0 引 言
双组分聚氨酯漆具有涂层干燥速度快, 施工周期短, 漆膜机械性能、耐老化性、耐化学品性优良等特点, 广泛应用于各种金属制品、塑料制品的表面涂装, 还可以作为修补漆使用,如门窗家具、工程机械五金制品、铝材、不锈钢底材、汽车摩托车附件等, 可低温固化, 也可常温干燥。它由两个组分组成,甲组分为色漆或清漆, 用成膜树脂及各种颜填料、助剂、溶剂配制而成, 乙组分为不黄变的异氰酸酯固化剂。聚氨酯漆甲组分的制备, 一般用成膜树脂、助剂、溶剂配制成预聚物, 俗称光油, 可单独作为清漆使用, 若加入研磨好的颜填料浆, 即可制成色漆。光油的性能决定了所制成的聚氨酯漆的性能。本研究采用羟基丙烯酸树脂和高固含量、高羟值的合成脂肪酸醇酸树脂制备光油, 研究了树脂、助剂和溶剂等因素及光油与固化剂配比对光油性能的影响, 结果制得了漆膜机械性能、耐老化性和耐化学品性优良的双组分丙烯酸聚氨酯光油。
1 实验部分
1. 1 原材料
羟基丙烯酸树脂、合成脂肪酸醇酸树脂: 国产; 丙烯酸类流平剂( BYK - 358 )、树脂类消泡剂、金属锡催干剂: 进口;N3390( - NCO含量19.6% ): 德国BAYER; 二甲苯、醋酸正丁酯: 国产; 稀释剂: 自制。
1. 2 成膜树脂的性能指标
实验中采用国产的羟基丙烯酸树脂和合成脂肪酸醇酸树脂制备光油, 即甲组分, 其性能指标如表1所示。
1. 3 金属锡催干剂和树脂类消泡剂的配制
金属锡催干剂和树脂类消泡剂在产品配方中的用量很少, 为了准确控制其添加量, 必须先用溶剂稀释到一定的浓度, 如表2所示。
表2 金属锡催干剂和消泡剂的配制
表2 金属锡催干剂和消泡剂的配制
1. 4 双组分丙烯酸聚氨酯光油参考配方
双组分丙烯酸聚氨酯光油参考配方见表3。
从表5可以看出, 当加入合成脂肪酸醇酸树脂后, 光油漆膜的光泽和丰满度等均有所改善, 硬度则有所降低, 但是当其量达到一定程度后(在配方中比例达到24%以上), 会对光油的耐水性和耐老化造成不利影响。这是因为合成脂肪酸醇酸树脂的固含量很高[ ( 80 ± 2 )% ], 羟值也很高( 145 mgKOH /g ), 在同样的施工黏度下, 合成脂肪酸醇酸树脂含量越高, 施工固含量也越高, 这样制得的漆膜自然光泽越高, 丰满度也越好, 但是其羟基含量远比羟基丙烯酸树脂高( 前者羟值145 m gKOH /g, 后者只有85. 8 m gKOH /g ), 在同样的固化剂配比下, 合成脂肪酸醇酸树脂含量越高, 残留未反应完全的羟基也越多, 因此造成了耐水性和耐老化性变差。比较来看, 当羟基丙烯酸树脂与合成脂肪酸树脂比例为74:16时漆膜综合性能好。
生产工艺: 按配方量称取树脂、助剂, 分散均匀, 用稀释剂调整黏度到80~ 100 s[涂- 4杯, ( 25± 1) ℃ ]。在制得的甲组分(光油)中加入各种颜填料浆, 搅拌均匀后即可制成聚氨酯色漆, 也可单独作为清漆使用。无论是色漆还是清漆, 它们与乙组分(固化剂)的配比都是4:1(质量比)。
1. 5 性能检测
将光油与固化剂以4:1均匀混合, 用稀释剂稀释到黏度18~ 22 s, 用空气喷枪喷涂, 流平10 m in后放入80℃ 烘箱烘烤30 m in(也可常温干燥24 h), 取出静置冷却, 测试性能如表4所示。
2 结果与讨论
2. 1 合成脂肪酸醇酸树脂对光油性能的影响
成膜树脂中的羟基丙烯酸树脂性能优异, 但是若单用它制备光油, 在漆膜光泽、丰满度等方面还略显不足, 因此加入合成脂肪酸醇酸树脂与之拼用, 以改进性能。合成脂肪酸醇酸树脂对光油性能的影响如表5所示。
2. 2 助剂对光油性能的影响
2. 1. 1 流平剂的影响
流平剂一般是通过与涂料体系的一种可控制的不相容来降低涂料体系的表面张力, 促使漆膜流平, 消除漆膜的表面缺陷。常用的流平剂有两种, 丙烯酸类流平剂和有机硅类流平剂。两种类型的流平剂对光油性能影响如表6所示。
从表6可以看出, 使用有机硅类流平剂制备的光油重涂后层间附着力很差。这是因为有机硅类流平剂里含有硅油,硅油在漆膜干燥时会迁移到漆膜表面, 影响了光油重涂后的层间附着力。光油制备的双组分聚氨酯漆不论是作为一般涂料涂装还是作为修补漆使用, 均需要重涂或返工, 因此为了不影响层间附着力, 应选用丙烯酸类流平剂。目前市场上也有一些有机硅类流平剂(如BYK - 331、BYK - 310 等)不影响层间附着力, 但还需实验仔细鉴别。
