彈性耐候丙烯酸聚氨酯涂料的研制

       全球涂料網(wǎng)訊：

      劉子康，王新鋒，段文鋒

    （北京東方雨虹防水技術(shù)股份有限公司，北京101309）

    摘要：介紹了環(huán)保型彈性耐候型丙烯酸聚氨酯的制備方法，討論了羥基丙烯酸樹脂種類及用量、聚天門冬氨酸樹脂的用量、填料的種類及用量、催化劑的種類和用量、溶劑的種類和用量對(duì)涂膜性能的影響。結(jié)果表明，研制的環(huán)保型彈性耐候丙烯酸聚氨酯涂料具有極強(qiáng)的附著力、良好的耐候性和彈性，可抵抗混凝土表面的輕微裂紋。

    關(guān)鍵詞：聚氨酯；丙烯酸；彈性；耐候型；涂料

    中圖分類號(hào)：TU56+1.69文獻(xiàn)標(biāo)識(shí)碼：A文章編號(hào)：1001-702X（2015）01-0039-04

    0·前言

    混凝土腐蝕會(huì)造成巨大損失，但無(wú)論現(xiàn)在乃至將來，混凝土材料都以其優(yōu)良的結(jié)構(gòu)性能和承重性能在材料領(lǐng)域占據(jù)重要地位，因此，研究混凝土材料的防護(hù)方法以控制混凝土材料的碳化腐蝕，減少腐蝕造成的損失，對(duì)國(guó)民經(jīng)濟(jì)發(fā)展具有重要意義。其中最常用的方法就是在混凝土表面涂覆防護(hù)涂層，以隔絕空氣中的二氧化碳以及各種介質(zhì)與混凝土基體接觸。隨著建筑、交通等行業(yè)的發(fā)展，這些領(lǐng)域?qū)�混凝土防護(hù)涂料的品種和性能提出了更高的要求。

    傳統(tǒng)的丙烯酸聚氨酯涂料為剛性涂層[1-7]，適用于金屬表面的涂覆防護(hù)，在用于混凝土表面時(shí)，硬度有余韌性不足，極易產(chǎn)生微裂紋而使防護(hù)效果大大降低，導(dǎo)致修補(bǔ)及保養(yǎng)費(fèi)用增加；一次施工厚度過厚會(huì)開裂，要想達(dá)到1mm的施工厚度必須采用多道施工，施工周期長(zhǎng)，效率低[8-9]。

    本文研制的一種用于混凝土結(jié)構(gòu)表面的環(huán)保型彈性耐候型丙烯酸聚氨酯涂料，具有極強(qiáng)的附著力、耐候性好、彈性好，可抵抗混凝土表面的輕微裂紋等優(yōu)良的性能，并且固含量高，所用溶劑為環(huán)保型，而且可一次施工達(dá)到所需的施工厚度，施工效率高。其主要應(yīng)用領(lǐng)域?yàn)榛炷�土結(jié)構(gòu)表面的防護(hù)、防水、裝飾等工程的主體材料或作為其它主體材料的面漆配套材料使用。

    1·實(shí)驗(yàn)

    1.1主要原料

    色漆組分主要原料：羥基丙烯酸樹脂，F(xiàn)S-2050、FS-2460A、FS-3060、FS-4365A，工業(yè)級(jí)，海明斯；聚天門冬氨酸樹酯，NH1420，德國(guó)拜耳；催化劑，T-12，美國(guó)氣體化學(xué)；填料、助劑、溶劑等，市售固化劑組分主要原料：聚醚多元醇，定制生產(chǎn)；異氰酸酯，IPDI、N75、N3390，工業(yè)級(jí)，德國(guó)拜耳；助劑、溶劑等，市售。

    1.2環(huán)保型彈性耐候丙烯酸聚氨酯涂料的制備

    先把羥基丙烯酸樹脂、聚天門冬氨酸樹脂（如果配方中需要加入天門冬氨酸樹脂時(shí)，則制備時(shí)將其與羥基丙烯酸樹脂在最初一起加入到反應(yīng)釜中）和溶劑加入到反應(yīng)釜中，然后慢速攪拌下待樹脂與溶劑分散均勻后，加入填料、顏料、助劑后高速攪拌0.5～1.0h后，進(jìn)入研磨機(jī)研磨至所需的細(xì)度，用100目篩網(wǎng)過濾后出料。

