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丙烯酸聚氨酯涂料用弹性固化剂的制备

【兰陵化工集团涂料油漆】
刘子康,王新锋,段文锋 ( 北京东方雨虹防水技术股份有限公司,北京 101309)
摘要 :介绍了一种用于丙烯酸聚氨酯涂料的弹性固化剂的制备方法,由其配制的丙烯酸聚氨酯涂料具有极强的附着力、耐候性和弹性,可抵抗混凝土表面的轻微裂纹。讨论了不同聚醚多元醇、不同脂肪族异氰酸酯、不同—NCO 含量合成的固化剂对漆膜性能的影响。
关键词:弹性固化剂;丙烯酸聚氨酯涂料;弹性涂料
中图分类号:TQ 630.4+93 文献标识码:A 文章编号:1009-1696(2014)11-0022-04

0· 引言
传统的丙烯酸聚氨酯涂料为刚性涂料,适用于金属表面的防护涂覆,而用于混凝土表面时,硬度有余而韧性不足,极易产生微裂纹而使防护效果大大降低,导致修补及保养费用增加;欲达到1 mm 的施工厚度必须采用多道施工,一次施工过厚会开裂,施工周期长,效率低。
本文研制了一种丙烯酸聚氨酯涂料用弹性固化剂,由其配制的弹性丙烯酸聚氨酯涂料具有极强的附着力、耐候性、弹性,可抵抗混凝土表面的轻微裂纹,并且固含量高,所用溶剂为环保型溶剂,可一次施工达到所需的厚度,施工效率高。

1· 实验部分
1.1 主要原材料
聚醚多元醇GE-210、GE-220、GMN-3050、GEP-330N :工业级,上海高桥石油化工公司;聚四氢呋喃多元醇PTMG1000、PTMG2000 :工业级,日本三菱;脂肪族异氰酸酯HDI(六亚甲基二异氰酸酯)、HMDI(4,4’- 二环己基甲烷二异氰酸酯)、IPDI(异佛尔酮二异氰酸酯):工业级,德国拜耳材料科技;脂肪族固化剂N75、N3390 :工业级,德国拜耳材料科技;羟基丙烯酸树脂:工业级,海明斯;催化剂T-12 :工业级,市售品;填料、助剂、溶剂等,市售品。
1.2 弹性固化剂的制备
弹性固化剂的基本配方见表1。 将一定量的聚醚多元醇加入到四口烧瓶中,加热至120~130℃,打开真空泵,在0.05~0.01 MPa 真空度下脱水3 h ;脱水后关闭真空泵,降温至60℃,加入称量好的脂肪族异氰酸酯和溶剂,混合均匀,缓慢升温至75~85℃,恒温反应2.5 h ;再加入催化剂继续反应1 h,抽取样品,用二正丁胺滴定法检测—NCO基团的含量,达到预期结果后,降温至40℃,出料。
1.3 涂膜制备
将树脂组分和固化剂组分混合均匀后倒入喷漆罐中,调整好喷枪压力和流量,将涂料均匀喷涂在涂硅隔离膜上,保证干膜厚度为400~800 μm,标准条件下[温度23℃,相对湿度(50±10)%]养护7 d 后裁样测试。
1.4 性能测试
拉伸性能测定:试件形状按照GB/T 528—2009《硫化橡胶或热塑性橡胶 拉伸应力应变性能的测定》中的Ⅰ型哑铃裁制,采用深圳新三思计量技术有限公司的4104 型电子拉力机测定拉伸性能,传感器采用200 N 量程,拉伸速度为250 mm/min。

2· 结果与讨论
2.1 脂肪族异氰酸酯的种类对涂膜性能的影响
选用聚醚多元醇 GEP-330N 分别与脂肪族异氰酸酯HDI、IPDI、HMDI 合成不同—NCO 含量的固化剂,再分别与色漆组分混合制备涂膜,测试涂膜的拉伸强度和断裂伸长率,结果见图1、图2。
由图1、图2 可见:采用脂肪族异氰酸酯合成不同—NCO 含量的固化剂所得涂膜的拉伸强度随—NCO含量的增加而逐渐升高,断裂伸长率随—NCO 含量的增加而逐渐降低。这是由于随—NCO 含量的增加,涂膜中的硬段含量增多,形成的微晶区越多,所以其拉伸强度和硬度提高;而随着涂膜中微晶区越来越多,在拉伸时分子链段间的相对移动变得越来越困难,所以断裂伸长率随—NCO 含量增加而降低。比较HDI、IPDI、HMDI 这3 种脂肪族异氰酸酯,由于HDI为直链结构,涂膜中不易形成微晶区,涂膜整体较软,其拉伸强度和断裂伸长率都较低;IPDI 和HMDI都带有环状结构,其拉伸强度较高,而HMDI 分子中含有两个环状结构,IPDI 分子中含有一个环状结构,所以采用HMDI 合成的涂膜拉伸强度最高,相反由于HMDI 的双环状结构比IPDI 的单环状结构刚性强,所以采用HMDI 合成的涂膜的断裂伸长率低于采用IPDI 合成的涂膜。

