1、水性双组分聚氨酯塑料涂料及其施工王从国，黄昭可（中国电器科学研究院擎天实业有限公司 广州 510860）摘要：以双组分聚氨酯树脂为原料配制水性塑料涂料，开发出了塑料用水性聚氨酯涂料，并对其在线施工工艺进行了探索研究。经上线试验，证明其涂膜性能接近或优于指标值。施工工艺则与传统溶剂型单组分丙烯酸涂料接近。关键词：水性涂料 聚氨酯 在线施工工艺Research on Waterborne 2k Polyurethane Coat for Plastics and its Coating Online ProcessWang cong-guo Huang zhao-keAbstract: The w
2、aterborne 2k coat for plastics is synthesized with polyurethane resins as coat binder, and its coating process is studied. The testing results show the property of this film can reach or exceed the regulating value. and its process is close for that of the traditional solvent base 1k acrylate resins
3、 coat.Key words: waterborne coat polyurethane online coating process1 引言为保护人类生存环境，现今涂料的发展趋势是低公害、无公害化。水性塑料涂料的最大优点是涂层堪与传统溶剂型涂料相当，但 VOC 排放量小。其排放量是溶剂型涂料的三分之一还小。因此，发展水性涂料，采用水性涂料具有重要意义。近年来，国际上对 VOC 排放量的限制越来越严格，欧美等国家都在大力发展水性涂料技术。随着人们环保意识的不断提高和环保法规对有机挥发物（VOC）及有害空气污染物（HAPs）的限制日趋严格，水性涂料将成为21 世纪的主流涂料已成共识 1-4。目
4、前水性涂料已广泛应用在建筑内外墙涂料、金属涂料、汽车涂料、木器涂料、皮革涂料等领域，但是在塑料方面的应用还不多，其原因主要是水性涂料的性能（主要如硬度、附着力、干燥时间、耐溶剂性、铝粉涂料的银粉排列等）难以达到应用要求。近年来，随着树脂性能的不断改进，使水性塑料涂料的应用成为可能，但目前这方面的研究报道还不是很多。目前我国正大力弘扬科学发展观，走可持续发展道路，可以预见国家将对VOC 排放量的要求会越来越严格。为保护我们的生存环境和身心健康，增强在水性涂料方面的国际交流与合作，发展提高我国的水性涂料技术水平，国家有必要加大在这些方面的研发支持力度，对涂料 VOC 的排放量应出台适合我国目前经济
5、发展水平的法律法规。本文以拜耳公司生产的水性聚氨酯树脂为原料，配制塑料用水性涂料。研究了有关助剂的影响，开发出了性能优良的水性双组分聚氨酯塑料涂料，并对其施工工艺进行了研究。2 水性双组分聚氨酯塑料涂料的配制2.1 试验配方其清漆基础配方见表 1。表 1 水性双组分聚氨酯塑料涂料清漆基础配方原料 质量分数/% 原料 质量分数/%多元醇树脂 1 30.060.0 消泡剂 0.21.0多元醇树脂 2 13.030.0 防冻剂 1.03.5去离子水 2.012.0 防腐剂 0.10.3成膜助剂 3.012.0 pH 值调节剂 3.010.0润湿剂 0.10.8 增稠剂 0.85.0流平剂 0.10.
6、8 其它助剂 1.04.0固化剂：固化剂 1/固化剂 2 为 8/1，并用适量溶剂稀释至合适粘度。2.2 试验步骤用电子天平准确称取多元醇树脂 1 和多元醇树脂 2 置于高速分散机中，开动马达调节分散机转速至 800r/min 左右，预混合 10 分钟左右；在搅拌下加入已经预混合好的去离子水和成膜助剂，然后依次序加入其它原料，加大分散机转速至 3000r/min 左右，搅拌 30 分钟；调低转速至 1000r/min 左右，调节粘度和 pH，继续搅拌 15min；过滤，出料制得水性双组分聚氨酯塑料涂料清漆。用上面的清漆加入铝浆，制得双组分水性银粉漆。向其中加入固化剂和稀释剂水，两组份的比率约为
