直接用于金属底材的100%固体含量的脂肪族聚脲涂料

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直接用于金属底材的100%固体含量的脂肪族聚脲涂料
摘要：详述了受阻胺加舍物的原理以厦由此制成的脂肪族聚脲涂料的性能和施工方法。

　　关键词：爱阻胺加舍物；脂肪族聚脲涂料；施工方法

　　1　引言

　　聚脲喷射弹性体是一种综合性能独特的涂料体系，如快速固化（甚至在冰点以下），在只喷涂一层时就可以形成高结构的漆膜，不含有机挥发分（VOC）且低温韧性好等。目前，大部分所使用的聚脲体系主要为芳香族产品，多由MDI预聚物、聚氧化丙烯胺和芳香族胺类组成。此类芳香类产品在光泽和保色性方面存在一定的缺陷，所以在对漆膜外观要求较高的户外面漆的应用上具有很大的局限性。并且对于附着力问题仍然需要通过涂刷底漆、添加附着力促进剂或对底材机械性能的处理来解决。另外聚脲体系的耐化学药品性差，尤其针对溶剂和强酸，所以浸渍方面的应用也由此而受到限制。

　　目前，已经研发出一种用于制备脂肪族聚脲涂料的新型受阻胺加合物。可直接用于金属底材，不需要底漆和面漆。并且与目前的芳香族聚脲涂料体系相比，具有更长的凝胶时间，这样可以更好地满足漆膜的流动和流平性的需要，以达到面漆所要求的漆膜外观。此体系还具有优异的耐UV性、耐化学药品性、附着力和防腐蚀性能。尽管此体系在弹性方面稍逊于芳香族体系，但柔韧性与传统的聚氨酯相比仍具有很好的可比性，并且超过了在工业养护涂料中经常使用的环氧体系。本文详述受阻胺加合物（HAA）的原理以及由此制成的脂肪族聚脲体系涂料所达到的性能。

　　2　原理

　　在研发脂肪族聚脲涂料方面的进展是源于使用了脂肪族二胺和天冬氨酸酯胺。在研发“慢速固化聚脲涂料”的工作中使用了受阻胺加合物（HAA）。HAA是由空间位阻伯胺通过与丙烯酸低聚物和/或环氧树脂反应转化为二胺。常规制备HAA的反应为1mol的三羟甲基丙烷三丙烯酸酯（TMPTA）与3mol的叔-C12-14伯胺的反应（见图1）。伯胺与丙烯酸酯的反应是通过在适当的条件下（60～100℃）使用加成反应的方法进行的。由图1可明显地看出烷基结构阻隔了二胺基团，并降低了与异氰酸酯的反应率。另外，由于胺基紧邻羰基基团，从而由于邻位效应也降低了胺的反应性。图2是一种由1mol双酚A二缩水甘油醚（DGEBPA）与2mol的叔-C12-14：州胺反应而制成的环氧加合的HAA。试验中所使用的叔-C12-14胺是一种混合体。

　　与TMPTA加合的HAA和与环氧加合的HAA的一些基本性能见表1，凝胶时间的变化趋势与位阻程度紧密相关。环氧的改性赋予了加合物相关的优异性能，如附着力和耐腐蚀性能。图2中的DGEBPA的加合物的黏度明显高于TMPTA的加合物，由此所制成的纯树脂为半固体状态，需要用二甲苯溶解来制备涂料。并且DGEBPA加合物的凝胶时间与TMPTA加合物相比更快，与丙烯酸酯加合物相比较，环氧加合物中存在的羟基与提高反应活性存在必然的关系。

　　一种专门为满足凝胶时间和硬度要求的HAA，通过共同使用上述2种胺加合物而进行了制备。这种HAA以下将被称为“加合型受阻胺加合物（HybridHAA）”，是由大约12%的DGEBPA加合物和88%的TMPTA加合物组成的。TMPTA加合物是由1.2mol叔-辛胺和1.8mol叔-C12-14胺组合而成。加合型受阻胺加合物的性质见表1，由此种加合型HAA组成的涂料的各项性能指标将在后面的章节详述。

　　直接用于金属底材的100%固体含量的脂肪族聚脲涂料

　　3　涂料的性能指标

　　3.1　施工方法

　　在测试中使用了2种聚脲涂料的施工方法。在实验室中，使用了一种静电混合技术，2个组分分别盛装于2个盒子中，并与静电搅拌器及气动喷枪相连接。　　通过这种方法，涂料可以在钢板、铝板和聚酯板底材上散开形成381～508μm的漆膜。然而只有脂肪族体系的凝胶时间才能适应此种方法，用于对比的芳香族体系由于凝胶时间太短，而无法使用此方法。

　　第二种施工方法是使用聚脲涂料在现场施工时常用的GusmerGX-7喷枪，压力控制在13.78MPA，温度范围在65～8O℃。在此温度和压力条件下，聚脲涂料可以获得较好的混合雾化和相应的外观。2个组分由泵通过针眼大小的孔输送到喷枪内的混合室，在这里2个组分的雾状喷流发生有力的碰撞，从而在短时间内得以很好地混合，混合物几乎同时从喷枪内喷出。

　　3.2　涂料配方

　　直接用于金属底材的聚脲涂料的2个配方及其性能见表2-5，涂料中的已着色的胺与异氰酸酯预聚物的比例分别为2：1和1：1，2：1比例的配方中使用了没有改性的六亚甲基二异氰酸酯（HMDI）三聚体。

