自干型水性聚氨酯金属涂料性能的影响因素研究

菊３８卷第４期　涂料技术与文摘　ＣＯＡＴＩＮＧＳ　ＴＥＣＨＮＯＬＤＧＹ＆ＡＢＳＴＲＡＣＴＳ　Ｖ０１．３８　Ｎｏ．４　Ａｐｒ．２０１７　自十型水性聚氨酯金属涂料性能的影响因素研究　何程林，徐坤，徐玉华，徐玉俊，毛雁　ｆ汀苏中科金龙化工有限公司，江苏泰兴２２５４１９）　摘要：利用聚碳酸亚丙酯多元醇（ＰＰＣ）为主要原料，合成了常温白干型金属涂料。考察了硬链段含量、　交联度、基材处理方式和ｐＨ调节剂等因素对涂膜性能的影响；同时应用于金属表面防护，考察了该水性　金属涂料在不同环境、不同基材上的综合性能。　关键词：聚碳酸亚丙酯多元醇；常温自干涂料；水性聚氨酯　中图分类号：ＴＱ６３０．７　文献标识码：Ａ　文章编号：１６７２—２４１８（２０１７）０４—００２３—０６　Ｓｔｕｄｙ　ｏｎ　Ｆａｃｔｏｒｓ　Ｉｎｆｌｕｅｎｃｉｎｇ　Ｐｅｒｆｏｒｍａｎｃｅ　ｏｆ　Ａｍｂｉｅｎｔ．．．Ｃｕｒａｂｌｅ　Ｗａｔｅｒｂｏｒｎｅ　Ｐｏｌｙｕｒｅｔｈａｎｅ　Ｍｅｔａｌ　Ｃｏａｔｉｎｇ　Ｈｅ　Ｃｈｅｎｇｌｉｎ，Ｘｕ　Ｋｕｎ，Ｘｕ　Ｙｕｈｕａ，Ｘｕ　Ｙｕｊｕｎ，Ｍａｏ　Ｙａｎ　（１ｉａｎｇｓｕ　Ｚｈｏｎｇｋｅｆｉｒｄｏｎｇ　Ｃｈｅｍｉｃａｌ　Ｃｏ．，Ｌｔｄ．，Ｔａｉｘｉｎｇ，ｆｉａｎｇｓｕ　２２５４１９，Ｃｈｉｎａ）　Ａｂｓｔｒａｃｔ：Ａｎ　ａｍｂｉｅｎｔ　ｓｅｌｆ——ｄｒｙｉｎｇ　ｍｅｔａｌ　ｃｏａｔｉｎｇ　ｈａｓ　ｂｅｅｎ　ｐｒｅｐａｒｅｄ　ｂｙ　ｕｓｉｎｇ　ｐｏｌｙｐｒｏｐｙｌｅｎｅ　ｃａｒｂｏｎａｔｅ　ｄｉｏｌｓ（ＰＰＣ）ａｓ　ｍａｉｎ　ｍａｔｅｒｉａ１．Ｔｈｅ　ｅｆｆｅｃｔｓ　ｏｆ　ｈａｒｄ　ｓｅｇｍｅｎｔ（Ｉ－ＩＳ％）ａｎｄ　ｃｒｏｓｓ－ｌｉｎｋｅｒ　ｃｏｎｔｅｎｔｓ，　ｓｕｒｆａｃｅ　ｔｒｅａｔｍｅｎｔｓ　ａｎｄ　ｔｈｅ　ｐＨ　ｒｅｇｕｌａｔｏｒｓ　ｏｎ　ｔｈｅ　ｃｏａｔｉｎｇ　ｆｉｌｍｓ　ｗｅｒｅ　ｄｉｓｃｕｓｓｅｄ．Ｔｈｅ　ｃｏａｔｉｎｇ　ｗａｓ　ｕｓｅｄ　ｏｎ　ｍｅｔａｌｓ　ｆｏｒ　ｓｕｒｆａｃｅ　ｐｒｏｔｅｃｔｉｏｎ　ａｎｄ　ｔｈｅ　ｐｒｏｐｅｒｔｉｅｓ　ｏｆ　ｔｈｅ　ｃｏａｔｉｎｇ　ｏｎ　ｄｉｆｆｅｒｅｎｔ　ｓｕｂｓｔｒａｔｅｓ　ｕｎｄｅｒ　ｄｉｆｆｅｒｅｎｔ　ｃｏｎｄｉｔｉｏｎｓ　ｗａｓ　ｉｎｖｅｓｔｉｇａｔｅｄ．　Ｋｅｙｗｏｒｄｓ：ｐｏｌｙｐｒｏｐｙｌｅｎｅ　ｃａｒｂｏｎａｔｅ　ｄｉｏｌｓ；ａｍｂｉｅｎｔ——ｃｕｒａｂｌｅ　ｃｏａｔｉｎｇ；ｗａｔｅｒｂｏｒｎｅ　ＰＵ　０引言　２０１４年金属制品防腐行业报告显示，我国每年材　料腐蚀总损失约占国民生产总值的５％，每年约有　３０％的钢铁因腐蚀而报废　金属材料的腐蚀不仅造成　了巨大的经济损失，而且有损自然资源和环境保护。　示．涂料在２０１４年水性聚氨酯市场占据３０％份额，到　２０１９年．