一種水性雙組份聚氨酯面漆塗料及其製備方法與流程

2023-11-10 08:56:22 3

本發明屬於環保塗料技術領域，特別涉及一種水性雙組份聚氨酯面漆塗料及其製備方法。

背景技術：

水性聚氨酯塗料具有優異的防腐及耐候性，經常被用於金屬、混凝土等表面的防護，但是為了得到優異的防腐性能多在塗料體系中加入大量的鐵紅、中鉻黃等防腐性能雖好但是對人體有害的填料，在塗料施工及生產過程中對環境及人體造成很大的傷害。

水性丙烯酸聚氨酯面漆塗料多採用異氰酸酯作為固化劑在固化過程中由於異氰酸酯與水反應易生成二氧化碳氣體，而造成漆膜弊病。

周明吉等在文獻中(周明吉，矯慶澤趙芸等.水性雙組分聚氨酯柔感塗料的製備及性能(J).北京理工大學學報,2012,32(12):1294-1297)以自制聚酯多元醇、二異氰酸酯為原料分別合成含羥基端水性聚氨酯及水性聚氨酯,並以親水性脂肪族聚異氰酸酯為固化劑,添加適量助劑配製水性雙組分聚氨酯柔感塗料。考察了聚酯多元醇的相對分子質量、二羥基丙酸(DMPA)的用量、-OH/-NCO比例等與塗料的穩定性、鉛筆硬度、附著力、柔韌性、耐水性、耐溶劑性、耐化學品性、耐刮傷性以及耐化妝品性之間的關係。研究結果發現:合成水性聚氨酯分散體所用的聚酯多元醇的相對分子質量為2000，DMPA質量分數為6％,合成羥基端水性聚氨酯分散體中-OH/-NCO＝1.6，固化過程中-NCO/-OH＝1.5～1.6時，塗料的綜合性能最好。

中國專利CN 105505165公開了一種抗劃傷的雙組分水性亮光清面漆及其製備方法，該雙組分水性亮光清面漆包括甲組分和乙組分，其中甲組分由含羥基聚丙烯酸酯二次分散體，水性聚氨酯分散體，消泡劑，成膜助劑，蠟乳液，流平劑，增稠劑和水組成；乙組分由丙二醇二乙酸酯和含六亞甲基二異氰酸酯的親水性脂肪族聚異氰酸酯組成。該清面漆除了具有優異的光澤，高豐滿度，漆膜表面效果好等特點外，更具有突出的抗劃傷性能。

以上塗料耐老化性能差，不適合用於金屬、混凝土等領域的面漆。

技術實現要素：

本發明的目的之一在於克服現有技術存在的上述問題，提供一種水性雙組份聚氨酯面漆塗料，該塗料是一種水性塗料，安全環保，漆膜外觀平整，防腐性能和老化性能優異，並且製備方法簡單。

本發明的目的之二在於提供該聚氨酯面漆塗料的製備方法。

本發明水性雙組份聚氨酯面漆塗料是由A組分和B組分組成的雙組分塗料：

其中，A組分按重量份數計，包括如下組分：

水性羥基聚丙烯酸酯分散體15-32份，水性陰離子型聚丙烯酸酯分散體12-30份，消泡劑0.02-2份，流平劑0.5-3份，潤溼分散劑1-5份，防流掛助劑0.2-4份，附著力促進劑0.3-1.5份，抗老化劑1-3份，耐紫外填料12-20份，體積填料10-20份，水8-30份；

其中，B組分按重量份數計，包括如下組分：

親水改性脂肪族聚異氰酸固化劑60-80份，溶劑20-40份。

本發明A組分中的水性羥基聚丙烯酸酯分散體和水性陰離子型聚丙烯酸酯分散體作為基礎樹脂，這兩種樹脂混合與可與B組分中的親水改性脂肪族聚異氰酸酯固化劑交聯成膜獲得耐水性好，耐老化性優異的漆膜；水性羥基聚丙烯酸脂分散體與親水改性脂肪族聚異氰酸酯交聯為主要成膜物；水性羥基聚丙烯酸酯分散體、水性陰離子型聚丙烯酸酯分散體與親水改性脂肪族聚異氰酸酯交聯可使所成漆膜耐水、耐老化性能提高。

本發明所述水性羥基聚丙烯酸酯分散體的重均分子量為3500-5000，優選4000-4400。

本發明所述水性羥基聚丙烯酸酯分散體的玻璃化溫度為40-45℃。

優選地，所述水性羥基聚丙烯酸酯分散體的羥基含量為3.5-4.0％(以固體樹脂計)；pH值為7-8。

優選地，所述水性羥基聚丙烯酸酯分散體為羥基聚丙烯酸酯二級分散體。

優選地，所述水性羥基聚丙烯酸酯分散體的平均粒徑為0.1-0.2μm。

本發明所述水性陰離子型聚丙烯酸酯分散體性能指標如下：不揮發份為48-51％，23℃時粘度為1000-3500mPa.s，以固體樹脂計羥基含量為3.5-4.0％；pH值為7-8；20℃時密度為1.00-1.10g/ml。

