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0 前 言
近年来，随着人们环保意识的不断提高和环保法规对挥发性有机物质（VOC/TVOC）及有害空气污染物（HAPs）的限制日趋严格等因素，水性双组分聚氨酯涂料已成为溶剂型体系的一类换代产品。自20世纪90年代初，Jacobs成功开发出一种能分散于水中的多异氰酸酯固化剂，从而使双组分水性聚氨酯涂料真正开始进入实际应用和研究阶段。双组分水性聚氨酯涂料由含有异氰酸根的水性固化剂和含有羟基的水性树脂组成，产品以水为分散介质，不含有机溶剂，生产和施工时不易燃烧，不污染环境，且理化性能可与溶剂型聚氨酯涂料相媲美。所以，从长远来看，水性聚氨酯涂料逐步替代溶剂型聚氨酯涂料已经成为市场的发展趋势。其中，工业涂料是涂料水性化的重点领域之一，市场已推出多种水性工业面漆，如Jotun的Waterfine Topcoat, Valspar的AquaguardP107以及Carboline的Carbocrylic 3359等，均为水性单组分丙烯酸涂料。与水性双组分聚氨酯涂料比较，单组分涂料尽管在施工、贮存和成本等方面具有一定优势，但在涂膜耐水、耐化学品性能和耐候性等方面仍有较大差距，尚不能满足较苛刻场合的应用。因此，为了满足市场和客户不断增长的要求，开发具备更高性能的水性双组分聚氨酯涂料很有必要[1]。本试验使用自制的羟基丙烯酸乳液制得了水性双组分聚氨酯工业面漆。涂膜具有突出的耐水性、耐化学品性能和耐候性，同时具有高硬度和良好的柔韧性。
1 试验部分
1.1 原材料
使用的原材料包括羟基丙烯酸乳液（自制），固化剂WT 2102（Rhodia），各种颜填料及助剂。使用的化学介质包括5% NaOH、5% H2SO4、5% NaCl及蒸馏水4种。
1.2 涂料制备[2]
将颜填料与水及助剂砂磨至粒径小于20 μm。加入一定量的羟基丙烯酸乳液、成膜助剂等其他成分，将黏度调整至合适施工黏度。涂料配方如表1所示。
制备:500 r/min的转速下将涂料搅拌分散约30min，待分散均匀后，按比例加入固化剂和催化剂，搅拌均匀密封保存。固含量约55%，黏度约75 KU。
1.3 涂膜性能检测
控制涂料的颜基比分别为0.6、0.8、1.0和1.2，制板后于标准条件下养护7 d，分别检测涂膜的耐各种介质性能，包括5% NaOH、5% H2SO4、5% NaCl及蒸馏水。
1.4 涂料适用期考察
分别改变涂料固化所用催化剂的比例，以及涂料的固化温度，通过检测涂料的凝胶时间来考察涂料的适用期。
2 结果与讨论
2.1 颜基比对涂膜耐受性的影响(见图1)
涂膜于标准条件下养护7 d，干膜厚度约为50μm。从图1可以看出，当涂料的颜基比从0.8增大至2.0时，涂膜的耐介质性能降低。颜基比为1.2时，涂膜耐介质性能存在一个拐点。当颜基比从0.8增加到1.2时，涂膜耐5% NaOH溶液从7 d剧减为1 d。针对其他3种介质的试验，也证明了这一点。值得注意的是，当涂料的P/B为0.8时，涂膜具备较好的耐介质性能，其中耐5% NaOH为7 d，耐5% H2SO4均为14 d，耐5%NaCl大于21 d。可以看出，涂膜对去离子水的耐受与对5% NaCl有较大差距。这是由于去离子水的离子渗透压较低，周围环境中的离子进入去离子水中引起的。因此，如果涂膜需要良好的耐介质性能，则颜基比应该在0.8左右，甚至更低。因为颜基比较低的涂膜更加致密，具有更好的阻氧阻水率，从而抑制涂膜起泡。
2.2 催化剂浓度和温度对涂料适用期的影响(见图2)
双组分聚氨酯涂料的干燥固化为化学固化，反应温度和催化剂用量均能改变固化反应的动力学，从而改变涂料的固化速度，这对涂料的性能及施工均非常重要。从涂料的施工来说，双组分涂料混合后能否在一段时间内保持适合施工的黏度非常重要，该时间称为适用期或凝胶时间，一般为4～8 h。凝胶时间太短，易导致涂料来不及用完就因黏度过高而报废;凝胶时间过长，则固化比较缓慢，不易在规定时间内达到应有的硬度，影响施工进度。从图2可以看出，当不使用催化剂时，涂料的凝胶时间为24 h;当仅加入0.5%(质量分数)催化剂，凝胶时间则迅速降低为8 h;催化剂用量增加到2%(质量分数)时，凝胶时间仅略有减少，为7 h;但如果催化剂用量进一步增加到5%和10%(质量分数)，凝胶时间迅速降为3.5 h和1.5 h。由此可知催化剂质量分数在0.5%～2%，涂料具有较为充裕的使用时间。
