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0 引言
水性双组分聚氨酯涂料将溶剂型聚氨酯涂料的高性能和水性涂料的低VOC 含量相结合，是近年来涂料工业研究的热点之一。随着国外商业化水性异氰酸酯固化剂产品推向市场，水性双组分聚氨酯涂料正逐步取代溶剂型聚氨酯涂料，用于木器、塑料、皮革等材料表面的装饰和保护。水性双组分聚氨酯涂料由水可分散异氰酸酯和水性羟基组分组成，使用时，异氰酸酯固化剂通过自乳化作用和水性羟基组分的外乳化作用分散于体系中，通过水分的挥发、粒子聚结、异氰酸酯反应等过程成膜。这一过程比溶剂型聚氨酯涂料成膜复杂，存在许多副反应，如水和羟基间与异氰酸酯的竞争反应，副反应及副产物导致涂膜性能下降、涂膜产生缺陷。因此对于水性双组分聚氨酯涂料体系，涂膜的性能不仅与两组分的配比及各自组成与结构有关，也与成膜过程中各种外界因素有关。本文从配漆配方及施工工艺两个方面进行优化，有效减少环境因素对涂膜性能的影响，从而得到性能优良的涂膜。
1 配漆配方的优化
1.1 羟基树脂的选取
常见水性羟基树脂有乳液型丙烯酸多元醇和分散体型多元醇。它们各有特点：乳液型丙烯酸多元醇的羟基当量大，对水性异氰酸酯固化剂润湿分散性稍差，涂膜的交联度低，因而涂膜的耐化学品性差，但该体系VOC 含量低，固体含量高，涂膜干燥快，且耐候性好。分散体型多元醇采用先溶剂法合成树脂，再在水中进行分散，树脂粒径小，对水性异氰酸酯固化剂润湿分散性好，涂膜的交联度高，但此体系中含有一定量的挥发性有机化合物，聚合物在水分散过程中，往往会发生相转移，体系黏度急剧增大，形成高黏度低固体含量的分散体，降低了施工固体分，不利于双组分体系的物理成膜。另外，亲水离子或链段的存在会降低双组分涂膜的耐水性和耐溶剂性。采用核壳聚合新技术，且使用带伯羟基的羟基单体，羟基官能团分布在乳胶粒子中，这样可以提高与异氰酸
酯的交联度，所得涂膜性能较一般乳液型丙烯酸多元醇好很多。
1.2 成膜助剂的选取
成膜助剂的作用是帮助成膜及延长涂膜的开放时间以利于流平，通常为一些高沸点的有机溶剂，常用品种有丙二醇甲醚醋酸酯（PMA）、混合二酸酯，如DEE（二乙醚）、DBE（二丁醇）、十二酯醇等。DEE 辅助成膜性好，挥发速度适中，且分子结构中不含与异氰酸酯反应的活性基团，适宜用作水性双组分聚氨酯涂料体系的成膜助剂。
1.3 消泡剂的选取
水性双组分聚氨酯涂料体系比其它水性涂料体系更容易产生气泡，除了在制备涂料时，会产生气泡；在施工过程中，辊涂或刷涂也会产生气泡；在成膜过程中，水与异氰酸酯反应产生CO2 滞留在涂膜中形成气泡，若不能有效去除这些气泡，会造成涂膜针孔等弊病，严重降低涂膜的保护和装饰性能。好的消泡剂不仅能抑制气泡的产生，而且能有效地从体系中脱除已经产生的气泡。BYK 公司的几种消泡剂，如BYK-024、BYK-028 等都是不错的选择。
1.4 异氰酸酯固化剂的选择
选择合适的多异氰酸酯固化剂是决定涂膜性能的关键因素之一。传统的溶剂型双组分聚氨酯用异氰酸酯固化剂与水性树脂的极性差别大，在低速搅拌条件下，极易发生相分离的现象。而经亲水改性的异氰酸酯，无需使用特殊的高剪切设备就能很好地在水性羟基树脂中分散均匀，但是由于引入亲水链段，一方面减少了-NCO 基团的官能团数目，从而降低了涂膜的交联度；另一方面亲水链段的亲水性也降低了涂膜的耐水性。因而在选取不同型号的水可分散异氰酸酯固化剂时必须综合考虑。我们对市售的4 种亲水改性异氰酸酯固化剂进行试验。表1 为4 种水性异氰酸酯固化剂的主要技术指标。
注：A—WT30-1000 ；B—Bayhydur305 ；C—Bayhydur XP2655 ；D—WT2102。
各种水性异氰酸酯固化剂按-NCO 含量折合，-NCO/-OH=1.2∶1，并用水稀释至相同黏度，测取各混合体系的固体分，结果见图1。
图1 不同固化剂体系的施工固体分
由图1 可见：A、B 固化剂比C、D 固化剂配制涂料的施工固体分明显低，可能是前二者的亲水改性比后二者大，亲水性强，稀释至同一黏度需要更多的水，用固化剂A、B 配制涂料涂刷1 道的干膜厚度薄。按-NCO/-OH=1.2∶1 配漆，涂膜性能对比结果见表2。
