高性能环保型聚氨酯地坪涂料
沈剑平，张之涵，魏亮，李康(拜耳材料科技(中国)有限公司，上海201206)

0 引言
回顾聚氨酯地坪涂料的发展历史，不难发现它总是随着聚氨酯化学科学研究的发展而得以进步。每一次聚氨酯原材料新技术、新成果的诞生，都会推动地坪涂料技术的更新。1937 年，Otto Bayer 博士首先发明了聚氨酯材料。但直到20 世纪50 年代，随着低游离二异氰酸酯单体含量产品的发展和工业化，聚氨酯涂料技术才算是得到了真正的发展。早期的聚氨酯地坪涂料都是基于芳香族异氰酸酯开发的，漆膜暴露在阳光下会有黄变现象，因此只能应用于室内或作为底漆使用。
20 世纪60 年代，脂肪族异氰酸酯的发明使得聚氨酯涂料的应用领域得到了扩展，“Desmodur N”便是六亚甲基二异氰酸酯系列的个产品。由此，聚氨酯地坪涂料也实现了由“底”到“面”，由“内”而“外”的飞跃，极大地扩展了地坪涂料的应用范围。
20 世纪80 年代后，各类功能性的聚氨酯地坪涂料技术得到全面发展。典型的产品之一便是双组分无溶剂聚氨酯自流平体系，通过在低黏度无溶剂羟基聚酯分子结构中引入疏水基团、添加除水剂以及使用真空分散生产工艺，该类产品一次施工便可达到极高的无泡膜厚度(≥2 mm)。“Desmolith”重防腐蚀聚氨酯地坪涂料则采用了比较特殊的技术，使用特殊聚醇水性分散体、MDI 多聚体与含有水泥或熟石膏的骨料混合制成(三组分或多组分)，这类地坪漆显著的特性是具有非常高的耐温性(Tg 可超过150 ℃)及优异的耐化学品性(尤其是耐有机酸)，成为食品加工厂等场合的地坪解决方案。
回顾聚氨酯化学应用于地坪涂料超过50 a 的历史，大量的工程已证明其具有优异性能和长期耐用性。聚氨酯原材料的选择具有极大的多样性，对应的其漆膜终性能也将产生巨大差异，正是得益于这种多样性，使得我们能够为各类建筑物开发出特殊的和量身定制的涂料解决方案，也正因为如此，聚氨酯地坪涂料才具有强大的生命力和发展潜力。时至今日，我们依然可以在全球范围内看到新型聚氨酯涂料技术在地坪涂料领域不断出现，并且这一趋势在继续。更高的性能、更快的施工效率和优异的环保性是地坪涂料的3 个发展方向，基于双组分水性聚氨酯技术和聚天门冬氨酸酯技术的新型地坪涂料结合了上述3 个发展方向，代表了目前地坪涂料技术发展的前沿。

1 双组分水性聚氨酯地坪涂料
1.1 双组分水性聚氨酯地坪涂料的基本原理
多年前，很多人认为双组分水性聚氨酯涂料是难以实现的。一个重要原因是人们认为多异氰酸酯中的NCO 基团会与水反应生成聚脲，同时生成CO2，而难以得到致密的漆膜。但Bayer 的化学师在实践中发现某些多异氰酸酯在水中可以长时间稳定存在，在多异氰酸酯液滴与水的界面上会形成一层具有临时性保护作用的聚脲薄膜，这一薄膜的存在可以较长时间阻止多异氰酸酯与水的进一步反应，从而使双组分水性聚氨酯涂料技术可能得以实现。进一步的研究表明，将某一亲水改性的HDI 三聚体分散在水中，经过7 h 后，—NCO 的保留率仍然大于90%。双组分水性聚氨酯涂料的成膜机理与一般的聚合物乳液涂料如丙烯酸乳液的成膜有很大的区别，同时与溶剂型聚氨酯涂料的成膜机理也完全不同。图1 为双组分水性聚氨酯涂料的固化成膜示意图。

由图1可见，在双组分水性聚氨酯涂料的成膜过程中，多异氰酸酯在前期并没有过多的与多元醇或水发生化学交联反应，一直到大部分水分蒸发后，乳液与固化剂粒子相互接触并挤压，此时多元醇中的羟基以及残余的水开始大量地与固化剂中的—NCO基团发生化学反应。由此可知，双组分水性聚氨酯涂料适用期的表现形式与双组分溶剂型聚氨酯涂料可能是完全不同的。很多时候，双组分水性涂料体系的黏度变化会一直保持在远远低于初始黏度2倍的范围内，这就意味着，在溶剂型涂料中行之有效的通过黏度上升判断适用期的方法，在双组分水性聚氨酯体系中是不适用的。实际上，我们需要通过测试漆膜某些性能(如光泽、雾影、硬度、耐化学品性等)的突变点来判断其适用期。
另一个需要注意的问题是：如何确定双组分水性聚氨酯涂料中—NCO与—OH的比值。一般来说，多异氰酸酯与多元醇的反应速度比与水反应更快，但两者仍然具有竞争关系。为了补偿多异氰酸酯和水的副反应而产生的损失，一般使用过量的多异氰酸酯，—NCO/ — OH比率会选择1.5~3.0。通常—NCO/—OH比例越高，涂膜的耐化学性越好，但干燥时间越长，成本越高。一般情况下，—NCO/—OH的比例控制在1.5左右，这样就能得到佳的性价比。
1.2 双组分水性聚氨酯地坪涂料的配方设计要点
在设计地坪涂料配方时，我们不仅要考虑固化后涂膜的性能指标，也需要充分考虑到现场施工的可操作性。一种优异的地坪涂料产品至少应该具备如下一些性能：(1)满足用户的功能需要；(2) 优异的外观；(3) 方便施工，易于混合；(4) 有足够长的可操作时间和比较短的表干时间；(5) 能够适应滚涂、喷涂等多种施工方法；(6) 低气味、低毒或无毒，不易燃，能保障施工及使用安全。面对这些要求，优选成膜物便显得尤为重要。
可供选择的多元醇分为初级分散体(乳液聚合方法合成)和二级分散体(溶液聚合方法合成)。两者相比，初级分散体具有较大的相对分子质量，并且不含共溶剂，通常具有比较快的干燥速度和较好的厚膜容可度，但它难以制备高光漆膜，某些性能(如耐水性)往往较二级分散体差。二级分散体的特征是：一般为中等相对分子质量并且共溶剂含量大概在10%范围内。在同等交联密度的情况下，二级分散体搭配多异氰酸酯使用可以得到光泽更高且综合性能更优的漆膜。初级分散体和二级分散体各有特点，可以根据实际需要，灵活搭配使用。双组分聚氨酯水性地坪涂料中的常用多元醇分散体见表1。