随着全球环境的恶化和能源的匮乏,节能环保已成为世界各国的共识。近年来我国政府不断加强环境保护力度,各级政府和行业协会都出台了一系列与环境保护相关的法律法规及标准。从涂料生产和涂装企业层面,企业也不断意识到传统的溶剂型涂料对生态环境、企业员工以及最终消费者存在较大的危害。因此结合政策环境、转型压力以及市场需求,涂料行业环保化是必然的趋势。
目前在我国大型交通工具(如火车、地铁、公交车、大客车、厢式货车等)和工程机械(如农用机械、建筑机械、装载机械等)的涂装方面,仍然是以传统的溶剂型双组分聚氨酯涂料为主;而且由于体积、材质的原因,目前主体结构件部分主要采用人工手动喷涂,以80 ℃以下的低温烘烤方式或常温自干方式进行干燥。以常见的12 m长的大客车和常见的5 m长的乘用车为例[1],首先,大客车喷涂面积在80 m2左右,而乘用车的喷涂面积在22 m2左右,大客车的喷涂面积是乘用车的3.6倍;其次,大客车是人工手动喷涂,而乘用车是机械手流水线自动涂装,人工手动喷涂导致涂料利用率低,VOC排放量大;同时,大客车涂装的干燥方式是80 ℃以下的低温烘烤方式或常温自干方式,而乘用车是140 ℃以上高温烘烤,大客车涂装的干燥方式极易造成VOC长时间、持续地排放;由此可见溶剂型大型交通工具涂料和工程机械涂料在涂装时更容易造成VOC的排放。在巨大的环保和产业升级的压力下,大型交通工具和工程机械涂料企业迫切地需要进行环保化升级。而水性双组分聚氨酯涂料以水为分散介质,最大限度地减少了VOC的排放,同时保持了溶剂型双组分聚氨酯涂料优秀的施工工艺、装饰外观、物理力学性能和耐化学品性能,成为当前涂料研究的热点和发展方向。本文分别介绍了用于大型交通工具涂料和工程机械涂料的水性双组分聚氨酯技术,以及水性双组分聚氨酯涂料在大型交通工具和工程机械领域的应用现状、存在的问题以及解决方案和未来发展思路。
1 用于大型交通工具涂料和工程机械涂料的水性双组分聚氨酯技术
水性双组分聚氨酯涂料作为代替溶剂型双组分聚氨酯涂料的环保型产品,其最大的特点就是使用亲水化处理的含羟基多元醇树脂和水可分散多异氰酸酯固化剂配制双组分聚氨酯涂料,从而实现用水代替有机溶剂作为整个体系的稀释剂,在保证良好外观、优异性能的前提下,大幅度降低了VOC的排放。而大型交通工具和工程机械对外观、性能、耐候性都有较高的要求。所以目前水性双组分聚氨酯涂料配方设计主要基于水性羟基丙烯酸多元醇树脂和水可分散聚异氰酸酯固化剂。
1.1 水性羟基丙烯酸多元醇树脂
水性双组分聚氨酯涂料的涂膜性能主要由含羟基多元醇树脂决定,所以含羟基多元醇树脂必须具有良好的水分散性能,能在很低的剪切力下均匀地分散在水中,形成稳定的分散体,分散体粒径应足够小,从而得到优异的涂膜性能[2]。
由于制备方法不同,水性羟基丙烯酸多元醇体系可分为乳液型羟基丙烯酸多元醇树脂和分散体型羟基丙烯酸多元醇树脂。
1.1.1 乳液型羟基丙烯酸多元醇树脂
乳液型羟基丙烯酸多元醇树脂也叫一级分散体,是使用含羟基的丙烯酸酯单体与其他单体(如苯乙烯、丙烯酸酯等)通过乳液聚合或悬浮聚合的方式制备的。其主要优点为:(1)聚合物平均相对分子质量较大,玻璃化温度(Tg)高,干燥速度快;(2)由于乳液型丙烯酸多元醇的羟基当量大,配制双组分涂料所需的多异氰酸酯用量小,成本低。缺点是:(1)乳液型丙烯酸多元醇对多异氰酸酯固化剂的分散性能差,导致涂膜外观差,光泽低;(2)乳液型丙烯酸多元醇在制备时必须使用乳化剂,而乳化剂残留会导致涂膜耐水性下降。
