潮气固化聚氨酯耐磨涂料开发
吕守峰1 * 俞从正1** 曲建波2
( 1. 陕西科技大学皮革工程学院, 咸阳712081; 2. 烟台万华集团技术中心, 烟台264002)

聚氨酯涂料由于其原料选择范围广泛, 原料、配方的不同, 可使其性能变化以满足不同的要求, 扩展应用范围。从分类来讲, 聚氨酯涂料可以按照原料大分子多元醇的不同分为聚醚型、聚酯型、醇酸型、环氧型等; 按照异氰酸酯的不同分为普通型和不黄变型。按照反应类型分为双组分反应体系、单组分潮气固化体系、单组分封闭体系。双组分反应体系和单组分潮气固化体系的突出特点是室温固化, 所得涂层的综合性能常常是烘制涂层所不及的, 这一点在目前具有很重要的经济性。本课题的研制目标是在综合性能较好的情况下, 更加突出其耐磨性能, 适应在运转摩擦的情况中使用。要求较好的粘合性, 较高的硬度和韧性。在选择适合原料的前提下, 单组分潮气固化聚氨酯涂料具备以上特性, 而且使用方便, 适用温度范围广。

1 试验部分
1. 1 原料
4, 4 ) 二苯基甲烷二异氰酸酯(MDI) , 烟台万华聚氨酯公司; 甲苯二异氰酸酯, 日本三井; 聚酯多醇, 华大化学; 聚醚多醇, 天津石化三厂; 二甲基甲酰胺, 江苏武进; 醋酸乙酯, 市售工业品; 环己酮、乙二醇、丁二醇, 市售工业品。
1. 2 原理
潮气固化聚氨酯涂料是由异氰酸酯、大分子多元醇、扩链剂, 在溶剂中合成的末端含有异氰酸酯基的预聚物, 使用时异氰酸酯基与空气中的水分反应, 并进一步交联反应形成强力涂层。
1. 3 合成方法
采用溶液聚合制备预聚体。按配方投入原料后, 在70~ 80ºc 保温反应一定时间, 取样进行黏度分析, 调整到要求后出料。
1. 4 检测方法
1. 4. 1 抗张强度和撕裂强度
将涂料在玻璃板上制作一定厚度的涂层膜, 该涂层膜在拉力机上进行抗张强度和撕裂强度的测试。
1. 4. 2 耐磨性
在圆形玻璃板上制作涂膜, 在旋转磨耗试验机上进行旋转磨耗试验,载重500g, 1 000 转, 计算其失重。失重少, 说明耐磨性好。

2 结果与讨论
2. 1 原料的影响
聚氨酯涂料硬链段由异氰酸酯与低分子二元醇组成, 软链段由大分子多元醇组成, 软硬的结合赋予涂层一定的弹性。选用原料和组成的不同,所形成的涂膜各具特点。
2. 1. 1 异氰酸酯
常用的异氰酸酯有MDI 和TDI,两者比较, MDI 的分子结构对称, 使高分子链之间容易敛集, 分子间力增大,内聚力增大, 所以其弹性、耐磨性较TDI 所形成的聚氨酯涂膜的耐磨性优越, 用相同含量的异氰酸酯合成的涂料做对比试验, 结果见表1。
表1 MDI 和TDI 对涂膜物理性能的影响

2. 1. 2 大分子多元醇
常用的大分子多元醇中, 聚酯多醇的分子极性大, 因此, 它所形成的涂层具有耐温、耐磨、耐油等优越性能,具有较高的硬度, 机械性能好。聚醚多醇的柔性好, 对于要求较高的涂层不适合, 其撕裂强度的比较见表2。

聚酯多醇的分子量如果过大, 会影响涂膜的硬度, 间接影响其耐磨性;如分子量过小, 会使涂膜太脆, 也会对耐磨性不利, 分子量选择在1 000 至2 000左右为宜。
2. 1. 3 扩链剂
从低分子多元醇的结构来分析,烷基二醇中直链结构和甲撑的数量以双数为宜, 如乙二醇、丁二醇, 这种结构形成的聚氨酯易形成结晶, 从而提高耐磨性能。
2. 2 配方对性能的影响
2. 2. 1 异氰酸酯含量的影响
由于要求涂层具有较高的耐磨性能, 涂层的硬度也要高, 但应控制在一定的程度。MDI 含量的增加, 使涂层的硬度随之增加, 但超过了一定程度;涂膜开始变脆, 这时它的各方面性能会急剧下降。在MDI 含量对性能影响的系列试验中发现, 开始随MDI 含量的增加, 涂层的撕裂强度和耐磨性都有所增加, 抗张强度基本保持不变, 而在后期有所增大。它们都有一个大值,撕裂强度与耐磨性能的大值基本在一个位置, 曲线也基本一致, 见图1。

2. 2. 2 异氰酸酯基含量的影响
异氰酸酯基含量的多少, 代表预聚物分子量的大小, 两者成反比, 是影响涂料黏度的一个因素。异氰酸酯基含量小, 会使涂料的黏度增大, 为控制黏度, 固含量就需要降低。含量过大,预聚物分子量小, 对它的固化不利。试验表明: 其含量在2. 5% ~ 4% 的范围内, 对耐磨性和固化的影响比较平稳, 比较结果见表3。

2. 3 使用条件的影响
本涂料可在室温下固化, 也可加热固化。室温固化可节约能源, 但干燥速度慢, 在特别潮湿的天气情况下,对涂膜加工有很大影响。从生产上考虑, 加热固化生产周期短, 效率高。加热固化的温度和时间有一个大的限制, 固化温度提高, 时间长, 涂膜会变脆, 性能下降; 固化温度低, 时间短, 不能在短时间内达到佳的状态, 需放置一段时间后使用。以高温度120ºc 、加热1h 为宜。从表4 可以看出, 自干和烘干的样品终可以达到同样的效果。

3 结 论
( 1) 经过以上试验和检测工作, 得出使潮气固化型聚氨酯涂料得到优异耐磨性能的条件。要使涂膜有相当的硬度, 而且达到较高的撕裂强度, 可通过配方调整达到良好的综合性能。
( 2) 异氰酸酯选择MDI, 且在配方中占有较大的比例。聚酯多醇要比聚醚多醇的耐磨性能好。扩链剂以乙二醇和丁二醇为宜。
(3) 潮气固化型聚氨酯涂料的使用范围比较宽, 可以室温固化, 可以加热固化, 均可以使涂膜达到佳状态。