2.2 聚醚多元醇对涂膜性能的影响
选用不同聚醚多元醇GE-210、GE-220、GMN-3050、GEP-330N 分别与IPDI 合成不同—NCO 含量的固化剂,再分别与色漆组分混合制备涂膜,待涂膜养护到期后,测试涂膜的拉伸强度和断裂伸长率,结果见图3、图4。 由图3、图4 可见:采用不同聚醚多元醇和IPDI合成不同—NCO 含量的固化剂,所得涂膜的拉伸强度随—NCO 含量的增加而逐渐升高,而断裂伸长率随—NCO 含量的增加而逐渐降低。比较这4 种聚醚多元醇,在相同—NCO 含量的情况下,采用聚醚多元醇GE-210 的涂膜的拉伸强度和断裂伸长率最低;聚醚多元醇GMN-3050 和GEP-330N 的涂膜的拉伸强度和断裂伸长率居中;聚醚多元醇GE-220 的涂膜的拉伸强度和断裂伸长率最高。这是由于GE-220为二官能度中等相对分子质量聚醚多元醇,其形成的涂膜中分子链较规整,有利于形成更多的微晶区,所以其涂膜拉伸强度最高,而拉伸时,其分子链为直线型,所以涂膜的弹性也较好,断裂伸长率最高;GE-210 的分子链较短,其涂膜弹性不够大,导致其拉伸强度和断裂伸长率都较低;GMN-3050 和GEP-330N都为三官能度大相对分子质量聚醚多元醇,制备涂膜的交联度较高,所以其断裂伸长率和拉伸强度低于GE-220。

2.3 聚醚多元醇和聚四氢呋喃多元醇合成固化剂对涂膜性能的影响
选用聚醚多元醇GE-210、GE-220,以及具有相同相对分子质量的聚四氢呋喃多元醇PTMG1000、PTMG2000 分别与IPDI 合成不同—NCO 含量的固化剂,再分别与色漆组分混合制备涂膜,待涂膜养护到期后,测试涂膜的拉伸强度和断裂伸长率,结果见图5、图6。

由图5、图6 可见:采用具有相同相对分子质量的聚四氢呋喃多元醇比聚醚多元醇制备的涂膜的拉伸强度要高,但是其断裂伸长率要低。这是由于聚四氢呋喃多元醇分子链中键能较高的C—C 键含量较高,而柔顺性较好的C—O—C 键含量比聚醚多元醇少,所以相同相对分子质量下,采用聚四氢呋喃多元醇制备的涂膜的拉伸强度要高,而断裂伸长率要低。

2.4 自制弹性固化剂和刚性固化剂混用对涂膜性能的影响
采用自制弹性固化剂与德国拜耳公司的 N75 和N3390 固化剂以不同配比拼用,再分别与色漆组分混合制备涂膜,待涂膜养护到期后,测试涂膜的拉伸强度和断裂伸长率,结果见图7、图8。 由图7、图8 可见:在自制弹性固化剂中分别加入不同配比的N75 和N3390 固化剂,所得涂膜的拉伸强度随N75 和N3390 含量的增大而逐渐增大,断裂伸长率随N75 和N3390 含量的增大而逐渐降低。这是由于N75 和N3390 都是三官能度的小分子刚性固化剂,其含量越高,涂膜中交联点越多,涂膜中分子链间交联密度越大,涂膜拉伸强度越高,断裂伸长率越低。N75 为HDI 缩二脲结构,其分子结构中没有环状结构;N3390 为HDI 三聚体结构,其分子结构中含有一个六元环结构,所以添加相同量的N3390 比添加N75 的增强效果好,但是添加N3390 后其断裂伸长率较低;当N75 和N3390 的添加量超过15% 后,拉伸强度上升不明显,而断裂伸长率下降非常明显。所以,刚性固化剂用量以15% 为宜。

3· 结语
弹性耐候型丙烯酸聚氨酯涂料的拉伸强度随弹性固化剂—NCO 含量的增加而逐渐升高,断裂伸长率随—NCO 含量的增加而逐渐降低;采用聚醚多元醇GE-220 合成的固化剂制备涂膜的拉伸强度和断裂伸长率最高;相同相对分子质量下,采用聚四氢呋喃多元醇比采用聚醚多元醇制备涂膜的拉伸强度高,而断裂伸长率低;随着自制弹性固化剂中刚性固化剂含量增多,涂膜的拉伸强度逐渐升高,断裂伸长率逐渐降低。刚性固化剂用量以15% 为宜。参考文献
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[9]刘斌,李瑛,林海潮,等. 丙烯酸聚氨酯涂料防腐蚀性能研究[J].中国腐蚀与防护学报,2003,23(02):89-91,98.硝基漆的主要成膜物是以硝化棉为主,配合醇酸树脂、改性松香树脂、丙烯酸树脂、氨基树脂等软硬树脂共同组成;一般还需要添加邻苯二甲酸二丁酯、二辛酯、氧化蓖麻油等增塑剂;溶剂主要有酯类、酮类、醇醚类等真溶剂,醇类等助溶剂、以及苯类等稀释剂。该漆是目前比较常见的木器及装修用涂料。
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