7、 10/1，稍搅拌后加水调节喷涂粘度，搅拌均匀即可。将制备的清漆喷涂在 ABS 塑料板上制备涂膜，外送广东省涂料产品质量监督检验站进行性能测试。2.3 性能测试结果水性双组分聚氨酯塑料涂料涂膜性能检测结果见表 2。表 2 产品性能检测结果序号 检验项目 指标值 实测值 检测标准1 铅笔硬度 H 2H GB/T6739-20062附着力（ 1mm，粘揭 5 次）100%不脱落 100%不脱落 GB/T9286-19983 流平性 无明显桔皮 无明显桔皮 目测4 干膜厚度， 微米 10-15 12 GB/T13452.2-19925 耐醇性 无发白、变色、软化等不良现象50 次 95%乙醇溶液；无
8、发白、变色、软化等不良现象用棉布包 500 克砝码醮 95%乙醇溶液来回擦拭50 次6 耐高温高湿无变色、起泡等异常现象，晾干1h 后用胶带粘揭5 次，附着力1级无变色、起泡等异常现象；附着力 1 级55， 93%湿度，120h7耐盐水（5%氯化钠，24h）无异常 无异常 GB/T9274-19888 耐冷热循环无异常现象，用胶带粘揭 5 次，附着力 1 级无异常现象，附着力1 级60 2h-202h，10 次循环9耐QUV（100h）无明显变色，无起泡，E 3无明显变色，无起泡，E=0.4ISO4892-3:199410 耐磨耗性 100 回以上 100 次无露底使用砂质橡皮作摩擦，W=19
9、.6N 显露底材次数11 不粘着性 无痕迹 无痕迹发泡聚乙烯W=4.9N（0.5kgf）,5048h12 VOC， g/L 200 135 EPA24备注：底材为 ABS 塑料，双组分银色聚氨酯涂料。3 水性塑料涂料施工工艺3.1 双组分水性塑料涂料配制按配比计量好两组分混合搅拌加水调节施工粘度搅拌均匀放置待用3.2 施工工艺流程如下：塑料基材洗壳水擦净吹尘喷漆烘烤（60，15 分钟）UV 加热（3 分钟）点补烘烤（60，15 分钟）UV 加热（3 分钟）全检丝印过丝印炉打包、装箱4 结果与讨论4.1 树脂的选择4.1.1 多元醇树脂的选择涂料的性能主要取决于树脂，多元醇树脂的选择，对涂料的附
10、着力、干燥性能、光泽、硬度、施工性能都有明显影响，研制的涂料采用两种多元醇树脂进行搭配使用，使涂料具有较好的贮存稳定性；涂料的水可开稀性也很好，具有良好的施工性能；干燥速度非常快，可满足塑料涂料施工工艺的要求。经广东省涂料监督检验站检测，具有良好的综合性能。4.1.2 固化剂树脂的选择国内双组分塑料涂料施工一般都是手工喷涂施工为主，很少有企业使用双组分喷涂设备的，因此手搅性是一个很重要的指标。试验时试用了拜耳的固化剂 3100、304、305、2487/1、2655、401-70 等固化剂，发现在手搅性方面，3100 比较差，基本上只有用高速分散机进行分散，才可以得到较好的漆膜。2655 可以
11、不用加入稀释溶剂（可降低 VOC 排放）即可很容易的手搅均匀（手搅 13 分钟即可） ，手搅性非常优异。其它固化剂手搅性相差不大，基本上都要用稀释溶剂开稀，即使开稀后，手搅一般都要在 5 分钟以上才可较稳定的得到良好的漆膜。固化剂 401-70 也可不用稀释即可手搅均匀，相对其它固化剂其表干较快，但单独用时漆膜很脆，外观也不好。401-70 在塑料涂料中，几乎不可以单独使用，一般是与其它合适的固化剂搭配使用，来提高涂膜的表干速度，具有良好效果。罗地亚公司的固化剂 M2102、M401、M502 固化剂国内也有很多人试用，M2102 含有 APES 表面活性剂，在很多国家已经被禁用。后两支不含有
12、 APES表面活性剂。经过试验，手搅性方面这几支产品与拜耳的 304、305、2487/1 相当。在做银粉漆的过程中，发现同样的多元醇配方体系加入不同，固化剂搭配不好会有掉银粉的问题。如用 2601 搭配固化剂（304+401-70） ，NCO:OH=1.5:1.0，这个体系的表干和实干时间都是非常理想的，但生产银粉漆的过程中，在试验涂膜附着力的时候发现有轻微掉银粉的问题，重复几次都有这个问题。具体原因还不是很清楚。另外，树脂选择不好，贮存时容易出现在器壁、搅拌轴干结而污染涂料的问题。4.2 成膜助剂的选择传统溶剂型涂料以树脂溶液为成膜物，树脂溶液为均相体系，只要溶剂选择得当，涂料经涂布后，随