    1.3涂料的基本配方（見表1、表2）

    1.4涂膜制備方法

    將涂料的色漆組分和固化劑組分按照質(zhì)量比100∶50混合均勻后倒入噴漆罐中，調(diào)整好噴槍壓力和流量，將涂料均勻噴涂在涂硅隔離膜上，保證干膜厚度為400～800μm，標(biāo)準(zhǔn)條件下[溫度23℃，相對(duì)濕度（50±10）%]養(yǎng)護(hù)7d后裁樣測(cè)試。

    1.5性能測(cè)試方法

    拉伸性能試件形狀按照GB/T528—2009《硫化橡膠或熱塑性橡膠拉伸應(yīng)力應(yīng)變性能的測(cè)定》中的Ⅰ型啞鈴裁制。電子拉力機(jī)采用深圳新三思計(jì)量技術(shù)有限公司的4104型電子拉力機(jī)，傳感器采用200N量程，拉伸速度為250mm/min。

    2·結(jié)果與討論

    2.1羥基丙烯酸樹脂含量對(duì)涂料性能的影響

    選用羥基丙烯酸樹脂F(xiàn)S-2050、FS-2460A、FS-3060、FS-4365A，在不同含量下（樹脂與溶劑在色漆組分配方中共60質(zhì)量份保持不變，填料、助劑等在色漆組分中共40質(zhì)量份保持不變）分別配制色漆組分，通過調(diào)整自制彈性固化劑中的聚醚多元醇和異氰酸酯的比例來調(diào)整固化劑組分的—NCO含量，使色漆組分與固化劑組分在配比相同的情況下保持其R值[n（—NCO）∶n（—OH）]=1.05不變，色漆組分與自制彈性固化劑組分混合涂膜，待涂膜養(yǎng)護(hù)到期后測(cè)試涂膜性能，結(jié)果如圖1、圖2所示。

    由圖1和圖2可以看出，采用不同羥基丙烯酸樹脂在不同含量下與相應(yīng)用量固化劑配制的涂膜的拉伸強(qiáng)度隨羥基丙烯酸樹脂含量的升高而逐漸提高，斷裂伸長(zhǎng)率隨羥基丙烯酸樹脂含量的升高而逐漸減小。這是由于隨羥基丙烯酸樹脂含量的升高，涂膜中由樹脂和固化劑形成的成膜物質(zhì)的比例升高，而溶劑的比例降低，所以其拉伸強(qiáng)度逐漸升高，而斷裂伸長(zhǎng)率逐漸降低。FS-2050、FS-2460A、FS-3060、FS-4365A這4種羥基丙烯酸樹脂的羥值依次升高，其分子質(zhì)量依次降低，在相同用量的情況下所形成涂膜的交聯(lián)度依次增大，所以其拉伸強(qiáng)度按照FS-2050、FS-2460A、FS-3060、FS-4365A的順序依次升高，斷裂伸長(zhǎng)率則依次降低。

    2.2羥基丙烯酸樹脂與聚天門冬氨酸樹脂NH1420混合使用對(duì)涂料性能的影響

    選用羥基丙烯酸樹脂F(xiàn)S-2050、FS-2460A、FS-3060、FS-4365A與聚天門冬氨酸樹脂NH1420混合使用（羥基丙烯酸樹脂與聚天門冬氨酸樹脂在色漆組分配方中共50質(zhì)量份保持不變，填料、助劑等在色漆組分中共50質(zhì)量份保持不變）分別配制色漆組分，通過調(diào)整自制彈性固化劑中的聚醚多元醇和異氰酸酯的比例來調(diào)整固化劑組分的—NCO含量，使色漆組分與固化劑組分在配比不變的情況下保持其R值[n（—NCO）∶n（—OH）]=1.05不變，色漆組分與自制彈性固化劑組分混合涂膜，待涂膜養(yǎng)護(hù)到期后測(cè)試涂膜性能，結(jié)果如圖3、圖4所示。

