创新聚氨酯涂料施工解决方案| 2016-01-05 | PCI杂志

乳化漆和环氧漆广泛用于墙体和地坪涂料。随着对性能要求的不断提高，聚氨酯涂料也被用于高性能建筑涂料(HiPAC)的各种场合。双组分(2K)脂肪族聚氨酯涂料具有优异的耐候、耐化学、耐磨损和耐划伤性，坚韧而柔韧。因此，他们制定了高性能墙壁和地坪涂料的质量标准。然而，传统的聚氨酯涂料是溶剂型的，这可能导致强烈的气味，高VOC排放和火灾/爆炸的危险，特别是在室内应用。通过2K水性聚氨酯和聚天冬氨酸技术，创新的涂料解决方案将满足高性能、环保和高效涂料的要求。

水性聚氨酯涂料用于地板和墙面涂料。对于地坪涂料，它们是功能层的面漆——在许多情况下是无溶剂环氧树脂或聚氨酯——作为耐磨、耐化学反应、耐风化等保护层。应用领域包括办公室、大厅、展厅、仓库、超市、学校、网球场、工业车间等。对于墙体涂料，它们是一种高性能的功能性面漆，满足易于清洁、耐污渍、耐酸雨和防涂鸦的要求。应用领域包括食品加工厂、电子厂、学校、医院、地铁/火车站、厨房/浴室的内墙，以及需要易于清洁或抗涂鸦性能的外墙。它们还可以用作灰泥、石漆、石覆层甚至裸露的混凝土的透明密封剂。

聚天冬氨酸涂料主要用于地坪涂料，作为一种无溶剂、快速恢复服务的解决方案。它们可以涂在底漆上，也可以直接涂在预处理过的混凝土上。它们适用于车库/停车场，体育场的座椅支架，以及钢结构的防腐涂层。

2K水性聚氨酯基本原理

反应

聚氨酯的反应通常发生在异氰酸酯(NCO)和多元醇(OH)之间，从而形成聚氨酯结构(图1)。异氰酸酯对水也很敏感。它首先与水反应生成胺并释放CO₂．然后，该胺将立即与另一种异氰酸酯发生反应，形成尿素结构。图2为异氰酸酯与水的反应。

在2K聚氨酯涂料中，如果异氰酸酯能与水发生反应，我们怎么能把它放入水中呢?科学家们发现，用于涂层的脂肪族多异氰酸酯是疏水性的，反应活性相对较低。当与水混合时，异氰酸酯会在水中分离，界面处发生的反应会产生聚脲阻挡层，也会减少水对多异氰酸酯部分的渗透。因此，它在水中稳定数小时，这是足够的时间处理涂层在应用。图3显示了水中的多异氰酸酯。

混合和成膜

与溶剂型聚氨酯涂料不同的是，将聚异氰酸酯部分混合到多元醇分散体系中成为一个三相体系。水为相干相，多元醇颗粒为分散相，分散性多异氰酸酯为第三相。如上所述，多异氰酸酯微滴表面会形成聚脲阻挡层，使其在分散中稳定数小时，有足够的时间进行处理。

2K水性聚氨酯的锅寿命也不同于传统的溶剂型聚氨酯，粘度增加。2K水性聚氨酯的粘度在混合后基本稳定，因为反应会发生在分散体的颗粒/液滴中，但不会影响相干相的流动。因此，2K水性聚氨酯的锅寿命不能通过粘度的变化来决定，而是通过包括光泽度、雾度、耐溶剂性等性能的变化来决定。图4显示了2K水性聚氨酯的混合情况。

混合后的三相分散体可采用各种应用方法，如喷涂、轧制等。薄膜形成过程由此开始。第一步是物理干燥，包括水分蒸发和聚合。随着水的蒸发，这些粒子变得越来越近，直到它们最终连接在一起。边缘相互“融化”，聚合物分子开始扩散。多异氰酸酯仍然是液体，所以它可以渗透到多元醇中作为聚结剂/增塑剂，并发生化学反应。

当化学反应结束时，最终的膜就形成了。固化后的漆膜具有优异的耐化学、耐刮、耐磨性和优良的耐风化性能。其性能与传统聚氨酯涂料水平相同，但在干燥过程中大幅减少了VOC的排放。