为了提升乳液型羟基丙烯酸多元醇树脂的耐水性,Huybrechts等[3]使用催化链转移聚合技术(CCTP)先制备含双键的大分子单体作为乳液聚合的乳化剂,通过乳液聚合得到相对分子质量小、羟基分布均匀的聚合物乳液,配制的涂膜具有快干、耐水性好、与多异氰酸酯组分相容性好的特点。
李忠军等[4]采用种子乳液聚合工艺,可聚合型乳化剂能参与聚合反应,链接到聚合物链段上,在成膜过程中不会迁移和挥发,制备的羟基丙烯酸多元醇乳液稳定性好,由此配制的水性双组分聚氨酯涂料具有很好的耐热性和耐溶剂性。
1.1.2 分散体型羟基丙烯酸多元醇树脂
分散体型羟基丙烯酸多元醇树脂也叫二级分散体,是使用含羟基的丙烯酸酯单体与其他类型的丙烯酸酯单体首先在有机溶剂(通常为水溶性溶剂或易挥发性溶剂)中通过自由基聚合,再用有机胺中和,然后将树脂分散在水中,制备过程中可脱除部分或全部溶剂,以降低树脂中的有机溶剂含量。其主要优点为:(1)聚合物的相对分子质量及其分布易于控制,平均相对分子质量小,粒径小,对固化剂分散性好,涂膜外观好,光泽高,物理性能、耐化学品性能和耐候性能好;(2)分散体型羟基丙烯酸多元醇在在制备时,不需加入乳化剂,所以其耐水性优于乳液型羟基丙烯酸多元醇。缺点是:(1)聚合物在水中的分散过程往往发生相转移,体系黏度会急剧增大,形成高黏度低固含量的分散体,不利于双组分体系的物理成膜;(2)聚合物平均相对分子质量较小,玻璃化温度较低,涂膜物理干燥时间比乳液型羟基丙烯酸多元醇要长,涂膜早期硬度低。
为了改善双组分体系的物理成膜性能,Ley 等[5]优化了水性聚丙烯酸酯分散体的组成,研究发现增加长链的含羟基丙烯酸单体和苯乙烯单体可以改善涂料综合性能。
1.2 水可分散多异氰酸酯固化剂
目前应用于水性双组分聚氨酯涂料体系的水可分散多异氰酸酯固化剂有2种:亲水基团改性的自乳化多异氰酸酯和疏水性低黏度多异氰酸酯。
1.2.1 亲水基团改性的自乳化多异氰酸酯
多异氰酸酯是疏水性物质,难于通过低剪切力均匀分散到水中。使用外乳化剂制得的亲水性多异氰酸酯固化剂弊病很多,难以满足大型交通工具和工程机械对高外观、高性能、高耐候性的要求。而使用亲水性化合物和多异氰酸酯反应,制得能在水中自乳化的多异氰酸酯,被证明是目前最重要的亲水改性方式。Jacobs等[6]通过向疏水性多异氰酸酯分子链引入亲水基团,使其全部或部分分子带有亲水基团,亲水基团的疏水链段嵌入多异氰酸酯,亲水链段朝向水相,亲水链段之间相互排斥形成微小的多异氰酸酯液滴,多异氰酸酯液滴就能稳定地分散在水中。
根据引入亲水基团种类不同,对多异氰酸酯进行亲水改性的方法有2种:(1)使用亲水的聚醚多元醇的烷基醚进行非离子亲水改性;(2)在多异氰酸酯分子中引入阴离子基团进行离子改性。