涂料将是水性聚氨酯最大的下游市场ｌ５Ｊ。　聚碳酸亚丙酯多元醇ｆＰＰＣ）广泛应用于木器、金　属、塑胶等领域｝６＿　．是一种性能优异、价格低廉的环保　型多元醇。使用其制备的常温自干型金属涂料附着力　好、硬度高、耐水和耐溶剂性能良好，十分适合于金属　表面装饰和防锈Ｉ　。本研究利用ＰＰＣ为主要原料，较为　详细考察了影响水性聚氨酯自干涂料性能的主要因　素。并且在厂区内选择不同区域、不同底材，在不同气　候环境下，采用不同方式施工，考察涂料的综合性能，　因此，对金属材料进行防腐保护势在必行，防腐涂料　也备受关注　水性涂料以水为介质，可挥发性有机物（ＶＯＣｓ）含　量低，对基材适应性好，附着力强，备受人们的青睐。水　性聚氨酯（ｗｐｕ）由于结构的“可裁剪性”，广泛应用于涂　以期为今后实际工作提供一些参考。　料、胶黏剂、油墨和皮革等领域　】。据统计，２０１４年水性　聚氨酯市场已经超过６５亿美元，预计２０１９年将达到　１００亿美元左右。据Ｍａｒｋｅｔｓ　ａｎｄ　Ｍａｒｋｅｔｓ发布的报告显　１试验部分　分析ｓ标准ＡＮＡＬＹＳＩＳＡＮＤＳＴＡＮＤＡＲＤ　２３　何程林，等：自干型水性聚氨酯金属涂料性能的影响因素研究　按照国家标准ＧＢ／Ｔ　９２８６—１９９８．采用划格法测　ＨＨ一２数显恒温水浴锅：金坛市天瑞仪器有限公　司；电动搅拌器：江阴市保利科研器械有限公司；　试涂膜在马口铁板上的附着力。　ＪＡ５００２型电子天平：上海浦春计量仪器有限公司；电　热鼓风干燥箱：泰兴市天泰恒温仪器厂：划格器：天津　永利达；马ＶＩ铁测试板：市售。　２结果与讨论　２．　：水性聚氯醣树脂硬　种类　Ｅ含量　涂膜　性能约影响　水性聚氨酯树脂的硬段主要由二异氰酸酯和扩　链剂等组成。常见的二异氰酸酯包括ＴＤＩ、ＭＤＩ、ＩＰＤＩ　和ＨＤＩ等，如果需要考虑涂膜耐黄变，则可以选择ＩＰＤＩ　或者ＨＤＩ作为硬段材料；如果不需要考虑耐黄变，可　以选择ＴＤＩ或者ＭＤＩ。其中ＭＤＩ和ＨＤＩ由于其结构　规整，对称性强，能够促进高聚物链段的结晶性，ＭＤＩ　由于含有苯环结构，内聚力大，在基材一ｋ的附着力尤　其突出，但是耐候性较差。ＩＰＤＩ虽然其内聚力不及　ＴＤＩ和ＭＤＩ，但是在基材上的润湿性较好．同时耐候性　．３　脂龠赢　将ＰＰＣ、ＰＴＭＥＧ、ＴＤＩ、ＩＰＤＩ、ＤＭＰＡ、ＴＭＰ等原料计　量加入到装有回流冷凝管、温度计和搅拌桨的四口烧　瓶中。滴加几滴ＤＢＴＤＬ催化剂，体系混合均匀后升温　至８５℃，反应２　ｈ。加入适量丙酮稀释之后，加入　ＨＤＯ、ＥＧ，７０℃反应ｌ　ｈ。然后在６０　ｃＣ下反应至一ＮＣＯ　值达到理论值，降温至４０　ｏ【＝。向上述合成的预聚体中　加入ＴＥＡ去离子水，高速乳化．随后在旋转蒸发仪上　真空脱除丙酮，得到水性聚氨酯树脂。　能优异，适合于要求较高的金属部件的装饰和防腐。　