亲水聚异氰酸酯

为了获得良好的外观和预期的性能，多异氰酸酯应充分分散在三相体系中。疏水多异氰酸酯需要特殊设备的高剪切速率，这在建筑工地是没有的。因此，亲水多异氰酸酯已成为实现低剪切手混合的理想溶液。疏水性和亲水性多异氰酸酯在水中手工混合的差异如图5所示。多异氰酸酯与水性多元醇混合不充分的后果是交联不完全和膜性能的显著恶化。

对于亲水硬化剂的生产，Covestro更倾向于将乳化组分(内乳化)化学结合到多异氰酸酯的过程。这种策略抑制了任何游离乳化剂在涂层中的迁移趋势(外部乳化)，这可能导致耐水性问题(例如在凝结测试中)，导致光泽下降或起泡。图6比较了多异氰酸酯亲水性的两种可能性。

因此，亲水硬化剂可以通过反应产生，例如，异氰尿酸酯与乳化剂分子，降低多异氰酸酯的功能。图7显示了聚醚改性的一个例子。

功能的降低将影响涂层的最终性能。为了增加功能，在分子中引入allophanate结构，如图8所示。

氨基磺酸盐修饰的多异氰酸酯(图9)代表了亲水多异氰酸酯交联剂的最新发展，进一步提高了薄膜的干燥性、硬度和耐化学性。此外，这些交联剂已被证明在涂鸦和家庭耐化学腐蚀方面比聚醚改性类型具有显著优势，因此使它们成为水性透明和面漆的绝佳选择。

粘度也会影响分散性。多异氰酸酯的粘度越低，越容易在手工搅拌的体系中分散。表1列出了不同类型的亲水性多异氰酸酯。AS3是最好的选择，具有最低的粘度和最佳的性能。它可以很容易地以100%固体的形式手工分散到多元醇分散体中。

多元醇分散体的选择

聚丙烯酸酯多元醇分散体通常用于双组份水性聚氨酯涂料。一级分散剂(乳液聚合物)和二级分散剂是可以使用的两种类型的分散剂。第一种是在水中进行聚合，使用外部表面活性剂稳定聚合物颗粒。另一方面，二次分散是在溶剂中产生的，然后在中和后分散。沿着聚合物链的羧酸基团稳定分散，起到内部表面活性剂的作用。

初级分散体以其高分子量和缺乏有机共溶剂而闻名。因此，它们是配制快干涂料的理想材料，但不适用于高光面饰。由于它们的生产，二次分散剂的共溶剂含量在1%到8%之间。这种分散剂主要用于配制干燥速度相对较慢的高光涂料(表2)。

通过使用单独或组合的聚丙烯酸酯分散体，可以调整其广泛的外观和性能性能以满足各种要求。典型的哑光配方可以与A57或A46，有时可以与B46或B95混合以提高性能。不同的混合比例可以很容易地实现不同的性能性能。例如，对于高光泽，可以使用B46或B95。在某些情况下，如运动地板，系统需要更高的灵活性。聚氨酯多元醇分散体也可以混合以满足这些要求。

NCO /哦,比

由于与水和其他反应基团发生副反应，NCO与OH的比例不会像传统2K聚氨酯那样为1:1。在2K水性聚氨酯体系中，反应需要更多的NCO。NCO/OH的比例通常控制在1.5~3.0:1，以确保所有的OH基团都发生反应。较高的NCO/OH比将提供更好的最终性能，但将减缓干燥和硬度的发展，因为未反应的多异氰酸酯将作为增塑剂在薄膜中。NCO/OH比值越高，成本也越高。因此，对于具有理想性能的双组分水性聚氨酯涂料，在大多数情况下，1.5~2.0:1是最具成本效益的NCO/OH比。

2K水性聚氨酯涂料的性能

艰难但灵活

固化的2K水性聚氨酯薄膜含有聚氨酯和尿素结构，分子间可形成氢键。在外力作用下，它会断裂并在另一个位置重新结合。这给了硬交联膜的灵活性。它还提供优良的耐磨性和耐划伤性。

