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水性聚氨酯树脂在工业涂料领域中的应用(下),主要介绍了单、双组分水性聚氨酯涂料制备用水性树脂的主要类型和基本性能、成膜干燥及固化方式

2019-10-14    阅读量:31054    新闻来源:互联网     |  投稿

(2) 亚光清漆:亚光清漆的制备有两种方式。方式一见图6。

亚光清漆制备工艺流程

方式二见图7,此工艺适合中和成盐型树脂,乳液型树脂除外中国机械网okmao.com

亚光清漆制备工艺流程

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4.2 实色漆制备工艺

实色漆制法一见图8。

实色漆制备工艺流程

制法二见图9,此工艺用于制备基础(白)漆,调色采用标准色浆。

基础(白)漆制备工艺流程

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5 水性聚氨酯树脂在工业涂料领域中的应用

国外,水性聚氨酯涂料(包括单组分和双组分)的应用范围很广,主要涉及:(1) 地板领域:木地板、水泥地坪、塑胶地坪;(2) 塑料部件及制品:汽车、3C 产品;(3) 防腐涂料面漆;(4) 航空飞行器;(5) 交通车辆:铁路车辆、汽车、自行车、摩托车、工程机械;(6) 抗石击密封涂料;(7) 卷钢底漆;(8) 木器家具;(9) 临时可剥保护涂料;(10)建筑外墙:弹性涂料、罩光漆;(11) 柔性基材(皮革、织物、纸张、橡胶等)。本文简要叙述一下水性聚氨酯树脂在一些硬质基材用工业涂料领域上的应用发展概况。

5.1 水性木器涂料

5.1.1 水性木器涂料技术概况

水性木器涂料是水性聚氨酯树脂主要应用领域之一。目前国内外水性木器涂料制备所使用的水性树脂类型有丙烯酸乳液、丙烯酸聚氨酯水分散体、水性PUD、水性醇酸、聚酯以及双组分聚氨酯等,其中以丙烯酸乳液用量最大,其次为丙烯酸聚氨酯分散体和聚氨酯分散体,今后随着水性双组分聚氨酯涂料技术的不断进步及相关产品的推广,水性聚氨酯双组分木器涂料或将成为水性木器涂料的主要品种之一。

水性聚氨酯分散体(PUD)树脂相比于丙烯酸乳液具有更好的耐磨性、低温柔韧性及成膜性、更好的硬度和柔韧性的兼顾性,较好地克服了丙烯酸乳液热粘冷脆的缺点。但是,PUD 较丙烯酸乳液昂贵很多,降低成本最好的方法是将PUD 和丙烯酸乳液进行物理混拼使用,使聚氨酯树脂的韧性和弹性、低温成膜性与丙烯酸酯良好的保色性、耐光性、硬度及低成本综合起来。目前在国外,纯粹采用PUD制备成纯聚氨酯水性木器涂料的工艺配方较少,通常的做法是采用丙烯酸聚氨酯分散体树脂或纯PUD 树脂与高Tg丙烯酸乳液拼合用于制备镶木地板及木器家具面漆,其中丙烯酸乳液常作为主要组分,水性聚氨酯树脂一般占25%~50%。而对于水性木器底漆及普通木器面漆,基本上采用丙烯酸乳液制备。表12 为水性聚氨酯木地板漆或木器家具清面漆的一个典型配方组成。

水性聚氨酯木地板漆典型配方组成示例

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很显然,上述配方选用常规非交联型水性PUD 制备的涂料由于为热塑性涂层,涂层中含有较多亲水基团(主要为羧基)等,和溶剂型涂料相比,在硬度、耐黑鞋跟印、耐化学性、尤其是耐水性方面存在较大差距,为此可通过外加入交联剂(氮丙啶、环氧硅氧烷、水分散多异氰酸酯等)来改善涂层的耐水性和耐化学介质性,满足相关性能要求,扩大其应用场合。