13、着溶剂的挥发，易于形成致密的涂膜。而水性涂料分散介质是水，因此要靠水分挥发后，聚合物粒子变形、融合而成膜。由于水性涂料的涂膜通常是热塑性的，出于性能方面的要求，如硬度、涂膜干燥速度等，一般尽量采用高玻璃化温度的聚合物乳液。这样在聚合物低温成膜过程中，就要求加入成膜助剂以帮助成膜。另外，成膜助剂一般都是聚合物的良溶剂，加入成膜助剂对涂料的贮存稳定性也有很大的帮助。但同时，成膜助剂一般也是高沸点挥发物，加入太多，会导致喷涂流挂、漆膜干燥慢，如试验中发现如果加入 DPnB 太多，会出现流挂、漆膜慢干的问题。试验发现，在双组分聚氨酯涂料中，加入 20%以下的乙二醇丁醚（EB）是比较合适的。 EB 挥发
14、速度合适，与聚合物乳液的相容性较好，成膜能力可满足要求，是一种比较合适的成膜助剂。考虑到喷涂过程中的个人喷涂习惯的不同，也不能加入太少，试验发现：天气比较干燥时（空气湿度在 30%左右时） ，喷枪喷涂气压较大，室温闪干的时间稍长时，容易出现成膜助剂挥发太多，导致成膜不好的问题。综合试验发现，成膜助剂加入 5%20%，具有较好的涂膜性能和涂料施工性能。4.3 消泡剂的选择水性涂料在生产和施工时会产生大量气泡，其原因为：水的表面张力很大，而聚合物通常是高分子物质，与水的相容性不好，需要加入大量的乳化剂，这些乳化机在高速分散时容易引入空气形成气泡。水性涂料中的一些助剂，如润湿剂、流平剂、分散剂具有稳
15、泡作用，也容易引入气泡。由于气泡会干扰涂料的生产和施工，并严重影响涂膜质量，因此，水性涂料中一般都要加入消泡剂来消除已产生的气泡或者抑制气泡的产生。试验了 Foammaster 8034、Foamstar A34、Foamstar A36、Dehydran 1293、tego 805、tego 845 等，综合比较，Dehydran 1293、tego 805、tego 845 消泡效果都可以，其中 tego 845 最好，体现在消泡速度快，添加量小，与体系相容性也很好。一般添加 0.3%既有很好的消泡效果。4.4 其它助剂水性涂料一般都要加入流变调节剂、pH 值调节剂、防腐防霉剂、防冻剂等。
16、水性涂料的 pH 值一般控制在碱性范围比较合适。4.5 双组分水性涂料的施工与传统溶剂型涂料相比，水性漆具有下面的特点：溶剂（水）表面张力大，其蒸发热和热容值高，受温度湿度影响大。颜料分散性不好，乳胶体系稳定性差。所以，相对于传统溶剂型塑料漆，水性涂料的施工有自己的特点。4.5.1 调漆室和输漆系统调漆室要有温度调节功能，以保证施工时最佳的油漆温度（2025） 。试验发现，温度超过 35，不到 30分钟体系就成豆腐渣状。调漆室温度不可超过 30，否则双组分混合后，很快就固化。在 30以下，如果搅拌条件下，活化期一般可达到 4h以上；不搅拌，2h 左右即目测到有明显的粘度增加。调漆室要有足够的库
17、存空间。经上生产线使用发现：水性涂料的库存周转量只有维持在传统油性涂料的 3倍以上，才能满足生产线的要求。其原因是：水的热容值大，升温和降温都比较困难，当水性漆放入调漆室后，只有存放足够的时间，才能将其调整到合适的施工温度。所以只有增加水性漆周转的库存量，一般是油性漆库存周转量的 3倍左右。在此基础上，生产线的速度才有较大的调节空间，来适应不同烘烤温度、工艺、天气湿度等方面的因素变化。对于调漆罐，一般使用不锈钢材质。在线生产时，发现容器内壁、搅拌轴上有涂料干结的情况发生。后通过调节控制调漆馆内的空气湿度来解决这个问题，收到很好的效果。进出料的过滤，在循环系统中，进料的过滤，银粉漆一般用 80目
18、滤网过滤，色漆用 300目以上滤网过滤，出料统一用 100目过滤网过滤可满足实际生产的要求。4.5.2 喷涂室通过上线试验发现：水性涂料喷涂室湿度最好控制在 30%70%，湿度太低，成膜助剂、水等挥发太快，影响流平和成膜。太高，水等溶剂挥发太慢，又容易流挂。喷涂室温度一般要控制在 1530，2025最好。温度超过 30，即使料温控制在 2025，在实际喷涂过程中，也发现有固化的情况。温度太低，粘度很难调节，喷涂施工性差，生产过程的成品率低。相对油性漆，其喷涂气压要偏小，一般有 3.04.0KPa 即可。出油量不要开的太大。4.5.3干燥线客户原有的是使用传统溶剂型普通漆生产线和 2 条底漆加