    由圖3、圖4可以看出，在不同羥基丙烯酸樹脂中加入不同用量的聚天門冬氨酸樹脂后，與相應(yīng)用量的固化劑配制的涂膜的拉伸強(qiáng)度隨聚天門冬氨酸樹脂NH1420含量的升高而逐漸提高，斷裂伸長(zhǎng)率隨NH1420的升高而逐漸增大。這是由于聚天門冬氨酸樹脂NH1420比羥基丙烯酸樹脂的Tg值要低，其（100%固含樹脂）常溫下為液態(tài)，而羥基丙烯酸樹脂（100%固含時(shí)）常溫下為固態(tài)，所以聚天門冬氨酸樹脂NH1420的加入改善了涂膜的柔韌性，使其延伸率進(jìn)一步提高。同時(shí)，聚天門冬氨酸樹脂的加入，在固化過程中，聚天門冬氨酸樹脂和羥基丙烯酸樹脂同時(shí)與異氰酸酯固化劑反應(yīng)固化，形成化學(xué)交聯(lián)互穿網(wǎng)絡(luò)結(jié)構(gòu)，所以同時(shí)也提升了涂膜的拉伸強(qiáng)度。

    2.3顏填料種類和用量對(duì)涂料性能的影響

    選用鈦白粉、輕鈣、滑石粉（固定3種顏填料的質(zhì)量比為3∶1∶1）分別在色漆組分中以不同的添加量配制成色漆組分，與自制彈性固化劑組分混合后制成涂膜，待涂膜養(yǎng)護(hù)到期后測(cè)試涂膜性能，結(jié)果如圖5、圖6所示。

    由圖5、圖6可以看出，在不同顏填料用量下，與固化劑配制的涂膜拉伸強(qiáng)度隨顏填料用量的升高而逐漸降低，斷裂伸長(zhǎng)率隨顏填料用量增大而逐漸降低，并且當(dāng)顏填料用量超過25%以后，涂膜的拉伸強(qiáng)度和斷裂伸長(zhǎng)率急劇下降。這是由于顏填料的加入阻礙了涂膜固化時(shí)分子鏈間作用力的形成，變?yōu)榱朔肿渔溑c顏填料粒子之間的作用力和分子鏈間的作用力并存，隨著顏填料用量的增多分子鏈與顏填料粒子之間的作用力變?yōu)橹鲗?dǎo)地位，所以當(dāng)顏填料用量超過25%時(shí)，涂膜的拉伸強(qiáng)度和斷裂伸長(zhǎng)率顯著下降。

    2.4催化劑種類和用量對(duì)涂料性能的影響

    選用有機(jī)錫和胺類催化劑，分別在樹脂組分中以不同的添加量配制成色漆組分，與自制彈性固化劑組分混合后制成涂膜，考察其對(duì)涂膜表干時(shí)間的影響，結(jié)果如圖7所示。

    由圖7可以看出，在不同催化劑用量下，與固化劑配制的漆膜的表干時(shí)間隨催化劑用量的升高而逐漸加快，并且相同催化劑用量下，添加有機(jī)錫催化劑的涂膜的表干時(shí)間比添加胺類催化劑的要快，這是由于有機(jī)錫催化劑對(duì)—OH和—NCO的反應(yīng)比胺類催化劑有更高的選擇催化作用，而胺類催化劑對(duì)H2O與—NCO具有更高的選擇催化作用。但是當(dāng)催化劑增加到一定量之后，其表干速度提升不明顯。

    2.5溶劑種類和用量對(duì)涂料性能的影響

    選用乙酸乙酯、丙酮、乙酸丁酯和二甲苯這4種溶劑，分別在樹脂組分中以不同的添加量配制成色漆組分，與自制彈性固化劑組分混合后制成涂膜，考察溶劑種類和用量對(duì)涂膜表干時(shí)間的影響，結(jié)果如圖8所示。