在国外,氧化干燥自交联型水性聚氨酯和可紫外固化水性聚氨酯树脂在木器家具地板涂料领域得到了很好的应用,采用该类树脂制备的木器涂料所获得涂层在耐性和硬度方面完全达到了一般溶剂型木器涂料的水平。随着水性多异氰酸酯固化剂及与之相配套的水性羟基树脂等产品的制备技术的进步和品种的丰富完善以及生产规模的不断扩大和价格的合理回归,水性双组分聚氨酯木器涂料犹如溶剂型2K-PU 木器漆一样,将逐步成为木器用水性涂料的主流品种之一。


5.1.2 国内水性木器涂料现状及发展趋势

目前,我国木器家具涂料市场中水性漆经过多年的宣传推广,已初露端倪,但所占比例仍比较低,可能不到整个木器涂料的10%,且以工业涂装为主。现有的工业水性木器涂料市场应用领域主要为:出口木制品玩具、画框、工艺品,部分出口家具、成型门、竹器、藤器等;品种类型主要为丙烯酸乳液型,其次为水性聚氨酯。从木器家具涂装方式的变化和室内家居装饰装修发展变化趋势以及水性漆施工环境要求上看,今后水性木器涂料将主要应用于工业木器家具的涂装,在民用领域,仅限于居室室内的二次装修,这主要是因为住宅室内装修趋势已发生变化,目前,在一次(首次)装修中已可全部采用成型木器制品而几乎不使用木器涂料。


此外,也只有工厂涂装,采用加热干燥的流水线涂装,方可满足水性漆涂装施工对温度和湿度的特定要求,做到全天候涂装施工和高效率涂装。从水性木器涂料产品技术的发展动向看,今后水性木器涂料品种发展方向将主要为以丙烯酸乳液型和水性双组分聚氨酯型两类为主,前者作底漆和部分面漆(主要由自交联型乳液制备)使用,后者主要用作面涂层。


由于双组分体系在硬度、耐水性等方面可与现有的溶剂型聚氨酯漆相匹敌,因此也将是今后高档木器家具制品首选的环保涂料产品。由于一些木制品如层压板的涂装可以采用高温固化干燥方式,因此,今后水性丙烯酸氨基烤漆、单组分水性聚氨酯烘烤漆(采用封闭异氰酸酯固化剂)也可能成为水性木器涂料应用发展的品种之一。


目前UV 涂料正在成为木制品涂装的主流品种,现有的竹、木地板的涂装已几乎全部采用UV 涂料及其相应的涂装施工方式,目前水性PUD 已经作为UV 涂料的配套封闭底漆应用于竹木地板的涂装,以改善UV 涂层与基材的附着力及涂层的韧性。今后随着UV 涂装逐步成为木器家具、地板制品的主流涂装方式,相信,水性聚氨酯UV 涂料等水性UV 涂料将得到较快的发展。


5.2 水性塑料涂料

5.2.1 水性塑料涂料技术概况

目前应用于3C (计算机Computer、通信Communication和消费类电子产品Consumer Electronics)产品领域和汽车内饰及配件的塑料涂料产量很大,其水性化的呼声也越来越高。


欧美等发达国家于20 世纪80 年代末90 年代初,就已开展了水性塑料涂料的研究和开发工作。国内,大约十多年前开始从事水性塑料涂料的研究开发,并于近几年实现商业化,已在汽车塑料内饰制品和配件以及一些3C 产品上得到了涂装应用。


目前,市场上可应用于塑料制品的水性涂料品种和水性木器涂料类似,主要为水性丙烯酸乳液型、水性单组分聚氨酯型、水性双组分聚氨酯型等,此外还包括一些水性UV 固化类型。这些品种主要应用于ABS、PS、PC/ABS、PVC 等极性塑料表面;对于非极性的PE、PP等表面张力很小的塑料需做特定的前期表面处理,或是将氯化聚烯烃树脂通过外乳化或其他改性方法使其水性化。


对于塑料涂料的基本性能要求是:①涂料对塑料底材必须具有良好的附着力;②涂层应具有一定的硬度和韧性,以抵抗日常的磨损;③具有良好的外观装饰效果;④具有良好的耐醇性及耐洗涤剂性;⑤施工方便,常温干燥。同时对于汽车内饰及一些3C 塑料制品则要求具有特殊的手感——柔感。显然水性聚氨酯树脂相比于水性丙烯酸用于制备柔感涂料具有明显优越性,同时单组分水性聚氨酯树脂相比于水性双组分丙烯酸聚氨酯可赋予涂层更好的柔感。