使用亲水的聚醚多元醇的烷基醚进行非离子亲水改性主要是通过向多异氰酸酯结构中引入亲水的非离子基团获得亲水性。常规的脂肪族多异氰酸酯(如HDI或IPDI三聚体)与聚醚醇反应,生成含有聚醚氨基甲酸酯型非离子亲水多异氰酸酯见式(1)。例如科思创公司[7]第1代水性多异氰酸酯产品Bayhydur 3100,它采用聚醚氨酯改性,亲水性优异,手动搅拌即能得到很好乳化效果,能均匀、稳定地分散在水中。但这种改性方式常常会造成多异氰酸酯平均官能团较低,导致涂膜的交联密度较低,使其耐水性和耐化学品性能较差。
为了提高多异氰酸酯平均官能团,科思创公司[8] 改进了交联方法,让每个亲水聚醚醇与2个多异氰酸酯分子反应,生成含有聚醚脲基甲酸酯型非离子亲水多异氰酸酯,见式(2)。例如科思创公司第2代水性多异氰酸酯产品Bayhydur 304,在保证优异的水分散性的同时,提升了多异氰酸酯平均官能团,制得的涂膜的交联密度高,具有较好的耐水性和耐化学品性能。
尽管聚醚改性的水性多异氰酸酯产品已被广泛地运用于大型交通工具涂料和工程机械涂料领域,并得到了市场的认可。然而这类水性多异氰酸酯产品中含有较高的聚醚成分,涂膜干燥时间较长,涂膜具有一定的亲水性,耐水性能较差。
为了进一步提升水性多异氰酸酯产品性能,可使用同时含有羟基和阴离子基团的化合物与多异氰酸酯反应,然后用碱中和成盐,制得水分散型的多异氰酸酯。常用的含阴离子基团的化合物有羧酸盐和磺酸盐等。磺酸盐型离子亲水改性多异氰酸酯见式(3),例如科思创公司[7]第3代水性多异氰酸酯产品 Bayhydur XP 2655。磺酸盐型离子亲水改性多异氰酸酯不仅具有很好的贮存稳定性,优异的水分散性,同时与聚醚改性的水性多异氰酸酯产品相比,磺酸盐型离子亲水改性多异氰酸酯配制的水性双组分聚氨酯涂料具有更高的硬度,更快的干燥速度,优异的耐水性、耐化学品性和耐候性,性能与溶剂型双组分聚氨酯涂料相当。
1.2.2 疏水性低黏度多异氰酸酯
1.3 水性双组分聚氨酯涂料成膜机理
水性双组分聚氨酯涂料在喷涂施工前,将含水性羟基多元醇树脂的涂料和水可分散多异氰酸酯固化剂混合均匀,加入去离子水调节到便于施工的黏度后,通过喷枪均匀喷涂在大型交通工具或工程机械的基材表面。此时体系中的连续相是水,不连续相有多元醇粒子、多异氰酸酯液滴及少量被多元醇乳化的多异氰酸酯液滴。涂膜成膜的早期主要以物理成膜为主,化学反应为辅。主要表现为水分和助溶剂的挥发,各种粒子之间的距离逐步减小,形成高浓度的堆积结构,剩余的水就留在各种分散相的空隙处,此时可称为“水包油”的状态;随着水、助溶剂等挥发性物质进一步挥发,各种分散的粒子在毛细管力的作用下,克服相互之间的阻力,形成更加紧密的六边形结构,同时发生相转变,即由“水包油”状态向“油包水”状态转变,此时主要以化学反应成膜为主,主反应为多异氰酸酯和多元醇反应生成氨基甲酸酯,主要的副反应有多异氰酸酯与水反应生成脲并放出二氧化碳,多异氰酸酯与胺基反应生成脲,多异氰酸酯与羧基加成聚合反应[9]。
其中多异氰酸酯与胺基或羧基的副反应在用于大型交通工具和工程机械领域的水性双组分聚氨酯涂料体系中发生的概率较低,而多异氰酸酯与水的反应是最主要的副反应,反应中生成二氧化碳,如果大量二氧化碳在涂膜成膜的过程中停留在涂膜内部或表面,极易形成针孔或气泡,影响涂膜的最终性能和外观。
2 水性双组分聚氨酯涂料在大型交通工具和工程机械领域应用现状
通过长期的努力探索与实践,水性双组分聚氨酯涂料在我国的大型交通工具和工程机械领域的应用取得了丰硕的成果,得到了市场广泛的认可。