常用的扩链剂包括小分子多元醇和小分子多元胺，小　：．４水性涂料制蕾和　着力测试方法　　１Ｉ：一　一　’　分子多元醇与异氰酸酯反应生成氨酯键．小分子多元　胺与异氰酸酯反应生成脲键．氨酯键和脲键的极性均　向上述制备的水性聚氨酯树脂乳液中按照一定　比例添加增稠剂、润湿剂、流平剂、防闪锈剂、ｐＨ调节　剂等助剂，搅拌均匀，制得水性聚氨酯白干漆。　】一Ｉ　２■　●，　较大，能够在基材上产生较强的吸附作用。所以提高　硬段含量不仅可以提升涂膜在基材上的附着力．还可　以改善其硬度、耐温性、耐溶剂性等。但是，当硬段含　量超过一定比例时，涂膜偏脆，柔韧性明显变差，影响　树脂在基材上的润湿性。导致树脂与基材实际接触面　将制得的水性聚氨脂自干漆按照ＧＢ／Ｔ　ｌ７２７—　１９９２所述的方法，以喷涂法涂覆在马口铁板上，自然　干燥７　ｄ，进行测试。　积的降低，附着力明显下降［　】。硬段含量ｆＨＳ％１对涂膜　性能影响情况见表２。　２４　分析与标准ＡＮＡＬＹＳＩＳＡＮＤＳＴＡＮＤＡＲＤ　何程林．等：自干型水性聚氨酯金属涂料性能的影响因素研究　从表２　Ｈｆ见．当硬段含量低丁４０％时，随着硬段含　性聚氨酯树脂作为成膜树脂。　量的增加，极性基团比例提高。涂膜在基材上的附着力　保持良好的同时，硬度随之提升，但是耐水、耐酸碱等　性能不达标；　硬段含量超过４５％时，由于涂膜变脆，　　：＝　ｊ　＿　囊　ｔ－ｉ．；：ｌ＿　ｔ。　交联剂主要包括多官能度多元醇和多元胺。同小　分子扩链剂类似。多元醇和多元胺分别与异氰酸酯反　应乍成氨酯键和脲键．适度的交联度会增强树脂的成　膜性和结品性．提升涂膜附着力和耐性　但是，交联度　附着力变差　在金属表面装饰和防腐领域，对于涂膜的　硬度有一定的要求，才能达到相应的效果，涂膜硬度偏　软，不能起到卡ｆ１应的防腐防锈作用；涂膜太硬，会导致　其柔韧性和附着力下降，抗冲击性变差，同样达不到预　期要求　所以耍根据具体施工环境和要求选择合适的　树脂　此本研究选择硬段含量在４０％～４５％之间的水　过大．会使得水性聚氨酯预聚体黏度过大，乳化时难以　分散，导致体系微相分离困难，损害树脂内聚力，使得　附着力下降…１。交联度对涂膜性能的影响见表３所示。　表３交联度对涂膜・陛能的影响　ｆ｝１表３叮见：当交联剂用量从。提高到ｏ．６％时，　随着交联度的增加，涂膜的硬度、附着力和耐性等性　能均明显提高、　交联剂用量超过０．８％时，预聚体黏　度过大，难以　水小分散，涂膜附着力变差，综合性能　降低　综合各种闪素，交联剂的添加量在０．６％最佳。　氧化层，同时，也容易受到各油类污染和吸附一些其　他的杂质，还有可能金属表面太过光滑，诸多情况使　得金属表而成为弱界面层，处理不好均会影响涂膜在　基材上的附着力　ｊ　本研究考察了几种不同处理马口　，铁板基材的方式对深膜性能的影响，其中除锈是指使　用砂纸打磨，脱脂是指使用乙醇擦拭马Ｅｌ铁板，酸化　０　■０＝　；■Ｉ＝■’：蠢Ｉ　÷皇三　Ｉ暑ｊ　金属表面在各种热处理、机械加Ｔ、运输及保管　处理是指将马口铁板在５０％的硫酸溶液中浸泡５　ｍｉｎ．