进行水性双组分塑料柔感涂料配方设计时,可以选用水性聚氨酯多元醇树脂和相应的水性固化剂配合制备,同时也可在主体丙烯酸羟基树脂组分中掺和一定量的水性PUD 与固化剂配合制备;对于单组分柔感塑料涂料,通常选用脂肪族PUD 树脂制备,根据具体使用要求可选择是否掺合水性丙烯酸乳液,在实际使用时加入适量的固化剂以获得满意的耐性。


 


和水性聚氨酯木器漆面临相同的问题,单组分水性聚氨酯塑料漆存在耐水、耐化学介质较差的问题,和溶剂型塑料漆在性能上存在较大的差距,但是通过外加一些交联剂如水性多异氰酸酯固化剂可以大大提高漆膜的耐水性和耐化学性能。但是在塑料涂料领域,水性涂料若要真正能够取代溶剂型涂料,则水性双组分聚氨酯涂料的应用将成为市场发展趋势。


在塑料制品涂装领域,UV 固化涂料已成为主流品种,但传统的溶剂型紫外光(UV)固化涂料含有大量具有毒性和刺激性的活性稀释剂,其水性化应该成为其技术发展的方向。水性丙烯酸聚氨酯树脂具有比较好的手感和柔韧性、较高的抗冲击性和抗张强度,是UV 固化水性涂料的研究发展方向。


相比于传统溶剂型涂料,水性涂料包括水性聚氨酯涂料在塑料领域中的应用仍面临许多问题:首先,其对塑料表面的洁净性、施工环境温湿度的要求比较高,在含有灰尘、油等杂质时,易产生异物附着的缩孔;其次,涂层对塑料表面的附着力远不如溶剂型涂料,还不能满足普遍的要求,特别是对于PE、PP 塑料制品;第三,对颜料的润湿分散性比溶剂型体系差,易产生浮色发花;第四,塑料制品涂装尤其3C 产品采用金属闪光漆较多,水性闪光漆与溶剂型相比,在闪光铝粉品种选择、铝粉定向、贮存稳定等方面将面临更大的技术难度。水性塑料漆助剂的选用与水性木器漆相类似,但对于不同的塑料底材在润湿流平剂及层间附着促进剂方面的选择有所区别,对于水性金属漆则所选用助剂的种类更多。


5.3 在建筑领域的应用

水性聚氨酯涂料在建筑领域应用广泛,包括:单、双组分聚氨酯地坪涂料;塑胶地坪及跑道用装饰保护面漆;户外体育运动场地装饰面漆;水性双组分聚氨酯外墙实色面漆和罩光漆;水性聚氨酯弹性外墙涂料及单组分聚氨酯内墙罩面漆等。


由于建筑涂料领域更多涉及混凝土及水泥砂浆基面,其对表面装饰性要求一般不如木材、塑料、金属等其他类型基材高,但在实际施工应用过程中相较于其他基材的含水率高,因此其更适应使用水性涂料涂装施工,因此,对于水性聚氨酯涂料而言,其在建筑领域中的应用相比于其他硬质基材领域更可能且更易于得到首肯并率先得以大量应用。


5.3.1 水性聚氨酯地坪涂料

根据使用场合及性能需求的不同,水性聚氨酯地坪涂料可以采用单组分水性PU 树脂制备的单组分涂料,用于家居室内及公共走道水泥地坪面的装饰保护涂装以起到美观、洁净及易清洁等作用,同时也可用作塑胶地坪材料的保护面漆。


此类涂料可以采用聚醚或聚碳酸酯型PUD 或丙烯酸聚氨酯水分散体树脂制备,由于水泥碱性强的缘故,为避免水解反应,应慎用聚酯型水性PU。通常,可通过加入少量交联固化剂来提高涂层的耐性特别是耐水性以满足实际使用性能的需求。


