥速度较慢。聚酯分散体多元醇配制的双组分涂料具有良好的流动性,涂膜光泽较高,适用于配制高光色漆。其缺点是聚酯分子链的酯键易水解,聚合物链易产生断裂。将丙烯酸聚合物接枝到聚酯分子链上制备聚酯-丙烯酸复合分散体多元醇,可以提高聚酯链的耐水解性,该多元醇配制的双组分涂料将聚酯的软链段和丙烯酸树脂的硬链段结合在一起,有利于涂膜的硬度和柔韧性保持良好平衡。聚氨酯分散体多元醇配制的双组分涂料具有优异的物理力学性能和耐化学性能,而且可通过调整氨基甲酸酯键的浓度来裁剪涂膜性能。因此,聚氨酯多元醇分散体是理想的双组分聚氨酯涂料的羟基组分。