此外，随着季节和地域的变化，施工温度也有较大改变。而温度对涂料凝胶时间的影响也很大，从图3可以看出，催化剂用量为1%(质量分数)，当温度从15 ℃增加到40 ℃，涂料的凝胶时间大为降低。15 ℃时，涂料凝胶时间为24 h;23 ℃时，涂料凝胶时间为8 h;而当温度增加到40 ℃，涂料凝胶时间缩短为3.5h。
2.3 不同成膜温度下涂膜的性能
由于地域和季节的差异，施工可能会在低温或者较高温度下进行，所以能否保证不同成膜温度下涂膜仍具有良好的性能，已经成为很多用户关心的问题，所以本试验中在3个比较有代表性的温度下进行了对比试验。将涂料制板后，分别于5 ℃、23 ℃和50 ℃下成膜，养护7 d，并按国标测量在这3个成膜温度下涂膜的各项性能。其中测量机械性能的涂膜厚度约为23μm，耐各种介质及化学品性能的涂膜厚度约为50μm，涂膜的性能见表2。
2.4 n(—NCO)/n(—OH)对涂膜性能的影响
在双组分聚氨酯工业面漆的研制中n(—NCO)/n(—OH)是一个重要的影响因素，只有选择恰当的比例，才能满足性能的要求。按照化学反应方程式，应当设定n(—NCO)/n(—OH)=1。通过试验发现，若多异氰酸酯加入太少，不足以与羟基反应，则涂膜交联度较低，涂膜封闭性能不好，抗化学品、抗水性下降，甚至涂膜发软。所以实际操作中往往要求加入过量的多异氰酸酯，多余的—NCO除了与涂料中的水电离出的少量—OH反应，同时还会吸收空气中潮气转化成脲，从而增加了涂膜的交联密度，提高抗化学品和抗水性能，但若过量的—NCO太多，涂料的施工时限较短，而且涂膜会发脆。本试验对n(—NCO)/n(—OH)分别对在0.8、1.0、1.2及1.5比例下的涂膜性能进行检测，测试结果如表3所示。
由表3可知，当n(—NCO)/n(—OH)在1.2～1.5时，涂膜具有良好的耐化学品和水的性能，而且各项机械性能俱佳。
2.5 流挂试验
在当前提倡建设节约型社会的背景下，在施工过程中的流挂不但会造成很大的浪费，而且会对涂膜的美观程度也造成很大影响，所以水性工业面漆的流挂性能日益受到许多用户和涂料研发人员的关注。本试验中，在干净光滑的玻璃板上，利用流挂试验涂膜器制膜，然后将玻璃板垂直与桌面放置，并且使涂膜上的凹槽与桌面平行，分别在不同黏度下测试其流挂膜厚，得到黏度与涂膜厚度的关系如图4所示。
由图4可看出，当涂料的黏度不小于60 KU时，涂膜厚度可以在100 μm时具有抗流挂性能。在试验中还发现，黏度每增加5 KU时，其稀释率约为3%左右。若稀释率太大，则涂料的固含量太低，涂膜的耐介质性能会下降，所以在施工加水稀释时，加水的量不宜太大。
2.6 涂膜的性能
最终通过综合检测得到涂膜的性能如表4所示。
表4 水性双组分聚氨酯工业面漆的性能
3 结 论
(1)颜基比越高，涂膜的耐介质性能越差。当颜基比≤0.8时，涂膜具备较好的耐介质性能。
(2)随催化剂用量的增加，涂料凝胶时间从24 h降为1.5 h。当催化剂用量在0.5%～2.0%(质量分数)范围内，涂料具有比较适合的适用期。而温度对凝胶时间影响也很大，施工中需要密切关注。
(3)成膜温度在23 ℃以上时，涂膜的各项性能测试均非常优异，即使在5 ℃的低温下成膜，涂膜仍具有突出的耐水性、耐化学品性能和耐候性，同时还具有高硬度和良好的柔韧性。
(4)当n(—NCO)/n(—OH)在1.2～1.5时，涂膜具有良好的耐化学品和耐水性能，而且各项机械性能俱佳。n(—NCO)/n(—OH)太低时涂膜封闭不好，耐介质性能不好;太高时，涂膜会发脆。
(5)当黏度在≥60 KU的情况下，涂膜具有很好的抗流挂性能，可以保证施工要求。
(6)通过不断地筛选对比试验，最终得到的水性双组分聚氨酯工业面漆涂膜具有突出的耐水性、耐化学品性能和耐候性，同时具有高硬度和良好的柔韧性。