2007年,在科技开发项目“100%低地板轻轨车”上首次采用水性双组分环氧底漆、水性双组分聚氨酯中涂漆和水性双组分聚氨酯面漆配套体系进行整车涂装,达到了预期效果。这是在我国的轨道客车上采用水性双组分聚氨酯涂料进行整车涂装作业的第一个成功案例[10]。
2009年,中车青岛四方机车车辆股份有限公司与新加坡地铁有限公司签订了新加坡151A地铁项目,成为国内首例采用水性涂料批量生产的轨道列车项目,自2011年5月至2012年陆续投入服务,车辆运营至今状况良好。2013年、2015年先后签订了新加坡151A地铁增购项目、青岛地铁3号线项目、郑州地铁1号线增购项目以及后续的新加坡151B项目、新加坡T251B项目,车体均采用水性双组分聚氨酯涂料涂装。目前除郑州地铁1号线增购项目在产,其他项目均已交付载客运营,效果良好[11]。
表1 长期的跟踪测试结果Tab.1 Long-term and comprehensive test results |
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2008年,华豹涂料公司的水性涂料首先在中车太原机车车辆公司、齐齐哈尔交通装备有限公司、眉山车辆公司、西安车辆公司及晋西工业集团C80、GN70、铝合金罐车等车辆上试验成功。2014年,华豹环保水性工业漆成功获得国家发明专利并通过中国铁路总公司CRCC认证。2017年,华豹涂料公司采用水性双组分聚氨酯涂料技术开发的“铁路出口货车车辆用水溶性漆”取得国家发明专利。截至2015年,华豹涂料公司的使用水性双组分聚氨酯涂料涂装了3 000节货运火车,出口13个国家[13]。
2008年,北京钰林化工有限公司开始立项研制水性双组分聚氨酯大客车涂料。2010年生产出全套水性双组分聚氨酯涂料,并通过北京福田汽车有限公司、八方达客运公司、北京公交集团及其保修厂的测试认证,实现批量涂装[14]。
2010年,比亚迪汽车工业有限公司联合比亚迪汽车工程研究院、杜邦(现更名为艾仕得)、PPG、阿克苏等,以及涂装设备公司一起对水性漆的性能、工艺、施工条件等进行了大量的实验、试线,2012 年底开始水性漆的批量应用[15]。
2016年,三一重工一条结构件生产线完成水性涂装配套设施的改造,投产后该产线结构件底漆面漆涂装将全部使用水性涂料[16]。
从众多案例可以清楚地看出,水性双组分聚氨酯涂料在大型交通工具领域应用广泛,成果显著;但在工程机械领域发展较为缓慢,主要原因是厂家如果进行水性化改造,将会面临很大的资金压力,同时高固含涂料或粉末涂料涂装也可以满足部分环保的要求,所以目前水性双组分聚氨酯涂料的用量在工程机械领域占比还很小[16]。如果未来能够使水性双组分聚氨酯涂料满足现有溶剂型涂料涂装工艺和外观的要求,相信其在工程机械领域应用比例将会大幅提高。
3 水性双组分聚氨酯涂料在应用中存在的问题以及解决方案
水性双组分聚氨酯涂料与溶剂型双组分聚氨酯涂料最大的差异就是使用水作为涂料体系的主要载体。与传统溶剂型涂料使用的有机溶剂相比,水具有表面张力大、蒸发潜热大,热容值高、极性强等特点,所以水性双组分聚氨酯涂料应用难度要高于溶剂型双组分聚氨酯涂料,由此所导致的涂料弊病需要用特殊的方法和产品加以解决。
