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水性聚氨酯防腐涂料的研究现状

  慧聪化工网讯:随着人们环保意识的日益提高以及各国出台的法律法规对挥发性有机物质(VOC/TVOC)、有害空气污染物(HAPs)的控制日趋严格,21世纪的世界涂料行业正走在“水性化”、“无溶剂化”、“绿色化”发展的快车道。腐蚀是一种因材料与周围环境中的介质发生化学或者电化学变化而改变或者丧失材料原有性能的现象。根据相关数据统计,各国每年因金属腐蚀造成的经济损失占各国GDP收入的2%~4%,约是地震、洪水、台风等自然灾害经济损失的6倍。近年来在不断提高防腐蚀涂料防腐性能的同时,也迅速向“水性化”方向发展。

  聚氨酯防腐涂料是继其他防腐涂料之后的最通用的涂料品种,其用量仅次于醇酸树脂涂料。其中水性聚氨酯防腐涂料正成为水性防腐涂料中的佼佼者,它不但具有优良的物理性能,而且具有优异的耐强酸、耐强碱、耐老化、耐盐雾(480h)、耐盐水(480h)等化学性能,在水性防腐涂料领域得到迅速发展。但是水性聚氨酯由于以水为分散剂,含有亲水基团,其涂膜的耐水性能较差,较溶剂型涂料交联密度低,不利于阻挡腐蚀性因子进入基材内部。因此,为达到防腐蚀性能需要对水性聚氨酯进行改性。本文对水性聚氨酯防腐涂料的分类、改性以及研究进展进行了综述,并对今后的发展前景进行了展望。

  聚氨酯是聚氨基甲酸酯的简称,一般定义为在高分子链上含有重复的氨基甲酸酯键的结构单元的高分子化合物为聚氨酯。我国是全球涂料产业的生产大国,2014年涂料总产量1.5亿t左右,聚氨酯涂料产量约145万t,同比增长3.6%。聚氨酯涂料是目前较常见的一类,可以分为双组分聚氨酯涂料和单组分聚氨酯涂料。水性聚氨酯是以水代替有机溶剂作为分散介质的新型聚氨酯体系,也称为水分散聚氨酯、水系聚氨酯或水基聚氨酯。鉴于其独特的化学结构,赋予了水性聚氨酯涂料优异的性能:

  1942年,PSchlack成功研制了单组分水性聚氨酯涂料,制得的水性聚氨酯涂料粒径较大,稳定性较差。因乳化剂用量过多,造成涂膜成膜性能较差,从而导致所制得的涂料应用范围受限。单组分水性聚氨酯是一类以水为分散剂且施工方法简单的环境友好型涂料。通过交联改性的水性聚氨酯涂料具有良好的贮存稳定性、涂膜力学性能、耐水性、耐溶剂性及耐老化性能,而且与传统的溶剂型聚氨酯涂料的性能相近。

  SonSuk-Hye等先将羧基引入到聚氨酯分子链段,再与三乙胺中和成盐,合成了一种能自乳化的水性聚氨酯涂料,并探讨了中和程度以及羧基含量对水性聚氨酯性能的影响。随着中和程度和羧基含量的提高,乳胶粒子的尺寸大小从47nm减小到27nm,乳液的稳定性也随之提高。

  杨冬亚等以异佛尔酮二异氰酸酯(IPDI)或者甲苯-2,4-二异氰酸酯(TDI)、聚醚多元醇(GE220)和二羟甲基丙酸(DMPA)为原料,通过预聚体法合成单组分水性聚氨酯,调整其NCO/OH值以及DMPA的含量,研究其稳定性以及成膜后的物理性能变化。结果表明:当NCO/OH物质的量比为1.8∶1.0,DMPA∶GE220=2∶1时,乳液平均粒径大小为30.6nm,粒径分布指数为0.306,水性聚氨酯吸水率为14.81%,其成膜后物理性能达到最佳。

  赵静等以二乙醇胺(DEA)以及丙酮丙烯酰胺(DAAM)通过Micheal加成合成了一种新型聚氨酯扩链剂,用于与异佛尔酮二异氰酸酯(IPDI)、聚四氢呋喃二醇(PTMG1000)、二羟甲基丙酸(DMPA)、三羟甲基丙烷(TMP)聚合,制得酮肼交联水性聚氨酯乳液。当n(—NHNH2)与n(—CO—)的比值从0到1∶1时,涂膜吸水率从32.42%下降到14.28%,铅笔硬度提高到2H。涂膜热失重测试表明,酮肼交联结构的引入提高了涂膜的热稳定性。

  相比于溶剂型双组分聚氨酯涂料,单组分水性聚氨酯涂料的耐水性、机械性能和耐化学品性能存在一定的差距。而添加固化剂使分子间发生交联反应,制成双组分水性聚氨酯涂料是提高涂膜性能的最好方法。

  双组分聚氨酯涂料具有成膜温度低、附着力强、耐磨性好、硬度大以及耐化学品、耐候性好等优越性能,广泛运用于工业保护、木器家具和汽车涂料等领域。双组分水性聚氨酯涂料主要由含—OH的水性多元醇和含—NCO的低黏度多异氰酸酯固化剂组成。

  王从国等在水性聚氨酯树脂的基础上,配制了金属用双组分水性聚氨酯涂料。涂膜铅笔硬度为2H,附着力≥1级,耐醇性、耐高温高湿性、耐盐水性均为合格,VOC含量135g/L(技术指标≤200g/L)。结果表明,该水性涂料涂膜的物理、机械性能优越,且施工性能良好,完全可以在金属器件上进行大规模使用。

  史立平等采用羟基丙烯酸乳液制备了相应的水性双组分聚氨酯涂料,所制涂料具有良好的施工性能以及装饰保护功能。相比传统溶剂型涂料,双组分水性聚氨酯涂料成膜过程较为复杂,且涂装要求较高。涂料施工需在湿度相对较低、温度较低的环境下进行,严格按工艺要求控制涂料各组分的配比,同时根据涂料的施工时限要求尽可能在较短的时间内完成涂装。

  水性聚氨酯涂料具有优异的黏合性和柔韧性等特点。但因其交联密度低,水性聚氨酯涂料综合性能较溶剂型聚氨酯(PU)仍有一定差距,因此需要使用一定方法对水性聚氨酯涂料进行改性,秒速赛车计划:从而提高水性聚氨酯涂料的性能。

  RandhirParmar等将环氧树脂与丙烯酸共聚物先用乙二胺封端,再与异氰酸酯预聚物反应制备了水性聚氨酯涂料。DSC测试结果表明,合成的水性聚氨酯涂料热稳定性提高,划痕硬度提高到2600g,其耐酸碱性、耐水性、耐盐水性能均优于普通水性聚氨酯涂料。

  贺玉平等以桐油酸单甘酯改性的水性聚氨酯乳液为基料、以有机改性的正磷酸锌为防腐颜料,配制了铝合金用水性聚氨酯防腐涂料,并研究了桐油酸单甘酯用量、防锈颜料以及颜基质量比对涂料性能的影响,涂膜的附着力在颜基比为1.2时最大,为12.8MPa,耐盐雾试验(500h)中颜基比为1.2时涂膜无锈蚀,划痕处单向2mm内起泡。结果表明:当桐油酸单甘酯的质量分数为20%且颜基比为1.2时,涂膜的防腐性能最优,与铝合金基体的附着力较强,在铝合金货车上有潜在的应用价值。

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