水性雙組分聚氨酯塑料涂料及其施工

1、水性雙組分聚氨酯塑料涂料及其施工王從國，黃昭可（中國電器科學(xué)研究院擎天實(shí)業(yè)有限公司 廣州510860）摘要：以雙組分聚氨酯樹脂為原料配制水性塑料涂料，開發(fā)出了塑料用水性聚氨酯涂料，并對其在線施工工藝進(jìn)行了探索研究。經(jīng)上線試驗(yàn)，證明其涂膜性能接近或優(yōu)于指標(biāo)值。施工工藝則與傳統(tǒng)溶劑型單組分丙烯酸涂料接近。關(guān)鍵詞：水性涂料 聚氨酯 在線施工工藝Research on Waterborne 2k Polyurethane Coat for Plastics and its Coating Online ProcessWang cong-guo Huang zhao-keAbstract: The wa

2、terborne 2k coat for plastics is synthesized with polyurethane resins as coat binder, and its coating process is studied. The testing results show the property of this film can reach or exceed the regulating value. and its process is close for that of the traditional solvent base 1k acrylate resins

3、coat.Key words: waterborne coat polyurethane online coating process1 引言為保護(hù)人類生存環(huán)境，現(xiàn)今涂料的發(fā)展趨勢是低公害、無公害化。水性塑料涂料的最大優(yōu)點(diǎn)是涂層堪與傳統(tǒng)溶劑型涂料相當(dāng)，但VOC排放量小。其排放量是溶劑型涂料的三分之一還小。因此，發(fā)展水性涂料，采用水性涂料具有重要意義。近年來，國際上對VOC排放量的限制越來越嚴(yán)格，歐美等國家都在大力發(fā)展水性涂料技術(shù)。隨著人們環(huán)保意識的不斷提高和環(huán)保法規(guī)對有機(jī)揮發(fā)物（VOC）及有害空氣污染物（HAPs）的限制日趨嚴(yán)格，水性涂料將成為21世紀(jì)的主流涂料已成共識1-4。目前水性涂料已廣

4、泛應(yīng)用在建筑內(nèi)外墻涂料、金屬涂料、汽車涂料、木器涂料、皮革涂料等領(lǐng)域，但是在塑料方面的應(yīng)用還不多，其原因主要是水性涂料的性能（主要如硬度、附著力、干燥時間、耐溶劑性、鋁粉涂料的銀粉排列等）難以達(dá)到應(yīng)用要求。近年來，隨著樹脂性能的不斷改進(jìn)，使水性塑料涂料的應(yīng)用成為可能，但目前這方面的研究報道還不是很多。目前我國正大力弘揚(yáng)科學(xué)發(fā)展觀，走可持續(xù)發(fā)展道路，可以預(yù)見國家將對VOC排放量的要求會越來越嚴(yán)格。為保護(hù)我們的生存環(huán)境和身心健康，增強(qiáng)在水性涂料方面的國際交流與合作，發(fā)展提高我國的水性涂料技術(shù)水平，國家有必要加大在這些方面的研發(fā)支持力度，對涂料VOC的排放量應(yīng)出臺適合我國目前經(jīng)濟(jì)發(fā)展水平的法律法規(guī)。

5、本文以拜耳公司生產(chǎn)的水性聚氨酯樹脂為原料，配制塑料用水性涂料。研究了有關(guān)助劑的影響，開發(fā)出了性能優(yōu)良的水性雙組分聚氨酯塑料涂料，并對其施工工藝進(jìn)行了研究。2 水性雙組分聚氨酯塑料涂料的配制2.1 試驗(yàn)配方其清漆基礎(chǔ)配方見表1。表1 水性雙組分聚氨酯塑料涂料清漆基礎(chǔ)配方原料質(zhì)量分?jǐn)?shù)/%原料質(zhì)量分?jǐn)?shù)/%多元醇樹脂130.060.0消泡劑0.21.0多元醇樹脂213.030.0防凍劑1.03.5去離子水2.012.0防腐劑0.10.3成膜助劑3.012.0pH值調(diào)節(jié)劑3.010.0潤濕劑0.10.8增稠劑0.85.0流平劑0.10.8其它助劑1.04.0固化劑：固化劑1/固化劑2為8/1，并用適量溶