　　在1：1比例的涂料配方中，胺组分通过添加低胺值的胺成分来改性，调整计量及混合比例，由HMDI组成的异氰酸酯组分也通过改性提高NCO值来适应1：1的比例。在色浆中使用包括硅烷处理过的偏硅酸钙来提高防腐蚀性能。虽然此配方的PVC含量偏低（为3.5%），但仍可以在典型的厚膜聚脲涂料中提供较好的遮盖力。配方的VOC可以基本忽略，只是分散剂和消泡剂中含有微量的溶剂。除非额外说明，试验获得的所有数据都是依据1：1比例的涂料配方获得。

　　3.3　用于对比的芳香族聚脲体系

　　分别从2个生产厂家购买了2种不同的芳香族聚脲喷射弹性体，用于与此体系做性能上的对比。

　　3.4　凝胶时间/固化速度

　　凝胶时间通过2种方法测试。第一种方法是使用手工搅拌20g的样品，直至无法搅动为止。第二种方法是使用实际应用中的施工喷涂设备，将材料加热后喷涂在立面底材的一点上，直至材料开始向下流淌，然后停止喷涂，流淌物停止流淌后，这一时间段作为凝胶时间记录。

　　值得注意的是尽管凝胶时间被延长了，与芳香族体系相比，脂肪族产品的指压干燥时间仍有很好的可比性，在硬度方面，脂肪族体系的要比芳香族体系的高，并且可在固化的第1个小时内迅速形成。

　　不同温度对2：1脂肪族聚脲配方体系的固化速度产生的影响，随着温度从-18℃到50℃变化，涂层的干燥时间只受到很微小的影响，这种低温固化性能拓宽了聚脲产品的施工季节性，可以在一年中的任何季节内进行施工。

　　3.5　物理性能

　　芳香族聚脲体系通常具有较好的弹性以及拉伸性能，而脂肪族聚脲体系具有更好的硬度，但在拉伸性能方面却与芳香族聚脲体系相差很多（见表8）。虽然拉伸性能低于芳香族聚脲体系，但如果与涂料工业中常用的环氧和聚氨酯体系相比就明显地具有优异性。

　　3.6　附着力

　　加合型HAA体系的聚脲涂料被喷涂在各种不同的底材上，在固化14d以后，根据ASTMD-4541标准，使用了一种剥离附着力测试仪器进行了测试，结果表明脂肪族聚脲涂料的附着力性能总的来讲十分优异（见表9），尤其是在有或没有底漆的多孔底材如混凝土和木制品上。甚至是在0℃以下，喷涂在冻结的混凝土底材上，附着力与在室温条件下相比没有任何变化。

　　3.7　耐腐蚀性

　　由于此聚脲体系是专门设计用于直接涂于金属的涂料，所以耐腐蚀性及防锈性能十分关键。使用ASTMB117和ASTMG85的方法进行了耐盐雾和黏结力性能测试，样板是用喷涂了此体系聚脲涂料的喷砂处理过的钢板。2个加速试验的结果表明，该体系的耐腐蚀性能十分优异，只有极低的起泡和渗痕现象。

　　3.8　耐化学药品性

　　耐化学药品性的试验是使用了不同的化学物质在相关的漆膜上进行了24h点滴试验（见表11），这种新的脂肪族聚脲体系与常规的高固体分环氧体系相比，具有十分优异的耐化学药品性能，尤其是在耐酸方面特别突出。芳香族聚脲体系的耐溶剂性能比较有限，漆膜容易发生溶胀和变软。所以脂肪族聚脲体系对耐化学药品性有要求的场合具有更广泛的适用范围，如储罐和槽罐车等。

　　3.9　耐候性

　　耐候性通过使用氙弧老化仪（SAEJ1960）和QUVA--340(ASTMD4587）分别对各种体系进行了测试。脂肪族聚脲体系的结果远远高出了其他2个芳香族聚脲体系产品。图3中显示了在QUVA-340试验中60°光泽变化情况，脂肪族聚脲体系在1600h以后仍然保持了初始光泽的85%，但是另外2种芳香族聚脲体系产品在400h后就完全失光。图4的结果显示了另外2种芳香族聚脲体系产品在不到50h；就发生了严重的变色，而脂肪族聚脲体系在1300h后颜色仍然没有变化。图5为户外曝晒10个月的试验数据，同样地显示了芳香族聚脲体系在不到一个月内就发生了颜色变深的现象，印证了加速老化试验中的结果。

　　脂肪族聚脲体系的保光性与双组分环氧和丙烯酸/聚氨酯的比较结果，脂肪族聚脲体系的保光性在试验1500h后，仅稍差于双组分丙烯酸/聚氨酯体系，远远超过了环氧体系。

　　另外，配方中添加UV稳定剂会更加促进脂肪族聚脲体系的耐候性能。配方中根据树脂的固体含量添加了2%UVA和1%HALS，脂肪族聚脲体系的保光性在1200h的加速老化试验中明显地得到了提高，与没有添加UV稳定剂的脂肪族聚脲体系比较相差了30个单位。

　　4　结语

　　研发的这种新型HAA可以用于生产和制备脂肪族聚脲涂料，并赋予优异的附着力、耐化学药品性、耐腐蚀性和UV稳定性。另外，这种新研发的HAA的被延长的凝胶时间还可以满足成膜时对流动和流平时间的需要，形成平整的、没有漆病的薄型漆膜。这些相关的性能特点组合起来，就可以使用一道涂层及施工代替传统的多道涂层及施工。这种新型体系在低温，甚至在-18℃时仍可保持快速固化的特点可拓宽聚脲涂料的施工季节，甚至在寒冷的冬季。

开林（江西）制漆

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