霍春会，刘宪文，薛 丹，徐 涛
(陕西宝塔山油漆股份有限公司，陕西兴平 713100)
2.2 水性多异氰酸酯固化剂的选择
0 前 言
近年来，我国相继出台了多个涉及涂料和涂装的环保法律和标准，尤其在2015年2月1日实施的涂料消费税和即将实施的排污费，更是促进了水性涂料技术的发展和产品的推广应用。双组分水性丙烯酸聚氨酯涂料具有施工VOC排放量低，符合环保标准，涂膜机械性能优良，涂膜光泽高，保光保色性优良等特点，正在被市场所广泛接受，应用领域也不断获得扩展。
1 实验部分
1.1 主要原材料(见表1)
1.2 基础配方(见表2)
1.3 制备方法
主漆配制：在分散容器中准确加入水性羟基丙烯酸树脂分散体，将分散容器固定在高速分散机搅拌杆中心，在低速500 r/min下依次缓缓加入分散剂、润湿剂、消泡剂、基材润湿剂后，提高转速至1 000 r/min高速分散10 min，降低分散机转速至500 r/min，加入钛白粉、炭黑等颜料，提高转速1 500 r/min分散30 min后，置入砂磨机研磨至细度合格，在500 r/min转速下缓缓加入助溶剂、防爆泡剂、增稠剂，提高转速至1200 r/min继续分散30 min，即得双组分水性聚氨酯A组分。
水性多异氰酸酯固化剂配制：要求避免在潮湿环境下进行操作，在容器中准确称量水性多异氰酸酯固化剂，500 r/min转速下依次加入PMA、DMM，至搅拌均匀，即得双组分水性聚氨酯B组分。
1.4 试板的制备及检测结果
试验板制备：配漆：m(A组分)∶m(B组分)=5∶1混合后，使用搅拌机在1 500 r/min，充分搅拌2～3min，静置10 min消泡，再加入2%～2.5%去离子水搅拌均匀，静置10 min活化。空气喷涂试验板，试验样板涂膜厚度按照GB/T 13452.2—2008制作恒温室养护7d。检测结果见表3。
2 结果与讨论
2.1 水性羟基丙烯酸分散体的影响
水性羟基丙烯酸分散体是决定涂膜性能的主要因素，不同玻璃化温度的水性羟基丙烯酸分散体对涂膜性能的影响见表4。
由表4可以看出：m(水性羟基丙烯酸分散体A)∶m(水性羟基丙烯酸分散体B)=1∶1时，涂膜有良好的机械性。水性羟基丙烯酸分散体=A是拜耳A2646，水性羟基丙烯酸分散体B是拜耳A2470。水性羟基丙烯酸分散体对涂膜的耐化学介质及耐人工老化性能有直接影响，m(A2646)∶m(A2470)=1∶1时耐酸、碱性、耐人工老化好，国产D差。
2.2.1 不同的水性多异氰酸酯固化剂对涂膜外观影响
水性多异氰酸酯固化剂是由磺酸盐或醚类等改性HDI预聚体或者改性IPDI预聚体，使之成为亲水性的异氰酸酯固化剂。经过实验发现，采用亲水性好的多异氰酸酯固化剂A、半油半水的多异氰酸酯固化剂B和亲水性IPDI多异氰酸酯固化剂C按1.4∶2∶1比例混合的水性多异氰酸酯固化剂，涂膜光泽达到90%以上(机械搅拌)，涂膜表干速度提高20%～30%，同时耐介质性得到改善。水性多异氰酸酯固化剂A是拜耳2655，具有在水中易分散、光泽高特点，水性多异氰酸酯固化剂B具有耐水性好、耐介质好特点，水性多异氰酸酯固化剂C具有表干快特点，对比参数见表5。
2.2.2 水性多异氰酸酯固化剂分散工艺对涂膜外观影响
水性羟基丙烯酸分散体及水性多异氰酸酯固化剂在体系中以“水包油”分散的形式存在，二者的粒径越小，接触几率越大，从而水性羟基丙烯酸分散体的—OH与水性多异氰酸酯固化剂的—NCO反应程度越高。水性多异氰酸酯固化剂原液固含接近100%，黏度大不易充分分散于A组分，一般稀释到70%～75%后比较容易分散。进一步实验发现单一PMA稀释后的B组分，分散到A组分后，体系黏度增大200%以上，在稀释B组分时引入水溶性较好溶剂，如采用m(PMA)∶m(DMM)=1∶1稀释得到的B组分，分散到A组分后，体系黏度增加约10%～20%，这对于提高水性多异氰酸酯固化剂在水性聚氨酯涂料中分散稳定性、提高施工固体分及提高施工性能有很大帮助。通过改变水性多异氰酸酯分散工艺，从涂膜的光泽和雾影值的平行实验数据对比发现分散工艺的改变对水性聚氨酯分散体性能的影响较大。手动分散与机械分散对水性聚氨酯性能的影响见表6。
