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聚氨酯涂料及其应用前景

     摘要:聚氨酯涂料(PU)以其优异的粘结性,耐摩擦性、高光泽度等优良性能在涂料行业中占有非常重要的位置,深受市场和广大消费者亲睐。简要介绍了聚氨酯涂料的应用和发展现状,分别阐述了聚氨酯汽车涂料、聚氨酯木器涂料、聚氨酯防腐涂料及聚氨酯塑料涂料的应用及发展趋势。
    关键词:聚氨酯涂料;性能特点;应用前景
    1·聚氨酯涂料的应用和发展
    聚氨酯技术早在德国兴起,1937年,奥托拜耳先生发明聚氨酯,奠定了聚氨酯化学的基础,开发出适合不同用途需要的聚氨酯技术。自1955年以来,拜耳公司已把各种单体和聚合的异氰酸酯、聚酯、聚醚及丙烯酸酯应用于聚氨酯涂料的生产中。1965年抗褪色双组分聚氨酯涂料应用于飞机和火车机身;1987年Bayhydrolò作为水性成膜物使用;1994年Bayhydurò和Bayhydrolò作为水性双组分聚氨酯体系投入使用。
    聚氨酯漆即聚氨基甲酸酯漆。它漆膜强韧,光泽丰满,附着力强,耐水耐磨、耐腐蚀性优良。被广泛用于高级木器家具,也可用于金属表面。
    由于聚氨酯多方面的优异性能。在中国用于涂料工业的聚氨酯(不包括建筑涂料)所占的比例已经超过25%。
    聚氨酯涂料在木器涂料工业中占主导地位,占到75%的市场份额,紧接着是汽车修补漆,占40%多。聚氨酯技术在防腐涂料、塑料涂料和汽车原厂漆方面的应用也越来越广,占10%的市场份额。近年来,聚氨酯涂料正以15%的增长率在增长。
    聚氨酯漆是以多异氰酸与多羟基化合物反应而制得,它不烘烤也能达到烘烤漆的性能。涂膜坚硬耐磨,耐化学腐蚀,耐油、耐溶剂、稳定性突出,漆膜光亮丰满,可用于高级轿车作表面涂层。
    聚氨酯双组份树脂合成涂料的成膜过程是:主剂(-OH)固化剂(-NCO)两组份中的高分子化学成分产生化学反应而成膜。因此在实际施工中不得随意增减固化剂的份量,增多会使涂膜发脆、易起泡等;减少会使涂膜发软、不干、硬度不够、耐划伤性不好。在市场销售的产品中也有单组份的PU漆,它是用含-NCO基团的树脂吸收空气中的水汽(-OH)来进行反应,其固化机理是一样的。其优点是:硬度高,耐磨、耐热、耐水性好,固含量50%-70%,丰满度好,施工效率高,涂装成本低,应用范围广。在全国家具界使用此类涂料约占60%左右。缺点是:施工环境要求高,漆膜损坏不易修复,配漆后使用时间受到限制,层间必须打磨,配比要求严格。
    选择稀释剂,很多人凭借经验,事实上,稀释剂的选用是很有窍门的,一种好的稀释剂基本条件有二个:一是针对不同施工要求,其挥发速率、溶解能力要合适。二是稀释剂中不能含有与-NCO基反应的物质。譬如酸、醇类及水分。
    水分的存在是产生气泡的原因之一,其危害还存在于工艺上,以水与TDI为例,它们之间能反应生成胺类物质并引发连锁反应。水分的存在严重影响产品质量和生产成本。
    汽车修补漆用的水性双组分聚氨酯涂料的含羟基组分中通常要加入流平剂、消泡剂、催化剂、光稳定剂、增稠剂和有机共溶剂等助剂,再与多异氰酸酯组分混合后加水调整黏度,用喷涂法施工。水乳化型聚氨酯双组分涂料的性能,如干燥时间、光泽、硬度和耐溶剂性基本上达到了溶剂型涂料的要求。文献报道,催化剂的量增加,不粘时间和全干时间减少,而涂料的物理性能(柔韧性和硬度)不变;7d后,漆膜已经得到高度交联,有非常好的耐溶剂性,能超过200次甲乙酮双面擦拭;涂料的不粘时间和全干时间与-NCO/-OH的比例无关;随着异氰酸酯交联剂黏度的增加,漆膜的摆杆硬度增加,耐溶剂性相应增加。
    无溶剂环氧聚氨酯涂料主要以改性聚氨酯树脂作为主要成膜物,利用活性稀释增韧剂实现无溶剂化,赋予涂层良好的粘接力,优异的化学稳定性和机械性能。鳞片状填料的加入不但能提高涂层的机械性能,还能够起到良好的涂层屏蔽作用,具有良好的防腐作用。
    无溶剂环氧聚氨酯涂料具有强度大,固体含量高、防蚀性能好、耐老化性能优良、施工工序简单、能抵抗水及各种酸、碱、盐等强腐蚀性介质的侵蚀、无环境污染等优点。适用于各种大气环境下钢铁及其他金属或非金属设备的腐蚀防护与装饰。   2·聚氨酯汽车涂料
