彈性耐候丙烯酸聚氨酯涂料的研制

       全球涂料網訊：

      劉子康，王新鋒，段文鋒

    （北京東方雨虹防水技術股份有限公司，北京101309）

    摘要：介紹了環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涂膜性能的影響。結果表明，研制的環保型彈性耐候丙烯酸聚氨酯涂料具有極強的附著力、良好的耐候性和彈性，可抵抗混凝土表面的輕微裂紋。

    關鍵詞：聚氨酯；丙烯酸；彈性；耐候型；涂料

    中圖分類號：TU56+1.69文獻標識碼：A文章編號：1001-702X（2015）01-0039-04

    0·前言

    混凝土腐蝕會造成巨大損失，但無論現在乃至將來，混凝土材料都以其優良的結構性能和承重性能在材料領域占據重要地位，因此，研究混凝土材料的防護方法以控制混凝土材料的碳化腐蝕，減少腐蝕造成的損失，對國民經濟發展具有重要意義。其中最常用的方法就是在混凝土表面涂覆防護涂層，以隔絕空氣中的二氧化碳以及各種介質與混凝土基體接觸。隨著建筑、交通等行業的發展，這些領域對混凝土防護涂料的品種和性能提出了更高的要求。

    傳統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，在用于混凝土表面時，硬度有余韌性不足，極易產生微裂紋而使防護效果大大降低，導致修補及保養費用增加；一次施工厚度過厚會開裂，要想達到1mm的施工厚度必須采用多道施工，施工周期長，效率低[8-9]。

    本文研制的一種用于混凝土結構表面的環保型彈性耐候型丙烯酸聚氨酯涂料，具有極強的附著力、耐候性好、彈性好，可抵抗混凝土表面的輕微裂紋等優良的性能，并且固含量高，所用溶劑為環保型，而且可一次施工達到所需的施工厚度，施工效率高。其主要應用領域為混凝土結構表面的防護、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·實驗

    1.1主要原料

    色漆組分主要原料：羥基丙烯酸樹脂，FS-2050、FS-2460A、FS-3060、FS-4365A，工業級，海明斯；聚天門冬氨酸樹酯，NH1420，德國拜耳；催化劑，T-12，美國氣體化學；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；異氰酸酯，IPDI、N75、N3390，工業級，德國拜耳；助劑、溶劑等，市售。

    1.2環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，則制備時將其與羥基丙烯酸樹脂在最初一起加入到反應釜中）和溶劑加入到反應釜中，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，進入研磨機研磨至所需的細度，用100目篩網過濾后出料。

    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量比100∶50混合均勻后倒入噴漆罐中，調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，標準條件下[溫度23℃，相對濕度（50±10）%]養護7d后裁樣測試。

    1.5性能測試方法

    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力應變性能的測定》中的Ⅰ型啞鈴裁制。電子拉力機采用深圳新三思計量技術有限公司的4104型電子拉力機，傳感器采用200N量程，拉伸速度為250mm/min。

    2·結果與討論

    2.1羥基丙烯酸樹脂含量對涂料性能的影響

    選用羥基丙烯酸樹脂FS-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質量份保持不變，填料、助劑等在色漆組分中共40質量份保持不變）分別配制色漆組分，通過調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，待涂膜養護到期后測試涂膜性能，結果如圖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用量固化劑配制的涂膜的拉伸強度隨羥基丙烯酸樹脂含量的升高而逐漸提高，斷裂伸長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的比例升高，而溶劑的比例降低，所以其拉伸強度逐漸升高，而斷裂伸長率逐漸降低。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，其分子質量依次降低，在相同用量的情況下所形成涂膜的交聯度依次增大，所以其拉伸強度按照FS-2050、FS-2460A、FS-3060、FS-4365A的順序依次升高，斷裂伸長率則依次降低。

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

    選用羥基丙烯酸樹脂FS-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質量份保持不變，填料、助劑等在色漆組分中共50質量份保持不變）分別配制色漆組分，通過調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，待涂膜養護到期后測試涂膜性能，結果如圖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，與相應用量的固化劑配制的涂膜的拉伸強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，而羥基丙烯酸樹脂（100%固含時）常溫下為固態，所以聚天門冬氨酸樹脂NH1420的加入改善了涂膜的柔韌性，使其延伸率進一步提高。同時，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與異氰酸酯固化劑反應固化，形成化學交聯互穿網絡結構，所以同時也提升了涂膜的拉伸強度。

    2.3顏填料種類和用量對涂料性能的影響

    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，待涂膜養護到期后測試涂膜性能，結果如圖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度隨顏填料用量的升高而逐漸降低，斷裂伸長率隨顏填料用量增大而逐漸降低，并且當顏填料用量超過25%以后，涂膜的拉伸強度和斷裂伸長率急劇下降。這是由于顏填料的加入阻礙了涂膜固化時分子鏈間作用力的形成，變為了分子鏈與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為主導地位，所以當顏填料用量超過25%時，涂膜的拉伸強度和斷裂伸長率顯著下降。

    2.4催化劑種類和用量對涂料性能的影響

    選用有機錫和胺類催化劑，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，考察其對涂膜表干時間的影響，結果如圖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，添加有機錫催化劑的涂膜的表干時間比添加胺類催化劑的要快，這是由于有機錫催化劑對—OH和—NCO的反應比胺類催化劑有更高的選擇催化作用，而胺類催化劑對H2O與—NCO具有更高的選擇催化作用。但是當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涂膜表干時間的影響，結果如圖8所示。

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

    2.6最佳優化配方

    經上述一系列試驗，得到彈性耐候丙烯酸聚氨酯涂料的優化配方見表3、表4。

    2.7最佳優化配方涂料的性能（見表5）

    3·結論

    （1）隨著環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，涂膜的拉伸強度逐漸提高，斷裂伸長率逐漸降低；隨著羥基丙烯酸樹脂中聚天門冬氨酸樹脂用量的增多，涂膜的拉伸強度和斷裂伸長率均逐漸升高；隨填料用量的增大涂膜的拉伸強度和斷裂伸長率逐漸降低。涂膜的表干時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。

    （2）環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度為13.5MPa，斷裂伸長率為170%，附著力（與混凝土基材）為5.6MPa，耐老化性（紫外老化）為1000h。

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（來源：全球涂料網）（更多資訊請登錄：全球涂料網 http://www.soutuliao.com/）