工业用聚氨酯面漆施工性能调整研究

0 引言
近10年来，我国处在高速发展的时期，特别近几年世界出现金融危机，我国投入4万亿用于拉动内需，各种建设都处于快速发展阶段，涂料市场在不断增大，具有良好装饰性的聚氨酯涂料的使用范围也不断扩大。聚氨酯涂料的光泽高、丰满度好，是一种装饰性非常优异且耐候性优良的涂料，已广泛应用到工业装饰的各个领域。但聚氨酯涂料对施工要求比较高，在施工过程中比较容易出现的问题是起泡和流挂。聚氨酯涂料的反应机理主要是异氰酸根和羟基反应，容易受到水分的影响，在高温高湿条件下容易起暗泡[1]。近年来由于人工成本在不断增加，生产厂家为了降低成本、加快生产节奏而提高烘烤温度和一次成膜厚度，这增加了面漆起暗泡的风险。另外为了提高面漆流平性，配方中不可避免加入一些强溶剂和流平剂，这样大大增加了流挂的风险。本文通过对聚氨酯涂料配方进行调整以改进施工性能的试验研究，制得了具有优异施工性能的新型聚氨酯涂料。在方便施工的前提下满足了工业用漆对装饰的需要。

1 实验部分
1.1 主要原料
羟基丙烯酸树脂：工业级，纽佩斯树脂有限公司；钛白粉：四川龙蟒有限公司；流平剂、分散剂、消泡剂：德国毕克公司；聚酰胺蜡：台湾德谦公司；膨润土：Garamite公司；混合溶剂：自制；固化剂：拜尔公司。
1.2 涂料的配比及制备
按配方量称取羟基丙烯酸树脂、助剂、混合溶剂和膨润土，分散均匀，加入钛白粉，高速分散15 min，然后用砂磨机研磨到细度为15 μm，调整黏度65~75 KU(斯托默黏度计)，过滤出料。所制得的涂料组分与固化剂组分按5∶1的比例(质量比)配制成聚氨酯面漆。
1.3 实验仪器
砂磨机、高速分散机：江阴市精达化工设备有限公司；电子天平：成都普瑞逊电子有限公司；烘箱：吴江创新烘箱制造有限公司；空气辅助无气喷涂：青岛英捷特净化设备有限公司；湿度测试仪：天津市凯隆达仪表有限公司；光泽仪：德国BYK 公司；10 倍放大镜：上海长方光学仪器有限公司；破坏性漆膜测试仪：德国ERICHSEN 公司；40 cm×50 cm×0.3 cm 钢板：自制。
1.4 施工性能测试
1.4.1 样板制作方法
冷轧钢板的表面处理按GB/T 9271—1988进行，喷涂黏度调整为25 s(岩田杯)，采用空气辅助无气喷枪喷涂，喷涂一遍，喷好后常温流平8 min，然后放在35 ℃、95%相对湿度环境中自干或用125 ℃烘烤15 min。
1.4.2 测试过程
干燥后用破坏性测厚仪测漆膜厚度，用放大镜评测漆膜表观和割破的漆膜，观察是否有暗泡。用光泽度测试仪测试漆膜光泽。

2 结果与讨论
2.1 流平剂对施工性能的影响
聚氨酯在施工过程中容易产生以下几个问题：
(1) 贝纳德漩涡流问题(如图1)：主要原因是涂料和空气间存在较小或中等的张力差，主要的解决途径是适当降低涂料的表面张力，以减少这种张力差。

(2) 缩孔问题(如图2)：主要原因是涂料表面和空气之间存在巨大的表面张力差，可通过大幅降低涂料表面张力来解决(低于漆雾或污染物的表面张力)。

(3) 表面润湿问题(如图3)：主要原因是液体的表面张力高于底材的表面张力，可通过减少涂料和底材之间的张力差来解决。

可以看出，出现以上问题的主要原因是张力问题，技术上解决这类问题的最直接方法是添加流平剂，目前市场上有很多公司提供这类助剂，如EFKA、AFCONA、BYK、德谦等，本试验选用BYK的助剂，为了平衡长短波对橘皮的影响，选用丙烯酸流平剂和有机硅流平剂搭配使用，即使BYK-358和BYK-306搭配使用。搭配比例及测试结果如表1所示。