防沾污性

2K水性聚氨酯地坪和墙面涂料可以抵抗常见的污渍，即使是在被不同种类的清洁产品污染了几天之后。表3为耐污测试结果。

灰尘传感器电阻

交联2K水性聚氨酯在阳光下不会软化，所以它不会像普通乳液墙漆那样吸收污垢。此外，薄膜中的亲水性基团也会增加薄膜的亲水性，这使得雨水可以均匀地冲洗掉薄膜上的污垢。因此，该系统可以获得优异的抗污垢能力(图10)。

真菌或藻类阻力

用于浴室或食品加工厂的涂料有很高的抗真菌要求。在这种情况下，可以在2K水性聚氨酯配方中使用杀菌剂和/或杀藻剂来提高性能。表4为1K乳胶漆和2K水性聚氨酯漆干膜经过2天、10天、20天水浸后的杀菌剂和杀藻剂残留量。

结果表明，2K水性聚氨酯交联膜在涂料使用寿命内能保留更多的杀真菌剂和杀藻类剂。在恶劣条件下也将有更长的使用寿命。

热轮胎阻力

对于停车场地坪涂料来说，耐热轮胎性是需要考虑的一个重要特性。热轮胎橡胶中的增塑剂会在压力下迁移到地板上，在地板上留下黑色的痕迹。为了模拟这种情况，我们放了一个4x4厘米的²轮胎在60公斤的压力下在室温下使用一天，在50℃下使用三天°C.然后我们检查了表面，看看轮胎印有多明显，以及它们是否可以通过酒精清洗轻易去除。图11为不同交联密度2K水性聚氨酯的测试结果。溶液2与B95和AS1的交联密度最高，因此具有最佳的耐热轮胎性能。酒精清洗后，所有的痕迹都可以很容易地去除。交联膜的高Tg确实有助于热轮胎的阻力。

与2K水性环氧树脂的比较

2K水性环氧涂料在地坪涂料和高性能内墙涂料中也有相当广泛的应用。在这种情况下，2K水性聚氨酯的优势是什么，因为两者都是环保的?我们的比较结果如表5所示。

由于涂料的两种组分将由操作人员在现场进行混合，因此在应用过程中可能不会完全遵循混合比例。为了模拟这一点，我们在混合过程中尝试了B部分少20%多20%的公差。结果表明，不同配比的2K水性聚氨酯的性能变化不大。由于2K水性聚氨酯的NCO与OH的比值通常为1.5，即使交联剂减少20%，OH基团的交联也不会受到太大影响。交联剂多，可与水反应，进一步提高性能。但2K水性环氧只会有环氧基团和胺反应，所以如果B部分多或少，剩下的环氧或胺会导致性能低于正确的混合比例。综上所述，2K水性聚氨酯将具有以下优点:

较好的混合比例公差;
容易混合;
更快的干燥;
更好的柔韧性和抗划伤性;
较好的耐酸性和耐候性。

功能涂料

随着2K水性聚氨酯的高性能，其他功能功能可以与系统相结合。热反射率是这些特征之一。墙体涂料中昂贵的热反射颜料可以保持建筑物内较低的温度。高性能的2K水性聚氨酯涂料能保持表面清洁，使用寿命更长，性价比更高。

电子工业要求洁净的房间有良好的控制，最小的灰尘;因此，需要导电内墙涂料。导电颜料还可以与2K水性聚氨酯涂料结合，以实现更长的导电性和使用寿命。

在同样的理念下，2K水性聚氨酯涂料还可以与抗菌剂结合，达到持久的抗菌涂料效果。

应用实例

外墙涂料

2K水性聚氨酯具有优异的耐候性和耐污垢性，是高性能外墙涂料的理想选择。一个案例是在中国重庆，那里的涂料是由亨培尔提供的。图12显示了一个同时使用2K水性聚氨酯涂料和乳胶漆的住宅建筑。经过几年的接触，可以看到明显的差异。涂了2K水性聚氨酯的区域还是很干净的，但是涂了乳胶漆的区域很黑，有污迹。

较高质地的涂料(石漆、灰泥、多色)表面粗糙，可能会容纳更多污垢。因此，2K水性聚氨酯清漆是一种很好的解决方案，可以保护这种类型的表面，并提供良好的吸尘性和耐水性。

