聚氨酯水分散体涂料的应用

　　1概述

　　聚氨酯水分散体(PUWD)涂料具有许多优点,突出的是下面几点:

　　聚氨酯水分散体大大减少VOC,接近环境友好型涂料,是在水中完全反应的聚合物,不存在游离异氰酸酯,减少毒性;

　　聚氨酯水分散树脂的分子结构和大小根据性能要求,可在较大范围内调节;

　　和其他乳胶涂料相比,低温成膜性好,不需要成膜助剂,也不需要增塑剂,一般不需外加乳化剂或分散剂;

　　涂膜对塑料、木材、金属、混凝土等表面的附着力好,并且抗磨性、耐冲击性好,脂肪族聚氨酯水分散体户外耐久性好,综合性能接近溶剂型聚氨酯涂料性能;

　　容易通过交联反应进行改性,以提高耐溶剂性和抗化学性,改进耐水性。也可提供高光泽涂膜,以及对颜料(包括金属颜料)的良好适应性。所含羟官能基 可以适用一些交联剂和固化剂,以进一步改进涂膜性能。和其他水分散体如丙烯酸、乙烯类、醇酸树脂等混合性好,为改进性能提供了更多的途径。由于PUWD涂料具有上述众多的突出优点,决 定了它的广泛用途(见表1)。

　　2 PUWD应用领域

　　聚氨酯水性分散体涂料由于具有低VOC和优异 性能,经济上也易为人们接受,自20世纪60年代问世 以来,性能不断地改进,获得了广泛的应用。表1给出了水分散聚氨酯涂料应用的一些领域[1]。对有关应用 领域在后面作重点分述,主要是叙述单组分(未改性) 聚氨酯水分散体的应用,也涉及到改性的单组分产品 以及双组分聚氨酯水分散体的应用。

　　2.1木器涂料

　　溶剂型聚氨酯由于其综合性能优异,国内外普遍用作中、高档木器涂装,国内聚氨酯木器漆年消耗量超过15万t。由于溶剂型聚氨酯涂料含VOC高,不符合日益严格的环保法规要求,在国外已逐步用聚氨酯水分散体涂料取代,国内也开始重视这个工作。

　　水性聚氨酯清漆用在木材上,对底材润湿是个问题。底材的润湿一方面是取决于底材对空气的表面张力;另一方面取决于清漆的表面张力。为了对底材表面润湿好,要降低清漆表面张力或和底材表面张力相匹配。聚氨酯水分散体的表面张力按类型不同是40 ~50 mN/m的范围,如果是清漆,可考虑以35~39 mN/m 值来设计配方。根据木材类型不同,其毛细孔可能较难湿润,会停留有空气,最后会影响漆膜外观。要选择合适的原料组分或助剂来改进聚氨酯水分散清漆对木材毛细孔的渗透能力。

　　如果水性聚氨酯清漆设计合理,用于木器的涂饰层比对应的溶剂型聚氨酯涂饰层的抗沾污、印污和耐磨擦性要明显优越,水性聚氨酯涂饰层更难于从木材表面砂磨掉和脱除掉。水性聚氨酯清漆比传统的硝基纤维素清漆使用期长5~8 a。试验证实,水性聚氨酯涂膜干燥时间越快,引起粒面现象越少,如果涂层施涂太 厚,大多数聚氨酯水分散体涂料在垂直面上会产生流挂。水性聚氨酯也可设计成对UV光长期稳定,使其 适合外用。根据不同需要可以设计不同的光泽,不同的粗糙面(从平光到光滑的缎面)面漆,它们不易燃,且不具异味。

　　2.2织物涂料

　　聚氨酯由于它们对各种物体附着力、低温下柔韧 性、热塑性和耐大多数溶剂等优于其他聚合物,它们用 于织物、纸张和皮革涂料可以是溶液、分散体和低溶剂 量的高固体分,但以水分散体形式使用是增加最快 的。