试验结果见表４。　由表４可见．如果在喷涂施丁之前，对马口铁板不　过程中，不可避免地会被氧化．产生一层厚薄不均的　表４表面处理方法对涂膜性能的影响　分析与标准ＡＮＡＬＹＳＩＳＡＮＤ　ＳＴＡＮＤＡＲＤ　２５　何程林，等：自干型水性聚氯酯金属涂料性能的影响因素研究　做仟何处　，涂膜在基材上几乎没有附着力：经过除锈　水性聚氨酯涂料ｐＨ调节刹对涂料Ｉ．ｔＰ、：　稳定性、抗　处理的基材，涂膜的附着力明　提升：脱脂或ｌ哲酸化处　理的丌Ｊ｝Ｉ铁板，其表而产生较多的机械凹陷，增『ＪＩｌ了埘　腐败、防腐蚀、黏度及涂膜的性能均有一定影响．ｒｑ　以　彳丁效防止涂料在储存、运输和使用过程ｌｆＩ过０１　成膜，　脂　基材表　的接触而积，附着力十分优异　也町以看成足一种乳化体系稳定剂　小研究号察Ｊ　小　同ｐＨ渊节剂对体系的影响，见表５　２。４水性聚氨酯自干涂料体系ｐＨ对稳定性　的影响　由表５可见：使用　Ｎ一二甲基乙醇胺（ＤＭＥＡ）作　为ｐＨ凋　剂，气味较大，较易黄变．乳液不及使用　表５不同ＤＨ调节剂对涂料体系的影响　ＡＭＩ）．－９５稳定，其１ｌＪ　ＡＭＰ一９５为２一氨基一２一　一ｌ一　雕，能够增进增裥剂性能，减少增稠剂川量，降低涂料　气味，…时增『Ｊ【ｌ润湿性能，改进色浆展色性，仃利丁提　高涂料和涂膜的不黄变性，改进耐洗擦性干¨耐水性．　仃利－ｊ：提高　泽，降低罐中腐蚀干¨生锈，不造成体系　的挥发　仃饥成分ｆＶ０Ｃ１的增加　３施工案例　３．一ｉ施工案例　～ｊ　１．ｉ　ｔ工囊０　户内电机翻新表面防锈　水性金属涂料应用于电机的施工条件见表６　表６水性金属涂料应用于电机施工条件　８（）　除锈一酒精清洗一底漆一下燥＋而漆＋Ｉ‘燥　　＿分十燥之后才能刚涂　漆，漆膜小宜过　　ＪＪ　ｆ１］木案例施Ｉ：对象为巾科金龙车问ｉ　常使川的　电机，电机表　沾有大量的油渍、灰尘等污染物，施＿ｒ　之前．埘电机表而处理卜分重要．处理不沽净会导敛　水性涂料存基材衷而铺展不开．引起缩孔，附荇力也　　ｆ【　、　电机的刷涂实物效果　如图ｌ昕示　、　（１１施Ｔ前对基材的表面处理十分啊　，　ｆ‘分必　要．从最后施广图中可以看　表面处胖较为清沽的　会受刮很大影响、、所以在使用钢丝刷和打磨机对电饥　除锈之　．还使川酒精对部分污染较为严重的　域进　行除污处理：　电机外罩部分涂膜较为平整光滑，光泽做　，Ｉｉ满　良好；百Ⅱｒ部分，南于清清难度大，；ｆｔｔ　残仔艟较大，　涂料铺展性不好，涂刷效果不尽如人意；　ｆ２１添加色浆为酞菁蓝，在进行大面积刷涂之｝ｊ订，　要先　部进仃测试．观察水性涂料在基材Ｉ　的铺　力、遮盖力和附着力等基本性能．