3.1 水性双组分聚氨酯涂料的外观弊病以及解决方案
目前水性双组分聚氨酯涂料最大的外观弊病就是涂膜表面的针孔和气泡。根据产生的原因不同,分为固化剂与水反应生成二氧化碳导致的化学气泡,以及由于搅拌和喷涂导致的物理气泡。
3.1.1 化学气泡产生的原因和解决方案
传统溶剂型双组分聚氨酯涂料中50%的溶剂会在喷涂雾化的过程中被挥发掉,而水性双组分聚氨酯涂料仅为25% [15],所以喷涂好的水性双组分聚氨酯涂料湿涂膜中含有大量的水。在涂膜化学交联成膜的过程中,除了多异氰酸酯和多元醇的主反应之外,多异氰酸酯不可避免地会和水发生副反应,生成二氧化碳。如果配方设计合理,涂膜厚度和干燥条件合适,产生的少量二氧化碳能上升到涂膜表面破裂和流平,不影响涂膜的外观和性能。在实际涂装工艺中,一般会采用强制干燥(如60~80 ℃),由于温度高,多异氰酸酯与水的反应会大大加快,产生大量二氧化碳;另一方面高温低湿的环境会使涂膜表面干燥太快,大量二氧化碳将会停留在膜内部或在表面,形成大量针孔或气泡,直接影响涂膜的最终性能和外观[9]。目前主要有2种解决方案:(1)通过延长湿膜的闪干时间或进行低温预烘烤[1],便于水分在涂膜固化前尽可能地挥发,但无论延长湿膜的闪干时间或是进行低温预烘烤都会影响生产节拍或者需要对原有流水线进行大规模地改造,在现实生产中实现难度高;(2)通过使用疏水性低黏度多异氰酸酯固化剂,疏水性低黏度多异氰酸酯在低温或常温的条件下与水反应很慢,所以在烘烤前期,涂膜水含量较多的时期能大幅度降低多异氰酸酯与水发生副反应的概率;但疏水性低黏度多异氰酸酯使用时需要通过高剪切力(如高速搅拌或分散设备),才能均匀分散在水中,在实际施工的条件下很难保证分散均匀,极易造成涂膜失光,性能下降。目前行业中大多采用亲水改性的自乳化多异氰酸酯与疏水性低黏度多异氰酸酯按一定的比例配合使用,通过大量的实践案例已被证实是一种有效的解决方案。
3.1.2 物理气泡产生的原因和解决方案
由于水的表面张力大,难于润湿基材和颜料,喷涂成膜后极易导致缩孔、橘皮、缩边等弊病,所以配方中会加入了大量的亲水的表面活性剂,如润湿剂、分散剂、流平剂等。而涂料在搅拌和喷涂的过程中会产生大量的气泡,亲水的表面活性剂会将气泡稳定在涂料体系里。大量非反应型气泡停留在膜内部或在表面也会形成大量针孔或气泡,直接影响涂膜的最终性能和外观。目前主要通过加入一定量的消泡剂来解决,消泡剂成分与涂料体系的不相容性实现消泡,但如果消泡剂成分不相容性太强或者加入量太大,会引起涂膜表面缩孔、橘皮等弊病,从而导致需要引入更多的表面活性剂来改善外观,造成配方设计的死循环。所以要根据每个具体的配方进行助剂优化,在满足涂膜外观要求的前提下,尽可能少地引入亲水的表面活性剂,寻求各种外观性能的平衡。
3.2 水性双组分聚氨酯涂料的早期耐水性问题和解决方案
由于大型交通工具和工程机械体积、材质等原因,其原厂漆和修补漆不适合高温烘烤,只能用80 ℃以下的低温烘烤方式或常温自干方式进行干燥,涂层干燥速度和化学交联速度相对较慢。特别是在进行局部修补时,受施工条件所限或工期紧张等原因,涂膜常常在未完全实干的情况下被迫移出车间,一旦遇到雨水,涂膜会变色、起泡,甚至出现漆面破裂。此现象在常温自干体系中表现的尤其明显。针对早期耐水性问题,目前主要通过如下几个方面加以解决。
