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0前言
传统的溶剂型聚氨酯涂料凭借其出色的综合性能，已广泛地应用于汽车、工业、重防腐等领域。近年来，随着人们环保意识的不断提高和环保法规对挥发性有机物质（VOC/TVOC）及有害空气污染物（HAPs）的限制日趋严格等因素，水性双组分聚氨酯涂料已成为溶剂型体系的一类换代产品。自20世纪90年代初，Jacobs［1］成功开发出一种能分散于水的多异氰酸酯固化剂，从而使双组分水性聚氨酯涂料真正开始进入实际应用研究阶段。双组分水性聚氨酯涂料由含有异氰酸根的水性固化剂和含有羟基的水性树脂组成，产品以水为分散介质，不含有机溶剂，生产和施工时不易燃烧，不污染环境，且理化性能可与溶剂型聚氨酯涂料相媲美。从长远来看，水性聚氨酯涂料将逐步取代溶剂型聚氨酯涂料成为市场的主流产品。
1实验部分
1.1实验原料
水性含羟基树脂：BayhydrolA145，BayhydrolAXP2695；水性聚氨酯固化剂：Bayhydur304，BayhydurXP2655，均为拜耳公司产品，其规格分别见表1和表2；其它助剂，如：消泡剂、分散剂、颜填料等，均为市售产品。
表1水性含羟基树脂的基本性能［2］
表 1 水性含羟基树脂的基本性能
表2水性聚氨酯固化剂的基本性能［2］
表2水性聚氨酯固化剂的基本性能
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1.2水性双组分聚氨酯涂料的配方及生产工艺
1.2.1涂料配方（表3）
表3涂料配方
表3涂料配方
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注：不含水计算值。
1.2.2涂料的生产工艺
（1）树脂组分的生产
将表3中1号原料加入搅拌容器中开动搅拌，搅拌下依次加入2~7号原料，继续搅拌至物料混合均匀，入砂磨机研磨至细度≤20μm，再加入8~11号原料，搅拌均匀并调整粘度，过滤，出料包装，为A组分。
（2）固化剂的生产
将固化剂和共溶剂（如需要）加入搅拌罐中慢速搅拌，直至混合均匀后过滤，出料包装，为B组分。__
1.2.3施工配比
使用时按质量比为A（树脂组分）∶B（固化剂）=4∶1，在搅拌下将固化剂组分缓慢加入树脂组分中，用高速分散机于1000r/min下继续搅拌2~3min至二者完全混合均匀，用去离子水调到施工粘度，搅拌过程中不宜速度过快、时间过长，否则可能引入较多气泡，影响漆膜外观及理化性能。
1.2.4水性双组分聚氨酯涂料的基本性能（表4）
表4水性双组分聚氨酯涂料的基本性能
表 4 水性双组分聚氨酯涂料的基本性能
注：所有测试均在120μm湿膜。
2结果与讨论
2.1水性双组分聚氨酯的成膜机理
据相关文献报道，水性双组分聚氨酯涂料的成膜机理与一般的乳胶漆和溶剂型聚氨酯涂料均不相同，如朱德勇［3］等人关于水性双组分聚氨酯成膜模型中认为：水性聚氨酯体系为多项成膜，在成膜初期主要为物理干燥过程。首先，施工后大部分水分蒸发后，乳液粒子相互接触，形成紧密堆积的结构，残余的水分和固化剂分子则处在乳液粒子间隙处。随着水分的进一步蒸发，乳液粒子开始凝结，形成更为紧密的六边形排列结构。与此同时，固化剂分子扩散到乳液粒子的界面及其内部发生交联固化反应。在溶剂型聚氨酯涂料体系中，含羟基树脂和含异氰酸酯固化剂均以分子形式溶解在溶剂中，形成均相的体系，固化反应在分子之间进行，因而固化反应进行的比较完全，故形成均相的涂膜。理解水性与溶剂型双组分聚氨酯涂料成膜的差异，有助于我们理解它们之间活化期的差异。
2.2水性双组分聚氨酯活化期的测定
传统的溶剂型双组分聚氨酯涂料在两个组分混合后固化剂就开始与树脂反应，这样就会导致体系粘度不断上升，故可以用粘度的变化来指示活化期。对于水性双组分聚氨酯体系则不能用粘度的变化来指示活化期，比如在配方1中，我们就测定了混合后粘度的变化（按配方比例混合，1000r/min搅拌2min，最后用水调节粘度至施工粘度25s左右，涂4杯，常温21℃），测试结果见图1。从图1中我们可以看出：水性双组分聚氨酯体系的混合粘度在7h内基本保持不变，而实际上此体系的活化期要小于7h。同时我们可以看出：混合1h后的粘度还稍有下降，这主要是由于刚刚混合后搅入大量空气，导致粘度增高，放置1h后气泡释放，粘度下降。