6、劑稀釋至合適粘度。2.2 試驗(yàn)步驟用電子天平準(zhǔn)確稱取多元醇樹脂1和多元醇樹脂2置于高速分散機(jī)中，開動馬達(dá)調(diào)節(jié)分散機(jī)轉(zhuǎn)速至800r/min左右，預(yù)混合10分鐘左右；在攪拌下加入已經(jīng)預(yù)混合好的去離子水和成膜助劑，然后依次序加入其它原料，加大分散機(jī)轉(zhuǎn)速至3000r/min左右，攪拌30分鐘；調(diào)低轉(zhuǎn)速至1000r/min左右，調(diào)節(jié)粘度和pH，繼續(xù)攪拌15min；過濾，出料制得水性雙組分聚氨酯塑料涂料清漆。用上面的清漆加入鋁漿，制得雙組分水性銀粉漆。向其中加入固化劑和稀釋劑水，兩組份的比率約為10/1，稍攪拌后加水調(diào)節(jié)噴涂粘度，攪拌均勻即可。將制備的清漆噴涂在ABS塑料板上制備涂膜，外送廣東省涂料產(chǎn)品質(zhì)

7、量監(jiān)督檢驗(yàn)站進(jìn)行性能測試。2.3 性能測試結(jié)果水性雙組分聚氨酯塑料涂料涂膜性能檢測結(jié)果見表2。表2 產(chǎn)品性能檢測結(jié)果序號檢驗(yàn)項(xiàng)目指標(biāo)值實(shí)測值檢測標(biāo)準(zhǔn)1鉛筆硬度H2HGB/T6739-20062附著力（1mm，粘揭5次）100%不脫落100%不脫落GB/T9286-19983流平性無明顯桔皮無明顯桔皮目測4干膜厚度，微米10-1512GB/T13452.2-19925耐醇性無發(fā)白、變色、軟化等不良現(xiàn)象50次95%乙醇溶液；無發(fā)白、變色、軟化等不良現(xiàn)象用棉布包500克砝碼醮95%乙醇溶液來回擦拭50次6耐高溫高濕無變色、起泡等異?，F(xiàn)象，晾干1h后用膠帶粘揭5次，附著力1級無變色、起泡等異常現(xiàn)象；附

8、著力1級55，93%濕度，120h7耐鹽水（5%氯化鈉，24h）無異常無異常GB/T9274-19888耐冷熱循環(huán)無異?，F(xiàn)象，用膠帶粘揭5次，附著力1級無異?，F(xiàn)象，附著力1級60×2h-20×2h，10次循環(huán)9耐QUV（100h）無明顯變色，無起泡，E3無明顯變色，無起泡，E=0.4ISO4892-3:199410耐磨耗性100回以上100次無露底使用砂質(zhì)橡皮作摩擦，W=19.6N顯露底材次數(shù)11不粘著性無痕跡無痕跡發(fā)泡聚乙烯W=4.9N（0.5kgf）,50×48h12VOC，g/L200135EPA24備注：底材為ABS塑料，雙組分銀色聚氨酯涂料。3 水性塑料

9、涂料施工工藝3.1 雙組分水性塑料涂料配制按配比計(jì)量好兩組分混合攪拌加水調(diào)節(jié)施工粘度攪拌均勻放置待用3.2 施工工藝流程如下：塑料基材洗殼水擦凈吹塵噴漆烘烤（60，15分鐘）UV加熱（3分鐘）點(diǎn)補(bǔ)烘烤（60，15分鐘）UV加熱（3分鐘）全檢絲印過絲印爐打包、裝箱4 結(jié)果與討論4.1 樹脂的選擇 多元醇樹脂的選擇涂料的性能主要取決于樹脂，多元醇樹脂的選擇，對涂料的附著力、干燥性能、光澤、硬度、施工性能都有明顯影響，研制的涂料采用兩種多元醇樹脂進(jìn)行搭配使用，使涂料具有較好的貯存穩(wěn)定性；涂料的水可開稀性也很好，具有良好的施工性能；干燥速度非常快，可滿足塑料涂料施工工藝的要求。經(jīng)廣東省涂料監(jiān)督檢驗(yàn)站檢