确定配方之后才能　进行下一步施Ｊ　：　（２１在利用水性金属涂料施Ｔ的同ｆＩｌｆ，也利川ｔ溶剂　型醇酸树脂埘支撑电机的钢架进行防４Ｊ－　，许将　者的　涂装表现进行对比．．从最后的施＿ｒ效果术行，只　琏　（３）施Ｉ　采川“一底一丽”的形式进行，要等底漆充　２６　分析与标准　，ｖ　ＬＹＳＩＳＡＮＤ　ＳＴＡＮＤＡＲＤ　材处理得当．水性聚氯酯涂料在基材　均表现¨１　ｒ优　何程林，等：自干型水性聚氨酯金属涂料’Ｉ＂ｄＥ￣的影响因素研究　图１电机刷涂实物图　蚌的附着力和硬度，光泽较高，漆膜＃满，能够起到装　饰和防锈保护的作用；而油性醇酸树脂的附着力一　般．光泽度小高，漆膜丰满度不及水　ＩＩ－：涂料、、　、　＿　＝，水性金属涂料心川下铁罐的施ｒ条件见表８　水性金属涂料心川丁铁罐的涂装丁Ｚ，　表９　表８水性金属涂料应用于铁罐施工条件　（１）今案例施ｌ　对象为中科金龙铁制储罐，ｆｆ１于常　年放　丁广Ｊ外，导致表面懵蚀较为严　，铁罐表面漆　膜大量脱落　小ｉ欠试验主要考察水性聚馥酯金属涂料　＝户外铁制撼材施丁效果；　ｆ２１添ＪＪＩＪ乜浆为酞箐靠，在进行大嘶积刷涂之前，先　部进行测试，确定配方之后才能进行下　步施１一；　ｆ３１施ｌ　采川“　・底一面”的形式进行，要等底漆允　分ｆ：燥之后才能喷涂面漆，由于储罐表而坑洼较多，　需要进行后续修补，但是喷涂漆膜不　ｆ　：过　；　ｆ４　，外操作时，由于风速和气Ｊｆｉ对施Ｔ效果　很　大影响．　控制真卒压缩机气压维持　稳定水平，顺　图２铁罐喷涂效果图　风操作，㈦时做　人员自身防护措施　、　尤其是对于罐装物体，要特刖注意涂膜的均匀性，使　得整体色泽一致，光泽饱满；　ｆ２１采川喷涂施ｒ　式，要合理渊　涂料黏度，保　铁罐的喷涂效果　如网２所永　证喷枪　力稳定，合理测整喷枪的移动速度以及喷枪　与罐体的距离，控制涂膜涂装的厚度和Ｉ平整度。　ｆｌ１　ｒ】外施ｌ　相比于窜内而古　，操作难度更大，要　允分号虑风速、温度、湿度等环境条件对涂装的影响，４结语　分辑与标荏ＡＮＡＬＹＳＩＳ　ＡＮＤ　ＳＴＡＮＤＡＲＤ　∞’　何程林，等：自干型水性聚氨酯金属涂料性能的影响因素研究　使用聚碳酸亚丙酯多元醇能够制备出性能较为　优异的水性聚氨酯自十型金属涂料，设计硬段含量在　４０％～４５％，交联剂添加量为０．６％，利用ＡＭＰ一９５调节　【５ｌ　ｈｔｔｐ：／／ｉｎｆｏ．ｐｆ．ｈｃ３６０．ｃｏｍ／２０１５／０７／１６０８３９５１￣１９２２．ｓｈｔｍｌ，慧　聪表面处理网．　ｆ６ｌ　许宁，杨劲松，朱太，等，基于聚碳酸亚丙酯二元醇的水　性聚氨酯的制备及其在水性木器涂料中的应用研究…．　体系ｐＨ，选择合适的方式对基材进行预处理，使用该　系列水性聚氯酯余属涂料，对不同基材采用不同的方　式施工，成膜光泽高、附着力好、硬度大，十分适合于　室内外装饰和一般防锈保护　中国涂料，２０１５，３０（６）：３１－３６．　