水性双组分聚氨酯地坪涂料通常采用丙烯酸羟基乳液或羟基分散体与亲水型异氰酸酯固化剂配合制备而成,主要用于性能要求更高的场合。相比于环氧地坪涂料,水性双组分PU 涂料尽管在强度方面逊于前者,但在韧性、户外耐候性及人体行走脚感则明显优于前者,用于户外地坪涂装具有无可替代的优越性。


水性双组分聚氨酯地坪漆用于户外水泥地坪涂装时,建议和环氧地坪涂料配套使用,采用环氧地坪涂料进行封闭处理或作底漆,不但提高涂层与基材的附着性,同时可提高涂层强度,降低涂装使用成本。由于PU 地坪材料具有舒适的人体行走脚感,目前PU 地坪材料已大量用于户外体育运动场地及塑胶跑道,但由于其多为芳香族类聚氨酯材料,不耐候,需要耐候性面漆加以保护,目前在国内,水性双组分丙烯酸聚氨酯涂料在塑胶地坪材料上已经得到了成功应用,正逐步替代溶剂型涂料。


5.3.2 水性双组分聚氨酯外墙实色面漆及罩光漆

采用乳液型丙烯酸羟基树脂和配套水性固化剂可制备综合性能优异的环保型水性双组分聚氨酯外墙实色面漆及罩光漆,可应用于各类外墙装饰面板的涂装、高档仿幕墙的现场装饰施工以及弹性乳胶涂料和各类质感涂料的表面罩光等,相比于溶剂型聚氨酯涂料则具有环保、施工方便和性能相当的特点,相比于单组分丙烯酸乳液型罩光涂料,则具有耐水性、耐化学性好,耐污易清洗的特点。


作为墙面用漆,无需地坪漆所需的高交联度,可采用本身具备一定性能的较高Tg 的高相对分子质量、低羟基含量的丙烯酸乳液型羟基树脂来制备水性2K-PU 外墙涂料,这样可减少配套异氰酸酯固化剂的用量,降低使用成本,但是相比于常规的丙烯酸外墙乳胶涂料及罩光漆,由于具有一定的交联度而在耐性、抗回粘耐污性等方面得以很大提高,完全可达到溶剂型涂料易清洗的性能。


5.3.3 聚氨酯弹性外墙防水涂料和内墙罩面漆

丙烯酸乳液弹性外墙涂料很难解决低温弹性和高温回粘(热粘冷脆)的问题,由于聚氨酯树脂独特的软硬链段的结构,在低温弹性和高温抗回粘方面具有明显的优势,可应用于寒冷地区建筑外墙面起到弹性抗裂防水作用,但是在耐候性方面远不如丙烯酸涂料,因此,在配方设计选用树脂时应予以重视,应选用耐候性好的脂肪族聚碳酸酯或聚己内酯型聚氨酯树脂制备,同时应考虑树脂结晶性对低温弹性的影响,由于此类树脂价格很高,配方设计时可以考虑与丙烯酸弹性乳液拼合使用。将以水性聚氨酯或丙烯酸聚氨酯树脂制备的单组分木器涂料用于内墙面的罩面,不但可以提高内墙乳胶漆的装饰效果,更重要的是可改善内墙乳胶漆墙面的易清洁性。



5.4 在汽车涂料领域中的应用

5.4.1 小型车辆用高温烘烤型水性涂料体系

汽车涂料包括汽车原厂用(OEM)漆和修补漆,汽车OEM涂料主要包括底漆、中涂漆、底色漆和罩光漆,其中底色漆又分为本色漆和金属闪光漆。汽车涂料涂装主要包括车身涂装和零部件涂装。其中零部件主要包括金属部件及塑料配件和内饰制品。


目前,大多汽车塑料配件和内饰制品都采用涂料涂装以掩饰缺陷、赋予色彩和美感,其中已有一部分采用水性涂料。汽车金属零部件由于不外露,主要关注防腐性能,目前普遍采用电泳涂装,底面合一。汽车整车(车身)涂装用汽车涂料水性化进程是从底到面逐步进行的。