10、測，具有良好的綜合性能。 固化劑樹脂的選擇國內(nèi)雙組分塑料涂料施工一般都是手工噴涂施工為主，很少有企業(yè)使用雙組分噴涂設(shè)備的，因此手?jǐn)囆允且粋€很重要的指標(biāo)。試驗(yàn)時試用了拜耳的固化劑3100、304、305、2487/1、2655、401-70等固化劑，發(fā)現(xiàn)在手?jǐn)囆苑矫妫?100比較差，基本上只有用高速分散機(jī)進(jìn)行分散，才可以得到較好的漆膜。2655可以不用加入稀釋溶劑（可降低VOC排放）即可很容易的手?jǐn)嚲鶆颍ㄊ謹(jǐn)?3分鐘即可），手?jǐn)囆苑浅?yōu)異。其它固化劑手?jǐn)囆韵嗖畈淮?，基本上都要用稀釋溶劑開稀，即使開稀后，手?jǐn)囈话愣家?分鐘以上才可較穩(wěn)定的得到良好的漆膜。固化劑401-70也可不用稀釋即可手?jǐn)嚲鶆?/p>

11、，相對其它固化劑其表干較快，但單獨(dú)用時漆膜很脆，外觀也不好。401-70在塑料涂料中，幾乎不可以單獨(dú)使用，一般是與其它合適的固化劑搭配使用，來提高涂膜的表干速度，具有良好效果。羅地亞公司的固化劑M2102、M401、M502固化劑國內(nèi)也有很多人試用，M2102含有APES表面活性劑，在很多國家已經(jīng)被禁用。后兩支不含有APES表面活性劑。經(jīng)過試驗(yàn)，手?jǐn)囆苑矫孢@幾支產(chǎn)品與拜耳的304、305、2487/1相當(dāng)。在做銀粉漆的過程中，發(fā)現(xiàn)同樣的多元醇配方體系加入不同，固化劑搭配不好會有掉銀粉的問題。如用2601搭配固化劑（304+401-70），NCO:OH=1.5:1.0，這個體系的表干和實(shí)干時間都

12、是非常理想的，但生產(chǎn)銀粉漆的過程中，在試驗(yàn)涂膜附著力的時候發(fā)現(xiàn)有輕微掉銀粉的問題，重復(fù)幾次都有這個問題。具體原因還不是很清楚。另外，樹脂選擇不好，貯存時容易出現(xiàn)在器壁、攪拌軸干結(jié)而污染涂料的問題。4.2 成膜助劑的選擇傳統(tǒng)溶劑型涂料以樹脂溶液為成膜物，樹脂溶液為均相體系，只要溶劑選擇得當(dāng)，涂料經(jīng)涂布后，隨著溶劑的揮發(fā)，易于形成致密的涂膜。而水性涂料分散介質(zhì)是水，因此要靠水分揮發(fā)后，聚合物粒子變形、融合而成膜。由于水性涂料的涂膜通常是熱塑性的，出于性能方面的要求，如硬度、涂膜干燥速度等，一般盡量采用高玻璃化溫度的聚合物乳液。這樣在聚合物低溫成膜過程中，就要求加入成膜助劑以幫助成膜。另外，成膜助劑

13、一般都是聚合物的良溶劑，加入成膜助劑對涂料的貯存穩(wěn)定性也有很大的幫助。但同時，成膜助劑一般也是高沸點(diǎn)揮發(fā)物，加入太多，會導(dǎo)致噴涂流掛、漆膜干燥慢，如試驗(yàn)中發(fā)現(xiàn)如果加入DPnB太多，會出現(xiàn)流掛、漆膜慢干的問題。試驗(yàn)發(fā)現(xiàn)，在雙組分聚氨酯涂料中，加入20%以下的乙二醇丁醚（EB）是比較合適的。EB揮發(fā)速度合適，與聚合物乳液的相容性較好，成膜能力可滿足要求，是一種比較合適的成膜助劑?？紤]到噴涂過程中的個人噴涂習(xí)慣的不同，也不能加入太少，試驗(yàn)發(fā)現(xiàn)：天氣比較干燥時（空氣濕度在30%左右時），噴槍噴涂氣壓較大，室溫閃干的時間稍長時，容易出現(xiàn)成膜助劑揮發(fā)太多，導(dǎo)致成膜不好的問題。綜合試驗(yàn)發(fā)現(xiàn)，成膜助劑加入5%