　　水性聚氨酯耐磨性、抗张强度和抗开裂性高于相比较的其他聚合物(如水性丙烯酸、水性乙烯类涂料), 其柔韧性和硬度可以通过改变其聚合物结构来获得,而不用外加增塑剂。水性聚氨酯暴露于光照下或长期贮存会引起脆变,当含PVC或硝基纤维素可以减少。聚氨酯水分散体和丙烯酸水分散体相比,对织物 具有更富弹性的抓牢、着色性好和低温应用性好等优 点,它们主要用在编织物的彩色印刷中,产品包括帐棚 棚顶、棚地板、百叶窗、推拉板盖、耐光雨衣、再生棉加工纤维、工业安全服、装潢物品和运输箱等的涂装。聚氨酯水分散体和织物结合,给予人们杰出的穿戴舒服和易于管理。

　　和大多数高沸点溶剂类似, N-甲基吡咯烷酮 (NMP,在101.3 kPa下,沸点204℃)[2]在涂层体系中可以帮助增塑剂和其他半挥发材料移动,有助于涂 膜流平,无NMP就可能阻止这种过程,无NMP的聚 氨酯水分散体是用作增塑的PVC的涂料和黏合剂。在汽车的皮革—织物的附件及车内装饰物上是一种主要应用,代替相应的溶剂型涂料。

　　聚氨酯水分散体涂料在织物、皮革表面代表性的性质是温柔而舒服的手感、对清洗剂稳定、附着力好、高伸长率和弹性、良好的抗磨性、高柔韧性和良好的耐油脂性。抗干洗溶剂性成为外穿戴的特殊性能,而对于鞋靴的附着力和柔韧性也是重要性质。

　　2.3皮革涂饰剂

　　皮革的涂饰是干制和鞣制的皮革的表面处理,是为了改进革面的颜色、手感和外观。溶剂型聚氨酯涂料早已用于皮革表面的涂饰,已有人评述过[2],由于VOC限制,逐步用水性聚氨酯取代。采用聚氨酯水分散体涂饰剂是对皮革表面抗沾尘,耐水与抗磨擦性的改进同时进行的。涂饰施工从底到面涂几层,以增加涂膜硬度,一般涂层包括底涂、着色层(底色涂层)和面 饰层。

　　聚氨酯水分散皮革涂饰剂是丙烯酸酯水分散体涂饰剂的换代产品,克服后者低温脆变、高温发黏的缺点,用于皮革高档产品的装饰,国内在这方面应用较为成熟[3],用量较大。仅甘肃与西北地区估计每年用量几千吨,全国用量未见统计数据。皮革的表面涂饰必须提供耐水、附着力好的底层, 为得到较好的耐水性,聚氨酯水分散体采用氮丙啶、碳化二亚胺、环氧或异氰酸酯交联剂交联改性。聚氨酯水 性分散体仍需用于“漆皮革”(用色漆作涂饰剂制成的面革)中,双组分和相对分子质量高的湿固化预聚物继续在这个工艺中使用,为提高切割开皮革的质量等级, 溶剂型聚氨酯还继续使用。

　　2.4纸张涂层

　　在食品包装工业中用的光滑铅版纸上单独使用量为8~10 g/m2,形成的涂膜具有足够的抗油脂性。涂膜是弹性的,耐磨、抗弯曲和抗折叠性好,具有高光泽的透明膜,这种涂膜耐水性很好,能耐芳族和脂族溶剂,但抗极性溶剂差。它们不仅在纸上、特制厚板纸上和纤维板上附着力很好,而且在铝箔上、聚酯、聚丙烯酸酯和PVC上附着力也很好。由于它们低温下性能 好,可能用于深冷包装上。

　　聚氨酯水分散体由于它们的高光泽、弹性和与颜料相容性好,也适用于装饰性涂料。这种装饰性涂料可用凹版印刷、凸版印刷和转印胶板印刷法印刷,包装纸 袋和纸箱外表面的涂层不仅是装饰,而且附加了强度 和提高了质量。工业用滚珠轴承也可用这些包装物,因为水性聚氨酯分散体涂膜的耐油污性好。聚偏二氯乙烯涂料的弯曲强度可以用聚氨酯水分散体来改进。用聚氨酯水性分散体作面漆的贴墙纸可以防水和耐沾污,可用水冲洗。聚氨酯水分散体也用于涂覆特殊纸张以使它们耐烃类溶剂。