表2 涂膜性能对比
由表2 可见：固化剂C、D 比固化剂A、B 所得涂膜的干燥时间短，硬度高，而光泽稍低，其它物理机械性能和耐化学介质性相差不大。
综合考虑，选择B 作为亮光涂料的固化剂，C 作为亚光涂料的固化剂。
2 施工工艺的优化
2.1 异氰酸酯固化剂稀释溶剂的选用
水性双组分聚氨酯涂料用异氰酸酯固化剂虽经亲水改性，但其固含量一般为100%，黏度较大，直接用水或水性羟基树脂均无法分散，必须用适宜的溶剂稀释后才能分散使用。不同稀释剂的稀释结果见表3。
表3 不同稀释剂稀释结果
由表3 可见：不同异氰酸酯固化剂的最佳稀释溶剂可能不同。稀释剂用量不宜过多，一方面会增加体系的VOC 含量，另一方面还可能导致分散性变差。一般异氰酸酯固化剂稀释至75%~80% 即可。
2.2 分散速度的选择
在配制溶剂型聚氨酯涂料时，异氰酸酯固化剂无论是在搅拌下加入，还是瞬时加入羟基组分后再搅拌，两组分均能充分混合均匀，因此涂膜的性能相差不大。但水性异氰酸酯固化剂加入到羟基组分的过程也是乳化分散的过程，乳化分散效果对涂料的性能有影响。按-NCO/-OH=1.2∶1 配漆，测试在不同转速下加入水性异氰酸酯固化剂时涂膜外观及光泽的变化，结果分别见表4 和图2。
表4 固化剂分散速度对涂膜外观的影响
图2 固化剂分散速度对涂膜光泽的影响
由上述试验可见：在加入后再手动搅拌时，固化剂A、B 能与羟基组分混合均匀，因而涂膜光泽较高。而固化剂C、D 因为亲水性差，不能被羟基组分很好分散，两组分混合效果差，故涂膜光泽较低。随着分散转速的提高，在剪切力的作用下，异氰酸酯能被羟基组分乳化分散得更细，-NCO 与-OH 能充分发生交联反应，涂膜光泽提高。但随着分散转速的进一步提高，涂膜的光泽又有所下降，这可能是由于在高剪切力作用下，固化剂的粒径过小，与水的接触面积相对增大，引起-NCO 与水之间的副反应，生成脲，而脲与氨基甲酸酯的相容性不好，影响了涂膜透明度，从而影响光泽。固化剂分散速度以500 r/min 为宜。
2.3 -NCO/-OH配比的影响
以固化剂B 为例，按照-NCO/-OH 不同比例将固化剂和羟基组分混合均匀，检测涂膜性能，结果如图3、4 所示。
图3 -NCO/-OH 配比对涂膜硬度的影响
图4 -NCO/-OH 配比对涂膜光泽的影响
试验结果表明：随着-NCO/-OH 比例增大，涂膜中氨基甲酸酯键增加，提高了涂膜的交联密度，因此涂膜的耐化学介质性、硬度、抗黏连性、耐干热性均得到提高。采取过大的-NCO/-OH 比例，较
多量的-NCO 与水发生反应生成脲，影响涂膜光泽，而生成的二氧化碳会滞留在涂膜中影响涂膜的外观和性能，且过多的固化剂会增加涂料成本。较适宜的-NCO/-OH 配比为1.2∶1。
2.4 活化时间对涂膜性能的影响
按照-NCO/-OH=1.2∶1 将固化剂B 和羟基组分混合均匀，分别检测不同活化时间下所得涂膜的性能，结果见表5。
表5 不同活化时间对涂膜性能的影响
由表5 可见：随着活化时间延长，涂料的黏度先降低，然后再增加，这是由于羟基乳液体系中不含溶剂，当固化剂加入羟基乳液后出现假稠现象，随着固化剂被羟基乳液润湿分散，体系黏度随之下降。当活化时间达到8 h 时，固化剂已明显发生交联，因而体系的黏度又开始增加；当活化时间达16 h 时，体系已呈果冻状。在活化期间，涂膜的硬度一直在下降，这是由于部分固化剂与水发生了反应。综合来看，在4 h 的活化时间内，涂膜的性能变化不大，因此，水性双组分聚氨酯涂料应在4 h 内用完，可以获得较为优良的涂膜性能。
3 结语
水性双组分聚氨酯涂料兼有溶剂型聚氨酯涂料的高性能和水性涂料的低VOC 含量，具有广阔的应用前景。但它还存在着一些缺陷，如异氰酸酯固化剂与水或多或少反应生成副产物，引起涂膜交联性能的丧失、活化期的缩短和气泡的形成，异氰酸酯固化剂的亲水性也导致涂膜性能的一些缺陷。本文通过对配漆配方及施工工艺的优化，在一定程度上减轻了这些缺陷，可以得到较为优良的涂膜性能，但是这些缺陷就目前技术状况来说仍是不可避免的，涂膜的一些重要性能，如硬度、耐化学介质性、丰满度等相对溶剂型聚氨酯涂料而言仍存在一定差距。因此对涂料工作者尤其是异氰酸酯固化剂研究人员而言还存在更多挑战。