图1双组分水性聚氨酯涂料混合后涂料粘度的变化
图1双组分水性聚氨酯涂料混合后涂料粘度的变化
对于水性双组分聚氨酯体系，通常我们会根据涂膜某些性能的突变来测定活化期，如光泽、硬度、耐溶剂性的变化等。我们对配方1，测试了混合后体系光泽的变化，结果见图2。从图2可以看出：此水性双组分聚氨酯体系在混合后5h内光泽基本不变，6h之后就有一个较大的突变。因此，我们依据光泽的变化可以确定此体系的活化期约在5h左右。
图2双组分水性聚氨酯涂料混合后涂膜光泽的变化
图2双组分水性聚氨酯涂料混合后涂膜光泽的变化
影响水性双组分聚氨酯体系活化期的因素较多，如树脂、固化剂、NCO/OH比例、搅拌方式、颜填料、助剂、催化剂、温度等等，不同的配方、施工工艺和环境都有可能导致不同的活化期。
2.3NCO与OH的比例
一般来说，多异氰酸酯与聚多元醇羟基的反应速度较与水反应快，但异氰酸酯总会被消耗一部分，与水反应生成胺和二氧化碳，胺再与异氰酸酯反应生成脲。为了保证与羟基完全反应，通常使异氰酸酯过量，NCO/OH的比例为1.5~3.0。一般NCO/OH比例越高，涂膜的硬度和耐化学性越好，但干燥时间越长，成本越高，考虑到异氰酸酯价格较贵，一般NCO与OH的比例控制在1.5左右，这样就能得到最佳性价比。
2.4羟基树脂的选择
用于水性双组分聚氨酯涂料的树脂有一级分散体和二级分散体，一级分散体干燥快、相对分子质量高、光泽低；二级分散体光泽高、流平好。一般工业涂料常常要求良好的外观和较好的物理性能，因此我们这里选择了丙烯酸的二级分散体，具有光泽高、流平好、耐候性佳等优点。在本试验中我们选择了两种树脂，BayhydrolA145和BayhydrolAXP2695。BayhydrolA145能够满足绝大多数工业涂料的需求，如光泽、硬度、附着力等；如有更高要求，可使用羟基含量较高的BayhydrolAXP2695设计配方，它能提供更高的铅笔硬度、更好的耐磨性和耐溶剂性。
2.5水性固化剂的选择
作为双组分水性聚氨酯体系，多异氰酸酯固化剂与多元醇水分散体充分均一地混合与分散是得到最佳涂膜性能的基本保证。因此选择合适易分散的多异氰酸酯固化剂显得尤为重要。目前市场上能够供应水性聚氨酯固化剂的主要厂商有拜耳、罗地亚、巴斯夫等，其中拜耳公司目前在市场上推广力度较大，产品种类也较多。本试验中我们选择了拜耳公司的两款固化剂：Bayhydur304，属于拜耳公司第二代聚醚改性的HDI三聚体，官能度高（约3.8），是水性聚氨酯工业涂料的标准固化剂；BayhydurXP2655，属于拜耳公司第三代磺酸盐改性的HDI三聚体，不需要助溶剂即可手工搅拌，分散更加均匀，硬度高、耐化学性好、干燥快。在和BayhydrolAXP2695树脂搭配使用时，可以得到最佳性能。
2.6水性双组分聚氨酯涂料存在问题及改进建议
笔者在试验过程中发现：目前的水性双组分聚氨酯涂料在性能方面已有很大提高，甚至可以超过一般溶剂型双组分聚氨酯涂料，但还存在以下问题：
（1）一次成膜厚度有限制，如在我们的试验过程中发现，如果一次干膜厚度超过60μm，就会出现漆膜表观较差，有大量气泡等现象。建议进一步加强一次成膜厚度及影响因素的研究。
（2）涂膜的干燥和表观受温度和湿度影响较大。同样的配方，如果干燥环境的相对湿度较高（约90%），光泽会明显下降。
（3）在强制干燥过程中，如80℃/30min，需要较长的闪干时间。否则漆膜表面会有气泡。
（4）水性双组分聚氨酯配方的复杂程度要远远超过其它水性体系和溶剂型体系。
尽管水性双组分聚氨酯涂料还存在一些不足，但其研究才刚刚开始，而且其综合性能优越，符合VOC排放要求，因此我们相信水性双组分聚氨酯体系一定会得到客户的青睐。
3结语
（1）采用Bayer公司水性丙烯酸树脂和固化剂制备了双组分水性聚氨酯工业涂料，其综合性能优越，__VOC符合国家环境标准（<250g/L），完全满足一般工业涂装的要求。
（2）该产品在生产和使用过程中无毒无害，不易燃烧，施工方便，完全可取代目前大多数溶剂型涂料。
作者：李延军（北京建筑材料科学研究总院有限公司100041） |