    汽车涂料要求漆膜有较好的光泽、快干、良好的耐水性、耐溶剂性和耐老化性。汽车修补漆还必须能够低温固化,而双组分聚氨酯涂料正好能满足这些要求。由丙烯酸酯多元醇和多异氰酸酯组成的双组分聚氨酯涂料,能室温或低温烘烤固化,可用在汽车的金属、塑料、木材以及其它底材上。这类涂料使用了较多的挥发性有机溶剂,因此对环境造成了严重危害。
    最近几年来,又开发了水性双组分聚氨酯涂料并获得成功应用,其主要是采用了水分散的多元醇组分,通过在该多元醇组分中引入羧酸基团,将其用胺中和后分散在水中;而作为固化剂的多异氰酸酯组分可采用低、中黏度的传统固化剂或使用亲水改性的多异氰酸酯。
    聚氨酯清漆是指双组分聚氨酯清漆和单组分聚氨酯改性氨基丙烯酸烘烤清漆。聚氨酯清漆市场份额超过30%。目前,聚氨酯清漆在中国年增长率约15%。大众汽车、通用汽车和现代汽车都在使用聚氨酯改性氨基丙烯酸烘烤清漆。相对于传统的氨基丙烯酸清漆,聚氨酯清漆外观更加清澈透亮,耐候性更加出色。同时对于现在市场上很关心的耐洗车性能和耐酸雨性能,聚氨酯清漆都有很明显的优势,目前,为了减少有机挥发物的排放,一些汽车厂商已经开始使用水性汽车原厂漆。拜耳是最早把聚氨酯引入到修补漆中的公司之一。现在拜耳的双组分修补漆原料在全世界范围都在广泛的应用。
    聚氨酯涂料在颜色和保光性方面的性能尤为突出,具有优异的耐化学品性、出色的耐候性以及物理机械性能,漆膜颜色丰满,流平性和鲜映性好;柔韧性和硬度适中。正是由于聚氨酯涂料的这种耐久性,使其成为要求极高的终端市场的理想选择。双组分聚氨酯涂料不仅用于客车,也广泛用于豪华轿车。聚氨酯防擦伤抗石击涂料已用于汽车车体的防护。
    美国MOVAY公司开发了一种新型汽车面涂,这种面漆为高固体分单组分聚氨酯改性聚合物,可用于刚性和柔性汽车底材上,并且有优异的耐酸性、硬度以及颜料的容合性。
    近年来,汽车的环保趋势带给车用聚氨酯产业巨大的发展空间。据报道,2008年全球汽车修补漆市场的总用量达到了143.6万磅,其中西欧和北美市场占前两位,从产品种类型看,2008年北美汽车修补漆75%由双组分聚氨酯(2K-PUR)占据,而在东欧和西欧市场上,双组分聚氨酯更是占据了90.0%。面对如此庞大的市场,车用聚氨酯产业必然迅速发展。
    用于汽车修补的水性双组分聚氨酯涂料已经商品化,可满足任何严格的溶剂排放法规。   3·聚氨酯木器涂料
    聚氨酯木器涂料的应用历史已超过60年。聚氨酯涂料开始在中国木器涂料市场的应用大约在20世纪60年代末,如今已占木器涂料的74%,中国已成为世界最大的聚氨酯木器涂料生产国。性能接近溶剂型木器漆的水性聚氨酯已成功用于家具业,水性木器漆成为市场热点。
    水性木器涂料在中国的推广可以追溯到20世纪90年代末,但其性能一直未能满足用户的需要。拜耳多年来致力于提高水性木器涂料品质,不断为市场提供高品质原材料。例如:更小的粒径的单组分水性聚氨酯分散体,因其优异的机械性能和施工方便性,广泛应用于木地板、木制工艺品和玩具领域。此后,又研发了双组分水性聚氨酯,该亲水性聚异氰酸酯和丙烯酸、聚酯分散体或乳液能在20℃-80℃温度下交联反应,从而获得极其优越的涂膜性能,主要应用于家具及室外木器表面。
    随市场对更高生产效率和更好的环保性能涂料的需求,水性紫外光固化聚氨酯分散体应运而生,它能在室温下在紫外光或电子束照射下迅速固化。施工非常方便,有着极好的附着力和耐化学品性,成为全球木器涂料市场增长最快的产品。
    4·聚氨酯防腐涂料
    聚氨酯涂料与环氧底漆的配合使用可以成为重防腐涂装体系,其卓越的综合性能使其在防腐工程中得到广泛的应用。与其他涂料相比,聚氨酯涂层系统的生命周期成本最低,并能达到欧美关于有机挥发物高要求的排放标准。其优秀的化学性能、较好的经济效益及低有机挥发物标准赢得越来越多的专业人士和用户的认可,聚氨酯已成功应用于桥梁、近海平台、港口机械、工厂设备、贮罐、管道及机场、体育场馆等建筑设施。