从水性多异氰酸酯固化剂的化学反应分析分散工艺对涂膜外观的影响：水性聚氨酯涂料中水性丙烯酸分散体的—OH、水、微量的胺中和剂可与水性多异氰酸酯固化剂的—NCO反应，当水性多异氰酸酯分散到水性羟基丙烯酸分散体中，—NCO不会与水性丙烯酸分散体的—OH反应，但—NCO能与水反应，反应后在水性多异氰酸酯分散液滴外表面生成一层聚脲临时保护薄膜，起到了阻止水渗透到水性多异氰酸酯分散体液滴内部与—NCO进一步反应的作用，经测试9 h后可保持90%的—NCO。胺中和剂含量非常少，影响可以忽略。一般水性多异氰酸酯固化剂手动搅拌形成的分散液粒径约100 nm，经机械搅拌形成的粒径20～30 nm，形成的粒径越小—NCO与—OH接触机率越大，反应更加充分、，形成的涂膜光泽、雾影、硬度、耐化学品都有明显提高。
从双组分水性聚氨酯成膜机理分析分散工艺对涂膜外光影响：随着大部分水分蒸发，水性羟基丙烯酸分散体与水性多异氰酸酯固化剂接触并相互靠近形成紧密堆积体，水分进一步蒸发凝结成六边形结构，此时为物理成膜。继续凝结，水性多异氰酸酯外面的聚脲临时保护薄膜已被完全破坏，此时水性羟基丙烯酸分散体的—OH以及残留的水开始大量地与水性多异氰酸酯固化剂的—NCO基团发生交联反应形成均相、固化完全的涂膜。水性多异氰酸酯粒径分散越小与水性丙烯酸分散体—OH的接触机率越大，反应更加充分、，形成的涂膜光泽、雾影、硬度、耐化学品都有明显提高。
2.2.3 水性聚氨酯加入量对涂膜性能影响
水或胺中和剂能与水性多异氰酸酯固化剂中的—NCO基团发生反应消耗部分—NCO，所以水性多异氰酸酯固化剂需适当过量。—NCO与—OH不同配比性能参见表7。
当n(—NCO)∶n(—OH)=1.3～ 1.5，形成的涂膜硬度、耐溶剂性表现良好，而n(—NCO)∶n(—OH)=1.3有好的经济效益。
2.3 基材润湿的选择
水性聚氨酯涂料溶剂基本上是水，水极性大，与配套的防锈涂料润湿性差，易出现缩孔现象，加入基材润湿剂可以解决润湿差的问题。基材润湿剂是水性有机硅表面活性剂，一般容易稳泡，选择
TEGO4100具有弱消泡功能且不稳泡的基材润湿剂，在水性聚氨酯涂料里贮存稳定性优异，成品涂料贮存1 a后，喷板检测无异常。
2.4 消泡剂的选择
水性聚氨酯涂料含有较多容易产生气泡的表面活性助剂，给生产和施工造成消泡困难，选择有机硅类消泡能力强的迪高TEGO901W与有机硅类抑泡能力强的TEGO810W配合，在研磨前加入可取得良好效果。
2.5 防爆泡助剂的选择
水性聚氨酯涂料的溶剂是水，没有合理的挥发梯度，在干燥过程中非常容易产生“痱子”和气泡，虽然添加过多助溶剂是可以解决起痱子和气泡问题，但VOC排放增大，不利于环保。实验选择BYKETOLWS加入总漆量的0.3%～0.6%，水性聚氨酯涂料一次喷涂干膜厚度可在80 μm以下，且有效消除了痱子和气泡。
2.6 增稠剂的选择
水性聚氨酯涂料黏度偏低(＜50 KU)，黏度低贮存稳定性差，颜料易出现分层沉淀。实验发现对水增稠作用大的增稠剂如美国雷浮斯公司的W2N人工合成硅酸镁铝可提供明显的假塑性效果，增稠显著，稳定性好。但涂膜在干燥中涂膜表面出现毛刺，分析原因为水性丙烯酸分散体—OH与水性聚氨酯固化剂—NCO开始反应时，由于增稠剂对水有氢键力作用，影响水的挥发，残留过多水在固化过程中与水性多异氰酸酯的—NCO反应产生CO2，此时涂膜已经表干，CO2释放导致涂膜顶起产生很多均匀小孔，宏观上观察到毛刺现象。缔合型聚氨酯增稠剂能影响水性聚氨酯使用期限，个别品种的缔合型聚氨酯增稠剂在涂膜强制干燥(80 ℃、45 min)烘烤过程中迁移到涂膜表面，实验选择229、105A的添加量控制在总涂料量的0.3%～0.6%，A、B组分混合后，使用期限达3～3.5 h，黏度值78～90 KU，80 ℃烘烤不会迁移到涂膜表面。
2.7 助溶剂的选择
水性聚氨酯涂料，施工容易起痱子、气泡，实验采用2%～10%的DMM、PGDA助溶剂调节，助溶剂在A2647、A2470、C、D体系中非常稳定。
3 结 语
采用水性羟基丙烯酸分散体为主要成膜物，配以水性多异氰酸酯，通过改变水性多异氰酸酯分散工艺提高涂膜光泽、鲜映性。该涂膜具有良好的机械性能、优良装饰性、长久的保光保色性、具有广泛的施工性能，可低温烘烤或常温自干，与传统溶剂型聚氨酯涂料比较，在环境友好、节能方面有明显改善。试制的双组分水性聚氨酯产品VOC低，在施工条件下VOC可控制在110 g/L以下，可以替代传统溶剂型聚氨酯涂料在大巴车、轨道交通、工程机械、一般工业涂装使用。目前双组分水性聚氨酯涂料的技术已经发展成熟，在未来几年用户产品升级中具有广阔市场前景。