14、20%，具有較好的涂膜性能和涂料施工性能。4.3 消泡劑的選擇水性涂料在生產(chǎn)和施工時會產(chǎn)生大量氣泡，其原因?yàn)椋核谋砻鎻埩艽?，而聚合物通常是高分子物質(zhì)，與水的相容性不好，需要加入大量的乳化劑，這些乳化機(jī)在高速分散時容易引入空氣形成氣泡。水性涂料中的一些助劑，如潤濕劑、流平劑、分散劑具有穩(wěn)泡作用，也容易引入氣泡。由于氣泡會干擾涂料的生產(chǎn)和施工，并嚴(yán)重影響涂膜質(zhì)量，因此，水性涂料中一般都要加入消泡劑來消除已產(chǎn)生的氣泡或者抑制氣泡的產(chǎn)生。試驗(yàn)了Foammaster 8034、Foamstar A34、Foamstar A36、Dehydran 1293、tego 805、tego 845等，綜合比

15、較，Dehydran 1293、tego 805、tego 845消泡效果都可以，其中tego 845最好，體現(xiàn)在消泡速度快，添加量小，與體系相容性也很好。一般添加0.3%既有很好的消泡效果。4.4 其它助劑水性涂料一般都要加入流變調(diào)節(jié)劑、pH值調(diào)節(jié)劑、防腐防霉劑、防凍劑等。水性涂料的pH值一般控制在堿性范圍比較合適。4.5 雙組分水性涂料的施工與傳統(tǒng)溶劑型涂料相比，水性漆具有下面的特點(diǎn)：溶劑（水）表面張力大，其蒸發(fā)熱和熱容值高，受溫度濕度影響大。顏料分散性不好，乳膠體系穩(wěn)定性差。所以，相對于傳統(tǒng)溶劑型塑料漆，水性涂料的施工有自己的特點(diǎn)。調(diào)漆室和輸漆系統(tǒng)調(diào)漆室要有溫度調(diào)節(jié)功能，以保證施工時最佳

16、的油漆溫度（2025）。試驗(yàn)發(fā)現(xiàn)，溫度超過35，不到30分鐘體系就成豆腐渣狀。調(diào)漆室溫度不可超過30，否則雙組分混合后，很快就固化。在30以下，如果攪拌條件下，活化期一般可達(dá)到4h以上；不攪拌，2h左右即目測到有明顯的粘度增加。調(diào)漆室要有足夠的庫存空間。經(jīng)上生產(chǎn)線使用發(fā)現(xiàn)：水性涂料的庫存周轉(zhuǎn)量只有維持在傳統(tǒng)油性涂料的3倍以上，才能滿足生產(chǎn)線的要求。其原因是：水的熱容值大，升溫和降溫都比較困難，當(dāng)水性漆放入調(diào)漆室后，只有存放足夠的時間，才能將其調(diào)整到合適的施工溫度。所以只有增加水性漆周轉(zhuǎn)的庫存量，一般是油性漆庫存周轉(zhuǎn)量的3倍左右。在此基礎(chǔ)上，生產(chǎn)線的速度才有較大的調(diào)節(jié)空間，來適應(yīng)不同烘烤溫度、工

17、藝、天氣濕度等方面的因素變化。對于調(diào)漆罐，一般使用不銹鋼材質(zhì)。在線生產(chǎn)時，發(fā)現(xiàn)容器內(nèi)壁、攪拌軸上有涂料干結(jié)的情況發(fā)生。后通過調(diào)節(jié)控制調(diào)漆館內(nèi)的空氣濕度來解決這個問題，收到很好的效果。進(jìn)出料的過濾，在循環(huán)系統(tǒng)中，進(jìn)料的過濾，銀粉漆一般用80目濾網(wǎng)過濾，色漆用300目以上濾網(wǎng)過濾，出料統(tǒng)一用100目過濾網(wǎng)過濾可滿足實(shí)際生產(chǎn)的要求。4.5.2 噴涂室通過上線試驗(yàn)發(fā)現(xiàn)：水性涂料噴涂室濕度最好控制在30%70%，濕度太低，成膜助劑、水等揮發(fā)太快，影響流平和成膜。太高，水等溶劑揮發(fā)太慢，又容易流掛。噴涂室溫度一般要控制在1530，2025最好。溫度超過30，即使料溫控制在2025，在實(shí)際噴涂過程中，也發(fā)現(xiàn)