    在全球范围内,随着对工程涂层保护功能及表观要求的不断提高,聚氨酯在钢结构防腐蚀领域的应用也在不断发展中。除了常规双组分聚氨酯技术外,单组分湿固化聚氨酯和天氡氨酸酯聚脲也拓展了聚氨酯在防腐蚀涂料领域的应用空间,并在欧美的诸多工程应用中就许多工程难题提供了解决方案。湿固化聚氨酯与天氡氨酸酯聚脲同时具备了覆涂间隔短、固化反应快的特点,两种产品在同一系统共同使用,使其快速特性叠加,形成快速处理涂层系统。
    而另一方面,湿固化聚氨酯与天氡氨酸酯聚脲同时具备优越的耐腐蚀性能,二者配套使用又强化了体系高功能、重防腐的工程优势。
    改性聚氨酯涂料重防腐效果甚佳。据介绍,高弹性环氧-聚氨酯重防腐蚀涂料为双组分。A组分是由含羟基的弹性聚酯和环氧树脂为基料,加入消泡剂及有关助剂组成。B组分为多异氰酸酯和多元醇的加成物。把A、B组分按一定的比例混合放置30min即可施工。其成膜机理是有机溶剂挥发后,A组分和B组分之间发生反应,相互交联成网状结构而固化。其中,弹性聚酯树脂是高弹性环氧-聚氨酯重防腐涂料的重要组成部分。
    高弹性环氧-聚氨酯重防腐涂料,可供各种管道防腐、油罐内外壁防腐、水池防渗透工程的涂装。该涂料是一种用途广泛、成本低廉、防腐性能优良的新型防腐蚀材料。
    环氧聚氨酯耐热重防腐涂料也日益重要,以环氧树脂为成膜物,用TDI与TMP加成物作固化剂制成的防腐蚀涂料,既具有环氧树脂的高附着力、高强度、低收缩率、耐化学品性和防腐性,又具有聚氨酯的优良柔韧性、耐磨、耐油、高丰满度、耐老化性能和成膜性能。环氧聚氨酯制成的涂料同时又具有良好的耐热水煮沸和低温固化性能,可作为金属污水贮罐、贮槽、管道、混凝土贮池和化学贮罐的内防腐,及热力管道的内外防腐蚀涂料。
    5·聚氨酯塑料涂料
    塑料被成功地应用于汽车行业很多年了,并且应用的数量日渐增多。故要求开发一种能与车身相匹配的塑料件用涂料。由此诞生了柔感涂料。目前新一代双组分聚氨酯涂料已经问世,它可低温快速固化而且具有活性期长(10d以上)、固体份高(近50%)的优点。
    汽车保护膜材料的性能要求是:韧性好、耐久性好,不受气候和温度变化影响,即使曝露在户外阳光下,数年之后也不泛黄开裂;具有极好的光学透明度,光透过率高达94%,而雾浊水平低于1%,透过保护膜能显示出汽车涂层的本色。
    聚氨酯薄膜用于包覆汽车发动机罩前缘、汽车前后保险杠、车门下围板、钥匙锁装置、门锁把手、轮罩边缘、面漆以及其他需要保护(免受石片击打、磨损等)的部位。如美国Avery Dennison工业公司推出的0.2 mm厚的透明脂肪族热塑性聚氨酯薄膜,有非常高的光泽,与汽车的亮涂层匹配,外观良好。据称美国3M公司也有类似产品。
    在可提供耐磨性和柔软手感性能的涂料中,水性聚氨酯涂料已经超越了许多传统的涂料系统,有很好的材料适应范围,这也使采用聚氨酯涂料的塑料件的选择上更为自由。采用Bayre公司的多异氰酸酯,AkzoNobel公司开发了水性聚氨酯涂料。宣伟公司也研制出了柔软手感的水性聚氨酯涂料,该涂料可为各种汽车内饰件提供奢华质感,且具有耐溶剂性、耐摩擦性、粘合性和防起雾性能等高质量性能,已成为福特、通用等大汽车制造商内部配制用涂料。聚氨酯涂料用于汽车零部件、内外饰件的前景十分广阔。
    一般来说,水性聚氨脂涂料不需要额外添加乳化剂或分散剂,因为它的分子结构和大小可以根据性能进行灵活调节。与乳胶涂料相比,具有更好的低温成膜特性,不需要额外添加成膜助剂或增塑剂。水性聚氨酯涂料几乎对所有常用的塑料基材都有良好的附着性,并具有杰出的耐久性和耐冲击性。另外,可以通过交联反应来改性水性聚氨酯涂料,以增强其耐溶剂和耐化学品性,并获得高光涂膜,这对汽车色彩设计人员来说是相当重要的。  
    6·结语
    聚氨酯是一种新兴的有机高分子材料,被誉为“第五大塑料”,因其卓越的性能而被广泛应用于国民经济众多领域。在未来,对健康安全的关注和法律法规的发展将会持续影响聚氨酯涂料市场。只要比较一下现有的涂料技术就不难发现,以树脂和异氰酸酯为核心的聚氨酯化学,可以提供最好、最经济、最灵活的解决方案。

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