3.2.1 水性多元醇树脂的选择
解决早期耐水性问题,水性多元醇树脂的选择非常关键。水性聚酯多元醇分散体中的酯键之间的相互作用力小,内聚能也相对较小,酯基易与水分子结合,发生水解,从而导致聚合链断裂而影响涂膜的耐水性,所以水性双组分聚氨酯涂料一般选用水性丙烯酸多元醇分散体作为主体树脂。主要通过两个指标进行筛选。第一是物理快干型,选择相对分子质量大的树脂,Tg高的树脂,以乳液型羟基丙烯酸多元醇树脂(一级分散体)为主;第二是化学反应速度快的树脂,高交联密度的树脂,以分散体型羟基丙烯酸多元醇树脂(二级分散体)为主。在实际应用中,将乳液型羟基丙烯酸多元醇树脂和分散体型羟基丙烯酸多元醇树脂按一定比例组合使用,早期耐水效果最佳。
3.2.2 亲水基团改性的自乳化多异氰酸酯的选择
多异氰酸酯通过亲水基团改性后能稳定地分散在水性涂料体系中,但无论通过非离子型亲水改性还是离子型亲水改性,涂膜中都会残留部分亲水基团,降低了涂膜的耐水性。所以选择合适的亲水多异氰酸酯是非常重要的。
从改性的方式上看,使用亲水的聚醚多元醇的烷基醚进行非离子亲水改性的多异氰酸酯存在大量的醚键,耐水性能普遍比阴离子(如羧酸盐或磺酸盐)改性的多异氰酸酯差。
从多异氰酸酯类型上看,六亚甲基二异氰酸酯(HDI)和异佛尔酮二异氰酸酯(IPDI)都是大型交通工具涂料和工程机械涂料领域常用的固化剂,其中IPDI的Tg 比HDI高,能提升涂膜的干燥速度,但IPDI化学交联反应速度比HDI慢,在涂膜早期耐水性能上没有优势。
3.2.3 —NCO/—OH物质的量比的选择
在水性双组分聚氨酯涂料中,水是主要的稀释剂。成膜过程中,多异氰酸酯与水的副反应是不可避免的,因此在配方设计时,—NCO/—OH物质的量比通常大于1。通过大量实验证实水性双组分聚氨酯涂料早期耐水性与—NCO/—OH物质的量比关系密切。随着—NCO/—OH物质的量比的增长,涂膜早期耐水性大多呈现出先升后降的特点。这是因为在多异氰酸酯与多元醇树脂反应的同时,多异氰酸酯与水的副反应生成了不稳定的氨基甲酸酯,并迅速分解成胺,释放出二氧化碳气体。生成的—NH2与多异氰酸酯的—NCO反应生成脲,进一步增强了涂膜的交联密度。但多异氰酸酯与水的反应速度远远小于多异氰酸酯与多元醇的反应速度,而且多异氰酸酯的Tg一般在-30 ℃左右,所以当涂料体系中的多异氰酸酯超过一定数量时,未反应的固化剂起到了类似于增塑剂的作用,造成涂膜干燥速度和化学交联速度同时变慢,最终导致涂膜早期耐水性出现了明显下降趋势,而整个实验过程中,早期耐水性能最优点对应的—NCO/—OH物质的量比即为水性双组分聚氨酯涂料配方的最佳选择。
3.2.4 助溶剂的选择
助溶剂作为水性涂料的辅助溶剂,通常添加量不多,但在水性配方中起着非常重要的作用。例如可帮助Tg较高的树脂成膜,改善涂膜外观,稀释黏度高的水性固化剂等。在早期耐水性方面,疏水型助溶剂比亲水型助溶剂表现更好。这是因为亲水型助溶剂易吸水,并且水性涂料的助溶剂一般以沸点较高的溶剂为主,减缓了涂膜的干燥速度,即使涂膜实干后也会有一定的溶剂残留,难以从涂膜表面挥发出来。由此可见,无论从早期耐水性还是长期耐水性考虑,亲水型助溶剂都存在负面的影响。