18、有固化的情況。溫度太低，粘度很難調(diào)節(jié)，噴涂施工性差，生產(chǎn)過程的成品率低。相對油性漆，其噴涂氣壓要偏小，一般有3.04.0KPa即可。出油量不要開的太大。4.5.3干燥線客戶原有的是使用傳統(tǒng)溶劑型普通漆生產(chǎn)線和2條底漆加UV光油的生產(chǎn)線。試驗(yàn)發(fā)現(xiàn)，如果直接使用客戶原傳統(tǒng)溶劑型普通漆生產(chǎn)線，在60下，完全干燥需要30分鐘左右；70下，2025分鐘左右；80下，1520分鐘左右。但由于客戶基材的限制，超過70烘烤時，容易出現(xiàn)生產(chǎn)件彎曲變形等問題。對于添置紅外烘干設(shè)備的建議，客戶表示在短期內(nèi)無法實(shí)施。60×30min的工藝，客戶認(rèn)為生產(chǎn)效率還太低，要求我們想法提高干燥速度（傳統(tǒng)溶劑型普通塑料

19、漆的烘烤工藝為(5060)×(10min 15min)。經(jīng)多次試驗(yàn)，最后我們采用60下，烘烤15分鐘左右，再利用客戶的UV光油固化段，在UV光油線下過1分鐘3分鐘（時間太長工件變形），也達(dá)到很好的漆膜干燥效果。在此基礎(chǔ)上，對配方的耐UV性能進(jìn)行加強(qiáng)后，這個工藝已經(jīng)基本獲得客戶認(rèn)可。這套工藝，在不增加客戶設(shè)備投資的情況下，生產(chǎn)效率已經(jīng)非常接近傳統(tǒng)溶劑型普通塑料漆的技術(shù)水平。4.6. 貯存與運(yùn)輸4.6.1. 多元醇組分由于水的凝固點(diǎn)比傳統(tǒng)溶劑型中的溶劑的凝固點(diǎn)高很多，在冰點(diǎn)時會冷凍結(jié)冰。試驗(yàn)發(fā)現(xiàn)：本研究開發(fā)的水性漆一旦凝固后，即使再融解后，性能也不能完全恢復(fù)，水性漆發(fā)粗、失光等非常明顯。

20、而在60存放14天，發(fā)現(xiàn)有絮凝現(xiàn)象。室溫放置3個月（5月-8月），無明顯變化；經(jīng)噴涂外觀也無明顯變化。室溫放置5個月（3月-8月），有輕微絮凝，色漆經(jīng)高速攪拌可再恢復(fù)均勻，噴涂外觀也無明顯變化。因此水性漆的貯存最主要的是要注意防凍。但試驗(yàn)發(fā)現(xiàn)，用乙二醇、丙二醇加入2-3點(diǎn)，對防凍性沒有明顯改善。試驗(yàn)是在-20下進(jìn)行的。由于這些多元醇加入太多對漆膜有不利影響，所以沒有試驗(yàn)其它添加量。從試驗(yàn)情況看，水性漆保存在5以上，50以下是有必要的。4.6.2. 固化劑為便于客戶使用和配方保密等考慮，一般都要經(jīng)過稀釋后才給客戶使用。但目前，由于在稀釋和客戶使用的過程中，不能完全做到隔絕空氣中的水，所以固化劑的

21、分裝和貯存是一大難題。另外，不同溶劑開稀的固化劑的粘度差別很大。粘度低有利于固化劑在手?jǐn)嚂r的分散，但要注意溶劑在體系中的相容性的問題。經(jīng)試驗(yàn)發(fā)現(xiàn)，不同溶劑開稀后固化劑的粘度差別很大，如用BAC開稀的固化劑的粘度就遠(yuǎn)低于用MIBK開稀的，而用PMA開稀的固化劑的粘度在三者中最大，BGA開稀的固化劑粘度和MIBK開稀的相當(dāng)，但BGA開稀的固化劑溶液和A組分的相容性很好，且BGA有幫助成膜的作用，可適當(dāng)減少多元醇組分中成膜助劑的數(shù)量。使用BGA開稀復(fù)合的兩種固化劑，可使分裝后固化劑的貯存期在3個月以上，基本滿足客戶需求。試驗(yàn)發(fā)現(xiàn)：固化劑的貯存基本無需關(guān)注溫度的變化，但開稀后的固化劑在貯存和運(yùn)輸中低溫（-20）基本不受影響；而高溫對其貯存穩(wěn)定性有重大影響，60×14天基本無法通過。但常溫貯存3個