高效双组分聚氨酯水性涂料解析

BMA004 · 发表于 2008-8-19 23:05:19

介绍壁画，简单来说指的是画在墙壁或其他暴露的表面上的设计或草写的格言等等。1然而这种简单的理解却掩盖了壁画在当今社会的应用中令人难以置信的费用和其具有的公害。实际上，有史以来壁画就是一直存在的。2然而，在当今世界和全球经济环境下，壁画常常意味着对于公共建筑、交通工具、或者其他公共场合可以看到的实体外观的丑化。
城市每年常常花费数百万美元用来除去这些壁画。3越新和越宏伟的建筑物就越有可能成为“画家”们的目标。因此，要求涂料化学家们研发出更高效、更可靠的涂料就不足为奇了。这些涂料要求具有最小的维修、并且具有长的使用寿命以对抗不停增长的壁画。
有趣的是，高效涂料的发展不但包含涂料本身的发展还包括相应工具的发展，从而满足移除壁画的要求。这篇文章讨论了水性双组分聚氨酯涂料用来作为环境友好型涂料的配方，从而具有对应于溶剂型涂料的保护功能。拜耳材料科技已经在这些涂料技术方面进行了多年的研究。本篇文章中的结果都是依据拜耳材料科技所持有的许多全球研究和发展成就所得到的。
背景
标准测试方法――ASTMD6578-00“抗涂鸦测定标准”，可以用来评估暴露于室外或者进行试验加速暴露的涂料抵抗涂鸦的能力。这是一种评估涂料的抗涂鸦能力的逐步测试方法。从无棉绒干燥棉布到MEK，这一系列的清洗剂都是用来对涂料的“清洁能力”进行等级鉴定。评估还包括对于光泽和颜色变化的评估。该方法还提供了对于涂层覆盖底物的机械或手工清洗方法。
一种不同的方法是使用TL918300，Blatt39o对抗涂鸦性能进行评估。这是由GermanRailwaySystem,DeutscheBahnAG开发的可视评级系统。
Melchiors4已经报道了Confocal激光扫描显微镜（ConfocalLaserScanningMicroscopy，CLSM）的使用，这种仪器是用来探测荧光染料在着色薄膜中的渗透能力。渗透的深度是根据时间来进行划分的，从而对溶剂型涂料和水性双组分涂料系统进行评估。根据TL918300、DeutscheBahnAG的Blatt39o对水性体系所进行的排序与CLSM相应的测试有着很好的一致性。
走近高效2K涂料
Melchiors，5已经讨论了双组分水性多元醇/聚异氰酸酯涂料技术。这些原理可以用来对涂料体系的例子进行说明。这些涂料体系在抗涂鸦能力测试方面都有着积极的表现。
在案例1中，展示了一种涂料体系原型使用ASTMD6578的初步测试结果，并且对未来的工作进行了评论，对一些配方参数进行了讨论。
在案例2中，使用DeutscheBahnAG的TechnischeLieferbedingungenTL918300,Blatt39o测试方法对几种新近开发出的涂料体系进行了评估并展示了相应的评估结果。在该案例中提到了一些大体的发展趋势。在这两个案例当中，都对产品等进行了评论，以作为涂料化学家们研发产品的指南。聚丙烯酸酯乳液由于其所具有的超越聚酯的出众的抗水解性能而得到了重视。
案例1
该涂料系统原型是聚丙烯酸酯乳液和一种亲水聚氨酯的混合物。聚丙烯酸酯乳液的混合是由几种客户要求所决定的：抗涂鸦能力，低光泽度（使视觉缺陷最小化），低VOC值或零VOC，应用要求（辊子），干燥时间。之所以选择聚氨酯，是因为这种材料在手动搅拌下可以容易地融入体系当中。NCO/OH比例是要满足涂料的总体要求的。图1包含了关于聚丙烯酸酯和聚氨酯的特定信息。

图1:水性粘合剂体系

聚丙烯酸酯的比例对于光泽度和干燥时间的影响如图2和3所示。

图2:不同聚氨酯比例下的光泽效果

图3:不同聚氨酯比例的干燥时间

我们注意到，当指导配方中的聚丙烯酸酯2成分增加时，光泽度和干燥时间降低。我们还注意到由于助剂的减少，VOC值降低。
依据这些最初测试的结果，我们找到了一个测试的理想配方（图4），在该应用配方中，NCO:OH为3:1。这些涂料在测试前可以在环境条件下干燥2个星期。

图4:理想测试配方

涂鸦测试所使用的材料如图5所示，除清洁性测试外，其他测试方法都是依据ASTMD6578完成的。

图5:涂鸦测试

可以发现，在测试中使用了5种不同的材料来对抗涂鸦能力进行评估。图6:涂鸦测试方法
等级评定方案如图7所示，并且使用一个具体的例子来说明是如何评级的。
图7:涂鸦清洁能力评定
这些测试的结果如图8所示。
总体而言，这些结果表明：(a)如何依据ASTMD6078对涂料的抗涂鸦能力进行评定；(b)抗涂鸦能力是由清洁助剂的选择和涂鸦标记材料所决定的；(c)在移去涂鸦之后，涂料光泽度的变化是最小的；(d)在这些试验中，硅添加剂的选择并不会提高抗涂鸦能力；(e)低VOC值涂料可能具有抗涂鸦的能力。
图8:清洁力测试结果
现在我们对涂料在认为侵蚀之后的抗涂鸦能力进行评估，并且将测试拓展到有色涂料上。我们将对移去涂鸦材料所需的最大周期值进行测定。最后，将会评估在涂鸦移去之后涂料的重涂能力。
案例2
我们依据TL918300,DeutscheBahnAG的Blatt39o方法测试了几种聚丙烯酸酯和聚氨酯的抗涂鸦能力。面板是用清漆包覆的。在面板上涂上白色底漆或白色面漆并且在室温下干燥。我们使用graffitisprays或Eddingmarkers在表面涂鸦，并且在50℃的烘箱中加热48小时。冷却后，再用涂鸦清洁剂擦拭10分钟。此时涂料破坏度就可以直观地进行评定（图9）。涂鸦的应用―在一定条件下保持―清洁这一循环要重复9次以满足要求。

图9:抗涂鸦能力测试

Melchior4指出了这个测试需要考虑的两个方面：染料在薄膜中的渗透能力，使用清洁剂移去涂料时薄膜的溶胀性。另外，必须选择双组分多元醇/聚氨酯化合物，从而在固化环境条件下得到高度交联薄膜的同时，还可以考虑到诸如外观和耐用性等其他要求（图10）。图10:面漆技术的选择
为了说明不同成膜剂效果的差别，不同OH含量聚氨酯的染料渗透深度与渗透时间的关系如图11所示。视觉测试结果也显示出了这种关系。简而言之，OH的含量越高，薄膜的抗染料渗透型越好。

图11:OH的作用

几种不同的聚氨酯的测试数据也表明了聚氨酯的选择对于抗涂鸦能力的影响（图12）。这些数据还表明了双组分水性涂料体系的抗涂鸦能力要明显优于标准的双组分溶剂体系。

图12:聚氨酯的影响

图13说明了这些新化合物中的一些关键特性。

图13:PUR关键特性

总之，我们考虑了聚氨酯涂料在抗涂鸦方面的两种应用，并且回顾了两种不同的测试类型以及多元醇和聚氨酯成分的选择对于满足上述要求的重要性。双组分聚氨酯水性涂料的化学性确实是一个巨大的成功！