3.2.5 助剂的选择
在水性双组分聚氨酯涂料配方中含有大量的亲水的表面活性剂,如润湿剂、分散剂、流平剂等。为了提高助剂的亲水性,通常会对助剂成分进行亲水化改性,而这些亲水物质如聚醚、乳化剂等会残留在涂膜内,影响涂膜早期耐水性和长期耐水性。所以在满足涂膜外观要求的前提下,尽可能少地引入亲水的助剂。
3.3 水性双组分聚氨酯涂料的适用期问题以及解决方案
在水性双组分聚氨酯涂料体系里,不能只通过体系黏度的变化来判断体系的适用期。这是因为在水性双组分聚氨酯涂料体系的成膜初期,水是连续相,多异氰酸酯粒子和水性多元醇粒子是不连续相,多异氰酸酯粒子和水性多元醇粒子均匀地分散在水性体系中;随着水分和助溶剂的挥发,多异氰酸酯粒子和水性多元醇粒子之间的距离逐步减小,多异氰酸酯粒子逐渐进入水性多元醇分散体中,形成新的复合分散体,而多异氰酸酯粒子和水性多元醇粒子的主反应就发生在这个新的复合分散体中;造成新的复合分散体中的物质的相对分子质量急剧增长,新的复合分散体中的体系黏度迅速增大,但新的复合分散体中的体系黏度并不是整个水性双组分聚氨酯涂料体系黏度,所以在多异氰酸酯粒子和水性多元醇粒子主反应发生的大部分时间里,水性双组分聚氨酯涂料体系黏度并不会有明显地变化。所以通过测量水性双组分聚氨酯涂料体系黏度的变化来判断体系的适用期是不全面的。
当水性双组分聚氨酯涂料混合均匀后,涂料体系中的多异氰酸酯会与多元醇发生主反应,与水、胺基、羧基发生主要的副反应,而主反应在涂膜干燥成膜的过程中发生的概率是决定涂膜最终性能的关键因素。所以判断水性双组分聚氨酯涂料适用期的目的是确保在一定的时间内,将涂料以易于施工的黏度均匀地喷涂在基材上形成连续均匀的湿膜,在干燥成膜的过程中尽可能多地进行多异氰酸酯粒子和水性多元醇粒子的主反应,最终形成致密的具有交联网状结构的涂膜。
目前水性双组分聚氨酯涂料适用期主要可通过测试不同时间段的涂膜性能数据来进行判断。宏观方面,可以使用专业的检测仪器测试不同时间段的涂膜光泽、雾影数据进行判断,如果光泽、雾影任何一个数据低于测试标准即为适用期到了;微观方面,可以对不同时间段的涂膜进行AFM显微结构观察,如果涂膜从平整的表面变成起伏不平的形态即为适用期到了;还可通过测试异氰酸根浓度的变化来判断适用期,吴丙照等[17]通过实验发现异氰酸根浓度下降到70%时,水性双组分聚氨酯涂料就会达到适用期的极限。
4 水性双组分聚氨酯涂料最新的发展方向
4.1 纳米杂化技术
4.2 树脂超支化技术
4.3 树脂杂化技术
5 结 语
水性双组分聚氨酯涂料兼具环保和高性能的特点,作为最重要的环保型涂料,近10年来,无论是原材料的更新和配方的设计,还是涂料的生产和施工的工艺都取得了巨大的进步,在我国大型交通工具和工程机械领域的应用取得的丰硕的成果,得到了市场的广泛认可,成为环保涂装的发展趋势。但是,由于水性涂料配方设计复杂,水性涂装施工难度大,水性市场规模尚未成熟,政策法规还不够完善,行业标准尚待规范等客观原因,决定了水性双组分聚氨酯涂料还有很长的路要走,需要涂料上下游企业以及政府和社会的共同努力,克服困难,携手前行。让我们一起为推动我国涂料产业的升级发展,为还子孙后代一个美丽的蓝天作出贡献。