    由圖8可以看出，與固化劑配制的涂膜表干時(shí)間隨溶劑用量的升高而逐漸延長(zhǎng)，并且相同溶劑用量下，表干時(shí)間按照丙酮、乙酸乙酯、乙酸丁酯、二甲苯的順序依次延長(zhǎng)。這是由于這4種溶劑的沸點(diǎn)依次升高，沸點(diǎn)越高其揮發(fā)速度越慢，涂膜表干越慢，所以表干時(shí)間逐漸延長(zhǎng)。

    2.6最佳優(yōu)化配方

    經(jīng)上述一系列試驗(yàn)，得到彈性耐候丙烯酸聚氨酯涂料的優(yōu)化配方見表3、表4。

    2.7最佳優(yōu)化配方涂料的性能（見表5）

    3·結(jié)論

    （1）隨著環(huán)保型彈性耐候丙烯酸聚氨酯涂料中羥基丙烯酸樹脂用量的增大，涂膜的拉伸強(qiáng)度逐漸提高，斷裂伸長(zhǎng)率逐漸降低；隨著羥基丙烯酸樹脂中聚天門冬氨酸樹脂用量的增多，涂膜的拉伸強(qiáng)度和斷裂伸長(zhǎng)率均逐漸升高；隨填料用量的增大涂膜的拉伸強(qiáng)度和斷裂伸長(zhǎng)率逐漸降低。涂膜的表干時(shí)間隨催化劑用量的增加而逐漸縮短，隨溶劑用量的增大而逐漸延長(zhǎng)。

    （2）環(huán)保型彈性耐候丙烯酸聚氨酯涂料色漆組分的最佳配比為：m（羥基丙烯酸樹脂）∶m（聚天門冬氨酸樹脂）∶m（鈦白粉）∶m（輕鈣）∶m（滑石粉）∶m（催化劑）∶m（溶劑）＝35∶15∶15∶5∶5∶0.6∶22.7；彈性固化劑組分的最佳配比為：m（聚醚多元醇）∶m（異氰酸酯）∶m（催化劑）∶m（溶劑）＝50∶23∶0.2∶26.8。按最佳配方制備的涂料的拉伸強(qiáng)度為13.5MPa，斷裂伸長(zhǎng)率為170%，附著力（與混凝土基材）為5.6MPa，耐老化性（紫外老化）為1000h。

    參考文獻(xiàn)：

    [1]商漢章，白樺棟，馮剛，等.快干型聚氨酯丙烯酸聚氨酯面漆的研制[J].上海涂料，2012，50（1）：26-28.

    [2]許君棟，夏范武．高性能雙組分丙烯酸聚氨酯的研制與應(yīng)用[J].上海涂料，2009，47（3）：6-8.

    [3]宋永蓮．常溫固化型丙烯酸聚氨酯涂料的研制[J]．安徽化工，2001（5）：29-31．

    [4]沈球旺，劉忠，周榮華，等.高固體分丙烯酸改性聚氨酯涂料的研制[J].現(xiàn)代涂料與涂裝，2007，12（9）：14-18.

    [5]石亮，大藪則雄，丁學(xué)文，等.聚氨酯丙烯酸酯涂料的性能研究[J].涂料工業(yè)，2010，40（3）：36-39.

    [6]李儒劍，孟兆榮，周升，等.新型彈性丙烯酸聚氨酯玻璃鋼底漆的研制[J].涂料工業(yè)，2011，41（9）：27-30.

    [7]泮領(lǐng)慶，馬曉鷗，司徒偉生.紫外光固化丙烯酸聚氨酯玻璃涂料的研制[J].涂料工業(yè)，2005，35（2）：15-19.

    [8]夏正斌，涂偉萍，楊卓如.高固體分丙烯酸聚氨酯涂料的研究進(jìn)展[J].現(xiàn)代涂料與涂裝，2002，28（2）：50-54.

    [9]劉斌，李瑛，林海潮.丙烯酸聚氨酯涂料防腐蝕性能研究[J].中國(guó)腐蝕與防護(hù)學(xué)報(bào)，2003，28（2）：50-54.

（來源：全球涂料網(wǎng)）（更多資訊請(qǐng)登錄：全球涂料網(wǎng) http://srglobaltrade.com/）