2. 2. 2 金属锡催干剂的影响
双组分聚氨酯漆是基于多异氰酸酯与多羟基树脂之间的反应, 加入微量的催干剂可以降低活化能, 促进异氰酸酯的反应, 并引导反应沿着预期的方向进行。常用的催干剂有叔胺类、金属化合物和有机膦3类, 在制造聚氨酯光油过程中, 一般是用金属化合物中的锡催干剂。以不同金属锡催干剂添加量配制光油, 用稀释剂稀释到黏度80~ 100 s, 放入( 50± 1) ℃烘箱贮存2周, 测定黏度变化情况, 并用相应光油制板, 80 ℃烘烤30 m in, 测定其性能。结果如表7所示。
从表7可以看出, 随着金属锡催干剂添加量的增加, 光油贮存稳定性变差(黏度增加程度变大), 表干时间、胶化时间缩短, 光油漆膜硬度提高, 相应的耐冲击性变差, 说明其添加量一定要恰当。比较来看, 当金属锡催干剂添加量为0. 05%时(稀释成1%含量时为5% )漆膜综合性能好。
2. 2. 3 消泡剂的影响
双组分聚氨酯漆经常有起泡的弊病, 需要添加消泡剂, 通常分为非硅的树脂类消泡剂和有机硅类消泡剂。树脂类消泡剂是热塑性共聚树脂, 例如乙烯基异丁醚和丙烯酸酯的共聚体等, 其特性是与聚氨酯漆不相容, 能将存在于漆膜中的小气泡表面层破坏, 使小气泡逐渐并成大气泡, 则按Stoke 定律, 气泡上升的速度与其直径平方成比例, 气泡越大, 上升越快, 升至漆膜表面而消除之。有机硅类消泡剂也有使漆膜消除气泡的功能, 气泡一旦升至表面, 由于有机硅体系的表面张力很低, 能在泡的表面展布, 而使泡破裂。有机硅类消泡剂虽然消泡能力优良, 但经常会使漆膜重涂后的层间附着力变差, 因此在本实验的光油中, 选用非硅的树脂类消泡剂。
2. 3 溶剂对光油性能的影响
关于聚氨酯漆中所用的溶剂, 主要考虑两个方面: ( 1) 溶剂中不能含有能够与异氰酸酯( R-N =C= O) 反应的物质,使漆变质; ( 2)溶剂的溶解力和挥发速率, 这对聚氨酯漆的制备和施工影响很大。
对于点, 就是要求聚氨酯漆中不能用醇、醚醇类溶剂, 而且所用的溶剂里不能含水。
对于第二点, 溶剂的溶解力不强, 对聚氨酯漆的溶解或稀释有困难, 会造成漆膜颜色局部不均匀, 光泽下降, 因此应选用溶解能力强的溶剂, 酯类溶剂采用多, 另外烃类溶剂溶解力较差, 但稳定性好, 经常与酯类溶剂配合使用; 挥发速率方面, 由于一年四季气温相差较大, 夏秋季气温高时, 溶剂的挥发速率大大加快, 使漆膜的表干时间缩短, 流平性能变差, 导致漆膜产生许多表面缺陷, 如橘皮、针孔等, 因此应选用挥发速率较慢的溶剂, 以减少漆膜的表面缺陷。相反冬春季气温低时, 应选用挥发速率较快的溶剂。
综合以上两点, 通过实验得出较好的光油稀释剂配方, 如表8所示。
2. 4 光油与固化剂配比对光油性能的影响
根据表3中光油与固化剂的配比计算出光油与固化剂理论配比为3. 5:1, 再根据3.5:1这个理论配比, 做相应的梯度实验, 结果如表9所示。
表9 光油与固化剂配比对光油性能的影响
从表9可以看出, 光油与固化剂配比在3. 5~ 4. 5:1范围内时, 漆膜性能都不错, 说明对此光油来说, 它与固化剂配比为3.5~ 4.5:1是比较合适的, 本实验取其中间值4:1。
3 结 语
( 1)在光油中添加高固含量、高羟值的合成脂肪酸醇酸树脂与羟基丙烯酸树脂拼用, 当丙烯酸树脂与醇酸树脂比例为74:16时, 既可提高光油的丰满度和光泽, 又不会对光油的耐水性和耐老化性造成不利影响。
( 2)光油中采用丙烯酸类流平剂和非硅的树脂类消泡剂,在达到较好的流平性和消泡性时, 不会影响光油重涂的层间附着力, 常用的催干剂是金属锡催干剂, 其添加量为0.05%时, 光油漆膜性能优良。
( 3)不能用醇类、醚醇类溶剂, 所用溶剂不能含水, 溶解力要强, 应根据季节温度变化选用不同挥发速率的溶剂, 夏秋季慢些, 冬春季快些。
( 4)运用公式计算的光油与固化剂配比不一定准确, 在理论计算的基础上通过实验确定光油与固化剂配比为3.5~ 4. 5:1时较为合适, 采用中间值4:1。