内墙涂料

2K水性聚氨酯涂料具有优异的耐污性，是学校、儿童房、食品室等室内墙面涂料的理想选择。图13显示的是台湾一所慈善学校的内墙，涂有2K水性聚氨酯防涂鸦涂料。孩子们可以随意在墙上画画，画画后可以清理干净，以便下一轮画画。

这些高性能涂料也可用于浴室、厨房、医院、食品加工厂等，因为它们具有良好的抗真菌和抗水性能，以及可能的抗菌性能。在另一个案例研究中，一种2K水性聚氨酯涂料被应用到浴室的墙壁上。经过7年的使用，在非常潮湿的条件下没有水泡或真菌生长。

地板涂料

地坪涂料以环氧树脂为主。2K水性聚氨酯地坪涂料易磨砂、耐刮、耐候性好，可作为环氧自流平、环氧砂浆和聚氨酯自流平涂料的面漆。

自流平水泥也很受欢迎。没有保护，污渍会渗入水泥。通常使用蜡或丙烯酸乳胶漆来密封表面，但保护期相当短。基于初级分散剂的2K水性聚氨酯透明密封剂可以提供长期的表面保护，而不会使水泥颜色变暗。

运动地坪涂料要求具有高度的柔韧性、耐磨性、挠性和耐水性，并具有防滑性能。通过组合高度灵活的聚氨酯多元醇分散体，最终性能可以满足这些要求。

聚天冬氨酸及其应用

另一类符合质量、环保和成本效益要求的粘合剂是聚天冬氨酸。

的基础研究

“天冬氨酸”一词是由天冬氨酸衍生的一类粘合剂的总称(图14)。通过在马来酸二酯上加二胺制备天冬氨酸(图15)。

天冬氨酸是次生脂肪族二胺。R的不同结构通过二胺将空间位阻建立在分子中。通过对剩余R的选择可以影响天冬氨酸与多异氰酸酯的反应性，使对应用很重要的锅期和干燥时间的参数可以在较大范围内进行专门调整。这是一个明显的优势，传统多胺的使用受到其与多异氰酸酯极高的反应活性的限制。

在实践中，目前使用三种不同反应活性的产品(表6)。这些产品可以相互混合，使所需的干燥时间和锅寿命可以调整。

天冬氨酸与脂肪族多异氰酸酯反应形成所谓的多天冬氨酸(图16)。术语“聚天冬氨酸”在下面用于天冬氨酸与多异氰酸酯反应的产物。与传统聚氨酯相比，这些聚氨酯耐天气，因此主要用作面漆。只推荐具有>3功能的多异氰酸酯，因为只有它们才能产生足够的网络密度。

聚天冬氨酸涂料的主要优势是有可能显著提高应用过程的生产力，并可能非常低的VOC。与传统的面漆相比，聚天冬氨酸涂料的两个性能提高了生产效率:

1).聚天冬氨酸涂料在室温下明显更快干燥。通常的干燥时间在1.5到4小时之间。这可以更快地恢复服务。

2).聚天冬氨酸涂层可获得更高的薄膜厚度，在一次操作中可获得高达400 μ m的干膜厚度。这减少了所需的涂层层数。

这两种优点结合起来，可以显著提高生产力。

研究建筑

聚天冬氨酸可用于建筑，以实现高性能、高效率和低VOCs的地坪涂料和防水面漆。地坪涂料通常要求快速干燥(快速恢复使用)，并且不含溶剂。通过不同的聚天冬氨酸树脂的组合，可以实现无溶剂，辊适用，快速固化的地坪涂料。即使在预处理过的混凝土上滚动一层，也可以达到足够厚的层，在几个小时的应用后，可以保护地板。这是一个完美的解决方案的维修工作，包括停车场和车库。

这种脂肪族体系具有良好的耐候性，也可用于外部涂料。其中一个成功的应用是在佛罗里达州奥兰多的迪士尼世界体育场。经过多年的高客流量，涂层保持持久的光泽，易于清洁(图17)。

通过将高柔性ipdi基多异氰酸酯预聚物与传统HDI多异氰酸酯相结合，可以开发出一种耐候性强、高伸长率和高抗拉强度的防水面漆。这种涂料已成功应用于中国的高速铁路项目。