在轿车领域,目前欧美日等发达国家,底漆已全部为阴极电泳涂料,80%的中涂漆已采用水性化技术,水性金属闪光底色漆的应用已超过60%,罩光漆采用高固含涂料或粉末涂料;在国内,近十年来汽车产业发展迅速,汽车涂装技术与国外日趋相近,汽车底漆几乎100%水性化,中涂漆正开始水性化,金属闪光底色漆水性化正在起步。


目前水性汽车中涂和底色漆及罩光漆的涂装工艺参照溶剂型涂料,普遍采用高温烘烤技术工艺,分为三涂二烘(3C2B)工艺和三涂一烘(3C1B)工艺,选用工艺不同,对相关涂料配方设计及原材料选择有很大关联,显然,三涂一烘工艺可进一步降低能耗,提高涂装效率和产能。


在高温烘烤涂装体系中,作为底漆用的阴极电泳涂料主要为胺化环氧聚氨酯体系,采用封闭异氰酸酯作为固化剂。水性中涂漆主要采用柔韧性好的水性聚酯作为主要成膜基料,配以氨基树脂或封闭型聚氨酯固化剂。水性底色漆及水性金属闪光底色漆主要为水性丙烯酸和水性聚氨酯两种体系,已趋于成熟。目前,在欧美等国,水性汽车罩光漆正在加紧应用开发并已在一些涂装线上进行了试用。


水性聚氨酯涂料技术在汽车涂料水性化进程中,将扮演无可替代的重要作用。当前,几乎所有的车用阴极电沉积(CED)涂料采用各类封闭型异氰酸酯作为交联固化剂,目前所做的技术研究开发侧重于封闭剂及异氰酸酯单体种类的选择组合上,用以满足和适应不同场合的各种性能需求。汽车水性中涂漆配制可以用含羟基的聚酯树脂、丙烯酸树脂、聚氨酯树脂、聚酯改性丙烯酸树脂以及不含羟基的PUD 树脂,采用水性封闭型多异氰酸酯和三聚氰胺固化。


由于中涂层需要较好的韧性以提高耐石击性,无疑采取水性聚氨酯多元醇树脂和引入PUD 树脂或采用特定的封闭异氰酸酯固化剂(如MDI、HDI 型)可以提高涂层的柔韧性。水性金属闪光底色漆用树脂主要采用水性含羟基丙烯酸树


脂和水性PUD 树脂,配以氨基树脂或封闭多异氰酸酯固化剂,其中PUD 树脂的引入可以提高涂膜干燥速度、改善铝粉的定向效果。


5.4.2 大型车辆及修补漆用水性双组分聚氨酯涂料技术

目前,低温烘烤或常温自干型水性双组分聚氨酯涂料技术日趋成熟,其性能已接近溶剂型聚氨酯涂料,已经达到车用涂料的要求。在欧美国家,水性双组分聚氨酯涂料已经占有一定的市场并已经在诸多领域得以应用。水性双组分聚氨酯涂料在车辆领域主要应用于水性汽车修补漆和不能高温烘烤的大型交通运载工具如大巴车、公共汽车、重卡、工程机械及铁路车辆等。


这些车辆尽管在涂层的外观装饰性方面的要求不及轿车高,但对涂料的综合性能(耐磨性、耐候性、耐化学性、硬度和柔韧性等)仍具有比较高的要求。同时,为满足环保和防腐性能要求,可采用常温固化的水性胺固化环氧体系或水性环氧改性羟基丙烯酸和水性多异氰酸酯的配套体系作为面漆配套的车辆用防腐底漆。


5.5 在金属装饰和防腐领域中的应用

水性聚氨酯涂料特别是双组分涂料作为综合性能优异的水性涂料可以用作各类金属防腐底漆表层的装饰面漆,替代溶剂型聚氨酯涂料的使用,可广泛应用于石化设备、海洋工程、船舶、机电设备、户外大型钢构、输变电设备等领域,同时可作为底面合一涂料用于铝合金型材及制品的表面装饰保护。


但是对于钢铁用防腐底漆,涂料的防腐性是关键,水性双组分聚氨酯涂料与一些常用的水性自干型防腐涂料如环氧酯、环氧-胺固化等相比,在涂层防腐性能方面并不具备优势,而且成本很高。但可作为底面合一涂料应用于一般防腐要求的场合。


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