注：整个配方的混合溶剂总相对挥发速率为0.68%。
经观察，在喷涂之初，漆膜都非常平整，此后没有加流平剂的或流平剂没有搭配使用的配方逐渐产生橘皮，这是因为最后到达湿漆表面的气雾，从喷嘴到表面的行程较长，所以溶剂挥发掉更多，即有较高的树脂浓度，其表面张力比湿膜高，所以较低表面张力的湿膜中的漆就向这些最后来到的漆雾颗粒边流动，以尽量降低总的表面自由能，这种由表面张力差驱动的流动，最终形成橘皮[2]。流平剂能降低表面张力，消除表面张力差，从而降低橘皮。BYK-306是有机硅流平剂，能较有效地降低体系的表张力，解决表面润湿问题，减少缩孔的产生[3]。但BYK-306和体系中的树脂相容性比较差，容易浮到漆膜表面并封闭漆膜表面，使漆膜内的溶剂难以挥发，造成漆膜暗泡。因此在满足润湿表面和消除缩孔的前提下尽量少用BYK-306，如采用0.4%(质量分数，下同)BYK-358和0.1%BYK-306，能很好兼顾流平和起泡的平衡。
2.2 溶剂挥发速度对暗泡或爆孔的影响
涂料施工现场的条件各种各样，如在北方的湿度比较低，而南方的夏天温度可达30~40 ℃，相对湿度有时也到95%以上；有些厂家没有烘烤，而有些厂家为了进度，会把烘烤温度提到120 ℃左右；有些是在室内喷涂，但有些却在室外喷涂。不同条件对漆膜起泡的影响不一样，在高温高湿环境或用高温烘烤条件下最容易造成漆膜起泡或爆孔。
漆膜起泡的原因主要有3 类：(1) 漆膜中的气泡排不出来；(2) 体系中带进水分；(3)烘烤条件下溶剂释放不出来[2]。漆膜中的气泡可以通过选择消泡剂来消除，体系中的水分可以通过质控严格控制原材料质量，本文不再阐述，本试验主要通过调整溶剂，以消除在烘烤过程中溶剂汽化带来的暗泡。试验结果如表2 所示。

从表2 可知，溶剂挥发的快慢对40 ℃、95%相对湿度下的临界起泡膜厚影响不大，但对高温烘烤下的临界起泡膜厚影响比较大，随着溶剂的挥发速率降低，高温烘烤下的临界起泡膜厚增加。
烘烤起泡的主要原因是漆膜表面溶剂挥发较为快速，使表面黏度比富有溶剂的底层高。进入烘道后底层溶剂逸出所形成的气泡不能快速地穿过高黏度的表层。当温度达到100 ℃以上时，气泡膨胀，如突破表面后不能流平，就形成爆孔，不能突破表面则留下暗泡。如降低溶剂的相对挥发速率，则能降低表面溶剂的挥发速度，使表面和底层的黏度差减少，漆膜固化时间更长，有利于漆膜底层的溶剂释放，从而增加起泡临界膜厚。
2.3 触变剂筛选对流挂的影响
由于工件的不规整性、预涂及喷涂时的叠枪，现场难免造成局部喷涂膜厚过厚，特别是现在为了降低涂料消耗量和提高生产效率，把空气喷涂改为无气喷涂，更加大了局部膜厚偏高的现象，这对涂料抗流挂性能提出了更高的要求。为了满足漆膜厚度的要求，研究将漆膜一次性喷涂抗流挂膜厚提高到90 μm以上，防流挂助剂采用聚酰胺蜡、膨润土和防流挂增效添加剂搭配使用，搭配比例及测试结果如表3所示。

为了提高体系的抗流挂性能，本试验采用了Garamite 公司的季胺盐改性有机膨润土，其结构如图4所示。

与普通膨润土的最大不同是其粒子形态不一样，一般膨润土的粒子形态是片状结构，而Garamite公司的膨润土是棒状和片状的一个混合体，见图5。

与普通膨润土相比，其优点是：分散容易，增黏效果比较少，促变性比较强，缺点是对光泽和流平影响比较大。聚酰胺蜡由植物油脂肪酸和氨基化合物反应制得，其触变机理在溶剂中溶胀后能形成精细分散而均匀的三维网状结构[4]，见图6。

图6 聚酰胺蜡三维网状结构
聚酰胺蜡的优点是对漆膜的流平性和光泽影响很小(在一定的加量范围内几乎没有影响)，但防流挂效果不如Garamite公司的有机膨润土。防流挂增效添加剂是一种多官能团的化合物，添加后类似水的功能，能帮助膨润土搭桥，增加膨润土功效，可降低膨润土用量。以上三者采用配方6搭配使用，既能保证漆膜表观，又能把抗流挂膜厚提高到90 μm以上。