　　纸纤维是用聚氨酯水分散体作胶料(涂料)以增加纸张强度和降低纸表面上油墨的“跑动”。

　　2.5印刷油墨、上光清漆

　　聚氨酯水分散体在印刷油黑工业中的应用和其他稳定市场如木器、织物、皮革、纸张、色漆和清漆等相比是较少的。但它们具有良好的柔韧性、透明度(涂层)、光泽、低的水敏感性,以及抗结块和显浮雕能力的很好平衡性,常常和丙烯酸酯乳胶或水分散的纤维素酯结合作为硝基纤维素溶液的代用品。聚氨酯水分散体配制的油墨更适合刀涂、淋涂和喷涂的涂装技术。

　　包装工业是上光清漆最大用户之一,可提供高质 量的光泽均匀的罩光漆、防底包装材料打底颜色的印染。以水分散聚氨酯聚合物为基础的上光清漆显示了优良的抗碱性和抗去污剂性,并且用于消费者使用的包装材料中。上光漆显示的光泽在85%以上,可以通 过掺混其他聚合物和组分来调节光泽(提高或降低)。

　　2.6内外墙涂料

　　在交通繁华的市区和人们活动集中的公共场所如办公建筑物内走廊、升降门和休息室;医院急救室和走廊,宾馆大厅、客房、走廊;餐厅、零售店、商业中心和治保中心,社团建筑和市政建筑、监狱和警察局,以及许 多需要涂饰高耐久的、抗磨耗和石击及沾尘性强的涂 料。用“Kevlar”(聚对苯二甲酰对苯二胺纤维,来自DuPont公司的航天时代纤维)加强的脂肪族二异氰 酸酯为基础的聚氨酯水性分散体涂料不仅可满足上述 的各种要求,而且可以提供新型的多彩装饰涂料,外观可以设计成纤维状的、金属和珍珠质的,也可简单地用单色,这些涂料是双组分体系,可用专门喷涂体系施工。双组分水分散聚氨酯涂料是外墙涂料中开发的新 品种,在国外正在推广,使用期可达12~15 a。

　　2.7公共卫生和厕所涂料

　　在温湿环境条件下的场所,微生物、细菌很快地产生、漫延,产生危险的破坏活动。食品加工工业的一些场所、家庭厨房与卫生间、公共厕所都是温湿环境,受细菌危害大。

　　在霉菌污染中有两种类型的侵袭:第一次(基本 的)侵袭和第二次侵袭。第一次侵袭是发生在油漆中, 多数油漆中的黏结剂是真菌的营养物质,真菌产生后 迅速沿受损害的涂膜扩展到整个涂膜表面;真菌通过 涂膜表面的脏物继续其破坏作用,这是真菌的第二次侵袭。

　　以聚氨酯水分散体为基础的涂料,作为黏结剂的 聚氨酯树脂有抗霉菌生长的性能,涂装聚氨酯水分散 体涂料不仅使真菌失去产生的基础,而且表面的脏物 可以用简单的冲洗法除去而不会引起原始涂膜任何褪色。聚氨酯水分散体具有抑菌、防霉和杀真菌的作用, 涂覆在内外用的钢材、塑料或水泥表面上,由于该涂料的涂膜耐水、耐去污剂和清洁剂性好,也有一定的耐溶剂性,可用去污剂和清洁剂周期性的冲洗,使涂膜具有 长效的杀菌能力。聚氨酯水分散涂料可提供优良的装饰性表面、稳定的颜色和保光性,所用涂饰(罩光)可以是光滑的或缎面的。

　　对于公共卫生和厕所涂料要求韧性好和合适的光泽;单包装的水性、低臭涂料;易于用刷子清洁和易于重罩光涂层;涂膜快干且其性能显现快。

　　2.8地板涂料和琉璃瓦、石灰石砖(瓦)封闭涂料

　　地板漆(含工业地坪漆)是建筑涂料中的一大类, 国内主要使用溶剂型环氧、聚氨酯漆或二者的结合。聚氨酯水分散体用作地板漆具有较大的市场潜力。它们既可单独也可和丙烯酸水分散体掺混使用。水性聚氨酯涂膜耐醇和耐水性特别重要,并赋予地板漆优良的抗磨耗性。和溶剂型地板漆相比较,没有溶剂蒸发,减少毒性、臭味和火灾的危险。

