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。

2. 2 多异氰酸酯体系选择

用于双组分水性聚氨酯涂料体系的固化剂有: 亲水改性多异氰酸酯固化剂、低粘度多异氰酸酯固化剂和较难与水反应的固化剂。脂肪族异氰酸酯的二聚体和三聚体是聚氨酯涂料常用的固化剂,环状的三聚体具有稳定的六元环结构及较高的官能度, 粘度较低,易于分散,具有较好的涂膜性能; 缩二脲固化剂由于粘度较高,不易分散,较少直接应用于水性双组分聚氨酯涂料。为了提高多异氰酸酯固化剂在水中的分散能力,常采用亲水基团对其进行改性。适合的亲水组分有离子型、非离子型或二者的结合,这些亲水组分与多异氰酸酯具有良好的相容性,作为内乳化剂帮助固化剂分散在水相中,降低混合剪切能耗。其缺点在于亲水改性消耗了固化剂的部分N CO 基,降低了固化剂的官能度,增加了体系的亲水性。第三类固化剂为叔异氰酸酯固化剂 ,如偏四甲基苯基二异氰酸酯与三羟甲基丙烷的加成物,其主要特点为固化剂的N CO基与水反应的速度非常慢,可制备无气泡涂膜,但其玻璃化温度高,需玻璃化温度较低和乳化能力较强的多元醇与其配制。

2. 3 双组分水性聚氨酯涂料的成膜

水性双组分聚氨酯涂料的成膜初期为物理干燥成膜,随着水分的蒸发,分散体或乳液粒子凝聚, 聚合物链相互扩散和反应。影响因素有: 其一,水分的蒸发量, 蒸发量越大,物理成膜时间越长,水分的蒸发量由涂料的施工固含量决定; 同时,环境温度和湿度影响水分的蒸发速率。其二,多元醇和固化剂的粘弹性影响粒子的凝聚过程,粘弹性由聚合物的玻璃化温度、极性、分子量和溶剂或增塑剂含量决定。最后,聚合物粒子之间的排斥力,起稳定乳液粒子的作用,乳液粒子相互接触,必须克服粒子之间的排斥力。化学干燥过程比较复杂,涉及到固化剂的NCO 基与多元醇的羟基、水和稳定聚合物粒子的羧基等反应,反应速率取决于施工环境的温度、湿度、反应体系中催化剂含量和基团的反应活性等。

水性双组分聚氨酯涂料体系的固化反应可分为主反应和副反应,以丙烯酸分散体多元醇和亲水改性的多异氰酸酯固化剂组成的双组分水性聚氨酯体系为例,体系含有胺中和剂和羟基功能化的共溶剂,主反应为多元醇与固化剂反应形成氨基甲酸酯聚合物,副反应包括固化剂可能与共溶剂或中和剂的羟基、胺基、多元醇的羧基及水反应,如Fig. 1所示。固化剂与水的副反应生成胺和二氧化碳,胺立即与N CO基反应形成脲,随着水分的蒸发和涂膜的形成,二氧化碳会溶解在涂膜中或以气体形式释放。多元醇的羧基与N CO基的`反应生成酰胺,但反应速度较小;胺中和剂脱离涂膜后,羧基可能和羟基反应,该反应极大消除涂料体系的亲水性,改善涂膜的耐水性。采用FT-IR光谱或13 C-NMR光谱可以检测各反应之间的竞争。为了补充副反应消耗的N CO基,常采用过量的多异氰酸酯固化剂以保证涂膜优异性能。

施工环境和固化条件决定主反应和副反应程度。室温下水分的蒸发相对较快, 30 min内水分在涂膜中的浓度下降到2% ～ 3% ,最终的平衡浓度为1%左右。相对于水分的蒸发速率,涂膜的N CO基的降低速率较慢,室温下30min,只有6% 的NCO基参与反应, 24 h后参与反应的N CO基增大到90% , 完全反应需要几天。环境温度对干燥过程有重要作用,室温固化过程约有60% 的NCO基与水反应形成脲, 而130℃干燥30 min与水反应的N CO基含量降45低到10%。随着固化温度升高,生成氨基甲酸酯的含量越多,副反应程度越低。

2. 4 水性双组分聚氨酯体系的缺陷

通常选择合适的水性多元醇和固化剂配制双组分水性聚氨酯涂料,其涂膜的光泽、硬度、耐化学性能及耐久性可与溶剂型双组分相当。但目前许多水性双组分聚氨酯涂料具有不同的缺陷,有的还严重限制了双组分涂料的应用,Tab. 1列出了双组分水性聚氨酯涂料的缺陷。水性涂料的主要缺陷在于厚膜中易形成气泡和微泡,这是喷涂过程中空气残留在涂膜中引起的。水性双组分聚氨酯涂料更有可能形成气泡,因为涂膜形成过程中产生二氧化碳以及随涂膜粘度的增大二氧化碳会滞留在涂膜中所致; 二氧化碳的产生来源于NCO基与涂膜中水分的反应。Nabuurs研究发现,对于丙烯酸乳液多元醇,涂膜中二氧化碳气泡产生量主要取决于合成丙烯酸乳液的羧基单体类型、N CO /O H及涂膜中水分的含量。采用甲基丙烯酸或丙烯酸单体进行乳液聚合,总有部分羧基单体聚合形成羧酸聚合物溶解在水相中,与固化剂成膜时形成吸湿区,涂膜产生大量的二氧化碳气泡; 而采用丙烯酸U羧乙酯为羧基单体时,羧基单体结合到聚合物链上,涂膜中不存在吸湿区,因此能形成无泡涂膜。当然,二氧化碳气泡的消除和无缺陷涂膜的形成机理,还有待于进一步研究。

3 水性聚氨酯涂料的应用与展望

高性能与低VO C含量相结合的水性聚氨酯涂料具有广阔的应用前景。以脂肪族多异氰酸酯为交联剂的新型水性双组分聚氨酯涂料,涂膜干燥速度快,光泽高,外观好,具有良好的力学性能,耐化学品性能和耐侯性等, 其VO C含量相当于溶剂型双组分聚氨酯涂料的20% ,可取代溶剂型双组分聚氨酯涂料广泛应用于汽车面漆、汽车修补漆、木器涂料、皮革涂料。此外水性聚氨酯涂料还能应用于塑料涂料、工业涂料和腐蚀保护涂料,满足不同的性能要求。

随着对水性聚氨酯结构、性能、成膜过程的反应机理等进一步研究,结合新的水性多元醇聚合物的合成技术, 水性聚氨酯涂料将会变得方便施工,涂膜性能易于设计和优化,以满足特殊用途。水性聚氨酯涂料的研究方向为: 进一步完善和发展高性能无缺陷水性聚氨酯涂料体系; 依靠聚氨酯分子的可裁剪特性,在聚氨酯链上引入特殊功能的分子结构如含氟、含硅聚合物链,赋予聚氨酯涂膜多功能性; 进一步开拓水性聚氨酯涂料的应用领域,如水性双组分聚氨酯涂料可作为特殊柔软感涂料,其涂膜表面柔软无光,具有从橡胶到丝绒触感,应用于汽车内部塑料仪器表面的涂装。其涂膜具有耐溶剂性、耐化学品性、耐清洁剂擦洗性,涂膜不必很硬,必须具有良好的柔韧性,低温弹性,对塑料具有良好的附着力。涂膜的耐化学性和柔软感取决于合适的亲水改性多异氰酸酯固化剂与高分子量的聚氨酯分散体和低分子量的聚脂-聚氨酯复合多元醇的复配。