［７】何程林，许宁，杨劲松，等，环氧改性ＰＰＣ基水性聚氨酯　乳液的合成及应用Ｕ】．上海涂料，２｛）１５，５３（１Ｉ＿））＝１—４．　８　许宁，徐玉华，杨劲松，等２０ｌ５年塑料涂料与涂装研讨会　论文集【ｃ】．深圳：全国涂料工业信息中心．２０１５：１８一！（１．　一　～　～　参考文献　【１】　闰福安．水性树脂与水性涂料【Ｍ１．北京：化学工业出版　社：２０１　１．　『９】　何程林，许宁，雷琼，等，常温自干型水性聚氨酯金属涂　料的制备和应用Ｕ］．中国涂料，２０１　５，３０（ｉ０）：２９－３２．　【１０ｌ熊潜生，许戈文，戴家兵，等．水性聚氨酯涂料的硬度探　讨【Ｊｊ．涂料工业，２０｛）２，３２（０７）：７—８．　Ｉ２　Ｊ　刘国杰．国内外水性木器涂料发展现状及趋势Ｕ　Ｊ．现代涂　料与涂装，２０１４，１７（１１）：７—１３　［３ｌ　杜鹃．水性聚氨酯树脂在环保油墨中的应用研究进展【＿Ｉ１．　应用化工，２０１２，４１（６）：１０７６—１（３７９　【１１１吴国华．影响水性聚氨酯树脂对金属附着力的因素及解　决方法Ｕ１．涂料工业，２【）Ｉ）４，３４（【１７）：４１—４３　Ｉ１２１王学武．金属表面处理技术ＩＭ】．北京：机械工业出版社．　２｛１１４　１４】　修玉英，李雯静，罗强．水性聚氨酯胶黏剂在复合薄膜制　造上的应用Ｕ】．中国胶黏剂，２００３，１３（３）：５５—５９．　一　一　专用无气喷漆机类型　表１８各种专用无气喷涂机一览表　序号　重防腐涂料类型　双组份　聚脲、无溶剂涂料等适用期＜２０　ｍ　无气喷漆机　有涂料加热装旨　一　～　～　Ｇｒａｃ【ｌ　Ｘｔｌ‘ＰｌｎＰ　Ｍｉｘ系列Ｊ　『Ｉ＾　ＷＩＷＡ　混双３３３等　Ｓｚｄ２　７５：Ｉ　重庆长ｆ　６５：ｌ　４５：ｌ　富锌底漆　２　Ｇｒａｅｏ　，　｜　ＢｕｌｌＤＯＧ３２：ｌ　３８０３２　各类富锌底漆　专用无气喷机　压缩比为３２：ｌ或３３：１　重庆长江　Ｇｒａｃｏ　｜ｆ，｜　Ｑｅｒ　９ｃ　ＣＰ　３２５（）　Ｘｔｒｅｍｅ　ｘ７０　２４０７ｌ　离固体分、厚膜型涂料　缩比较高的尤气喷漆机　重庆长江　重庆长　ｌ．　ＧＰｒ７０３７（带两把枪）　（　Ｉ，７３２　ｌ　ｒ｝、　所以培养涂装技术人员、提高涂装技术水平是近年桥　梁制造技术的霞点。　技术，培养涂装技术人员，使桥梁建设中的涂装丁艺　适应桥梁建设现代化的需要　６结语　叙述了我国桥梁建设上的发展和桥梁涂料在数　参考文献　李敏风，钱胜杰我国桥梁涂料发展特点分析Ｕｌ＿上海涂　料，２０１１，４９（Ｉ１）：３６—４０．　量、质量上的发展趋势。还指出了　内涂料厂家发展　高性能桥梁涂料的必要性，特别是提高桥梁涂装工艺　２８　分折与标准ＡＮＡＬＹＳＩＳＡＮＤ　ＳＴＡＮＤＡＲＤ　李敏风，唐俊华．我国桥梁涂料及涂装技术发展的新动向　Ｕ１．中国涂料，２０１５，３０（９）．