　　聚氨酯水分散体地板漆开始的目标不是工业地板 漆,由于它们性能优良,在食品加工和包装、药品加工和包装厂房的铺地材料中被广泛采用。在机场、商业点的铺地材料中也使用聚氨酯水分散体涂料。此外,用作公园中受压的路面的砖块、镶嵌砖瓦、天然石头和大理 石的保护。由于聚氨酯水分散体涂膜的高耐磨性而被 采用,它也用于镶木、软木地板的涂料。

　　未上釉的琉璃瓦和石灰石瓦,用聚氨酯水分散体涂料保护和涂饰,可以设计为有光和平光的,可以是透明清漆,也可以是普通色漆。一般涂覆2~4层,第1层用稀释的涂料打底,随后用未稀释的涂料涂2或3层, 根据所涂瓦(砖)的种类及其使用目的而定,琉璃瓦和石灰石瓦(砖)对涂料的吸附率是不同的,在设计涂料和涂装时要引起注意。

　　2.9耐水、耐磨性和抗冲击涂料

　　2.9.1鱼网涂料

　　鱼网是渔民捕鱼、养鱼的主要工具,常常用涂料涂覆以提高渔网的耐水性,减轻鱼网在水下拖动时的阻力和延长使用期。鱼网是用聚丙烯和/或聚酰胺线编织成的,除网目外还有绳(网纲),经使用证实,用水性聚 氨酯和丙烯酸分散体涂覆处理,不仅保护了网线而且也保护了网纲(绳),尤其对磨耗敏感的拖网。使用涂料 有双重作用,在网线和网纲绳和其他表面接触时抗磨 耗,在正常使用时防止打滑。聚氨酯水分散体提供高柔韧度、优良抗磨耗性,对编网的聚酰胺、聚丙烯和聚乙烯的线绳附着力好,并具有优良的耐水性,在水中显出符合要求的柔韧性。

　　2.9.2抗冲击涂料

　　典型的应用是高尔夫球涂料,要经受棒的冲击,还要经受球从高处着地时的撞击,不易破坏,在球和土壤经常接触中也不泛黄,又要考虑VOC限制,单、双组分聚氨酯水性分散体涂料在高尔夫球上的应用获得了成功。用量虽不大,但它是一种要求较高的专用涂料。

　　2.10柔软型涂料

　　2.10.1地毯涂料

　　地毯清漆需要更柔软的聚氨酯水性分散体,并要具有较好的抗磨耗性,目的是增加地毯色泽鲜艳度、柔和度,提高手感柔软性,漆膜抗泛黄性好。常用水性聚氨酯分散体和丙烯酸分散体并用,可以物理共混,也可化学改性。

　　2.10.2汽车内构件、设施用柔软涂料

　　汽车内设施的“硬件”如手控闸、仪表盘等用涂料需要光泽柔和,手感柔软性好;汽车内用“软件”如坐 垫、靠背、顶棚用涂料需光泽柔和、手感柔软性优良,类 似皮革手感,而且坐垫靠背用涂料需耐磨耗性好、耐沾 污,耐擦洗。溶剂型涂料不仅VOC高,而且性能也难 以全面达到。柔软性聚氨酯水分散体涂料能符合车内设施与构件的要求,在国外已通过了使用的检验标准和符合预定的VOC标准,市场占有量会较快增加,国 内尚无同类产品问世。

　　2.11黏合剂

　　聚氨酯水分散体本身是优良的黏合剂,单、双组分聚氨酯水分散体均可生产黏合剂,为避免分散体过度穿透到多孔表面中,可添加增稠剂。聚氨酯水分散体不仅可以和乙烯基与丙烯酸型聚合物混合,而且还可和萜烯酚、烃树脂混合,这些可以促进在被黏结表面上连续黏结膜的生成。

　　黏结剂,耐增塑剂、油脂性能是优良的。以聚氨酯水性分散体为基础的黏合剂在100℃下 使用性能很好,其使用范围包括层压的PVC装饰性薄 板、厨房用装修板、镀金属的薄片层压板等。

　　3结论

　　PUWD涂料低VOC量,能符合日益严格的环保法规要求,并且具有高耐磨和其他优秀性能,正逐渐取代溶剂型PU涂料,在建材、木器、皮革、织物、一般涂 料、油墨、汽车黏合剂等各方面广泛推广应用,是当前涂料中重要的发展品种。