19、UV 光油的生产线。试验发现，如果直接使用客户原传统溶剂型普通漆生产线，在 60下，完全干燥需要 30分钟左右；70下，2025 分钟左右；80下，1520 分钟左右。但由于客户基材的限制，超过 70烘烤时，容易出现生产件弯曲变形等问题。对于添置红外烘干设备的建议，客户表示在短期内无法实施。6030min 的工艺，客户认为生产效率还太低，要求我们想法提高干燥速度（传统溶剂型普通塑料漆的烘烤工艺为(5060)(10min 15min)。经多次试验，最后我们采用 60下，烘烤 15分钟左右，再利用客户的 UV 光油固化段，在 UV 光油线下过 1 分钟3 分钟（时间太长工件变形） ，也达到很好的漆
20、膜干燥效果。在此基础上，对配方的耐 UV 性能进行加强后，这个工艺已经基本获得客户认可。这套工艺，在不增加客户设备投资的情况下，生产效率已经非常接近传统溶剂型普通塑料漆的技术水平。4.6. 贮存与运输4.6.1. 多元醇组分由于水的凝固点比传统溶剂型中的溶剂的凝固点高很多，在冰点时会冷冻结冰。试验发现：本研究开发的水性漆一旦凝固后，即使再融解后，性能也不能完全恢复，水性漆发粗、失光等非常明显。而在 60存放 14天，发现有絮凝现象。室温放置 3个月（5 月-8 月） ，无明显变化；经喷涂外观也无明显变化。室温放置 5个月（3 月-8 月） ，有轻微絮凝，色漆经高速搅拌可再恢复均匀，喷涂外观也无
21、明显变化。因此水性漆的贮存最主要的是要注意防冻。但试验发现，用乙二醇、丙二醇加入 2-3点，对防冻性没有明显改善。试验是在-20下进行的。由于这些多元醇加入太多对漆膜有不利影响，所以没有试验其它添加量。从试验情况看，水性漆保存在 5以上，50以下是有必要的。4.6.2. 固化剂为便于客户使用和配方保密等考虑，一般都要经过稀释后才给客户使用。但目前，由于在稀释和客户使用的过程中，不能完全做到隔绝空气中的水，所以固化剂的分装和贮存是一大难题。另外，不同溶剂开稀的固化剂的粘度差别很大。粘度低有利于固化剂在手搅时的分散，但要注意溶剂在体系中的相容性的问题。经试验发现，不同溶剂开稀后固化剂的粘度差别很大
22、，如用 BAC开稀的固化剂的粘度就远低于用 MIBK开稀的，而用 PMA开稀的固化剂的粘度在三者中最大，BGA 开稀的固化剂粘度和 MIBK开稀的相当，但 BGA开稀的固化剂溶液和 A组分的相容性很好，且 BGA有帮助成膜的作用，可适当减少多元醇组分中成膜助剂的数量。使用 BGA开稀复合的两种固化剂，可使分装后固化剂的贮存期在 3个月以上，基本满足客户需求。试验发现：固化剂的贮存基本无需关注温度的变化，但开稀后的固化剂在贮存和运输中低温（-20）基本不受影响；而高温对其贮存稳定性有重大影响，6014 天基本无法通过。但常温贮存 3个月（5 月-8 月） ，开稀的固化剂、喷涂漆膜性能、外观均无明
23、显变化。所以：固化剂用 BGA稀释，贮存温度应控制在 35以下，具有较好的综合性能。5 结语将水性涂料应用于高端塑料涂装目前国内研究几乎还没有应用的报道，是涂料开发领域的一个难点。本研究以拜耳公司聚氨酯树脂为基础，开发出了水性双组分聚氨酯塑料涂料，并对其在线施工工艺进行了一定的探索。该水性涂料在涂膜性能和施工性能方面已经非常接近传统溶剂型普通塑料漆的水平，完全可以在塑料件上进行使用。参考文献：1 Desor U, Krieger S, et al. Water Borne Acrylic Dispersion for Industrial Wood Coatings J. Surface Co
24、atings International, 1999, 82(10): 488-496.2 Richard J, Esser James E. Waterbased Crosslinkable Surface Coatings J.Progress in Organic Coatings, 1999(36):45-52.3 Okamoto Yoshihiro, Numa Nobushige. Two-pack Aqueous Coating Composition. EP665252. 1995.4 朱万章. 室温固化双组分水性木器涂料的制备. J. 南方涂饰， 2008(3): 40-44.作者简介：王从国，1975 年生，男，高工。2000 年天津大学研究生毕业，从事通用工业涂料、水性涂料的研发 8 年，今年主要从事水性塑料涂料、水性工业涂料方面的研究。