優選地，所述水性陰離子型聚丙烯酸酯分散體為二級分散體。

本發明所述消泡劑選自破泡聚矽氧烷溶液、聚醚改性聚二甲基矽氧烷溶液、不含有機矽的破泡聚矽氧烷和憎水固體的混合物、矽氧化聚醚乳液中的一種或多種。其中破泡聚矽氧烷溶液的不揮發份為15％-30％，聚醚改性聚二甲基矽氧烷溶液的不揮發成分為50％-70％，不含有機矽的破泡聚矽氧烷溶液和憎水固體混合物的不揮發份為20％-38％，矽氧化聚醚的乳液的不揮發份為20％-35％。

所述消泡劑優選聚醚改性聚二甲基矽氧烷溶液、不含有機矽的破泡聚矽氧烷和憎水固體在聚乙二醇中的混合物復配，復配重量比為(1-2):1。

本發明所述流平劑選自聚醚改性矽氧烷溶液、非離子型丙烯酸共聚物溶液、離子型聚丙烯酸酯溶液、聚醚改性丙烯酸類能團聚二甲基矽氧烷溶液、聚醚改性丙烯酸類官能團聚的聚二甲基矽氧烷溶液中的一種或多種，優選聚醚改性矽氧烷溶液。

本發明所述潤溼分散劑選自低分子量多元羧酸聚合物羥基銨鹽溶液、多官能團聚合物的醇銨鹽溶液、部分中和的多元羧酸聚合物的烴基銨鹽和聚矽氧烷共聚物溶液中的一種或多種。其中低分子量多元羧酸聚合物羥基銨鹽溶液型潤溼分散劑不揮發份為40％-60％，多官能團聚合物的醇銨鹽溶液型潤溼分散劑不揮發份為30％-50％，部分中和的多元羧酸聚合物的羥基銨鹽和聚矽氧烷共聚物溶液型潤溼分散劑不揮發份為40％-60％；優選多官能團聚合物的醇銨鹽溶液型潤溼分散劑。

本發明所述防流掛助劑選自聚氨酯溶液、脲改性的聚氨酯溶液、聚烴基羧酸醯胺溶液中的一種或多種。

本發明所述附著力促進劑所述的附著力促進劑選自非離子型化合物類促進劑、矽烷類偶聯劑、酞酸酯類偶聯劑等，優選矽烷類偶聯劑。其中所述矽烷類偶聯劑選自γ―氨丙基三甲氧基矽烷氨丙基三乙氧基矽烷3-氨丙基三甲氧基矽烷3-縮水甘油醚氧基丙基三甲氧基矽烷γ-甲基丙烯醯氧基丙基三甲氧基矽烷γ―巰丙基三乙氧基矽烷中的一種或多種。

本發明所述防老化劑選自水楊酸酯類紫外光吸收劑、受阻胺類自由基捕獲劑、金屬絡合物猝滅劑、自取代丙烯酸酯類中的一種或多種，優選水楊酸酯類與自取代丙烯酸酯類復配，復配重量比為1：(1-3)。

本發明所述耐紫外填料選用納米級金紅石型鈦白粉或金紅石型鈦白粉或銳鈦型鈦白粉，優選納米級金紅石型鈦白粉和普通金紅石鈦白粉的混合物，復配重量比為1：(6-10)，所述納米級金紅石型鈦白粉的粒徑≤100nm，優選30-80nm。

使用納米級金紅石型鈦白粉和金紅石鈦白粉的混合物作為耐老化填料能提高塗層耐老化性。

使用性能優異的納米級金紅石型鈦白粉添加到塗料中使得漆膜具有自清潔作用，延長漆膜使用壽命。

本發明所述體積填料選自硫酸鋇、滑石粉、碳酸鈣、高嶺土、雲母粉、雲母氧化鐵粉中的一種或幾種，優選滑石粉、硫酸鋇、雲母粉復配，復配重量比為1：(0.5-1)：(0.5-1)。

本發明A組分中還可以加入生物環保防腐填料5-20份，生物環保防腐填料用量過大，會使體系顏基比增大，樹脂不足以包覆住過多的粉料使得漆膜孔隙較大，耐介質性能下降，成本較高，用量過低，防腐效果差，優選7-15份。

所述生物環保防腐填料選自肌醇六磷酸等有機酸及其配伍性的金屬化合物之絡合物、肌醇六磷酸等有機酸及其配伍性金屬化合物和稀土化合物之絡合物、聚合磷酸根、鉬酸根、矽酸根等配伍性復鹽及稀土復鹽等；

其中所述肌醇六磷酸有機酸及其配伍性的金屬化合物之絡合物含有肌醇六磷酸鹽、單寧酸鹽和雲母或雲母系填料或雲母氧化鐵或磷鐵粉，所說的原料配比重量份如下：肌醇六磷酸鹽∶單寧酸鹽的重量比為10-20∶7-14，肌醇六磷酸鹽和單寧酸鹽的混合物：雲母或雲母系填料或雲母氧化鐵或磷鐵粉的重量比為1∶1-9；所述的肌醇六磷酸鹽包括鋅鹽、鋁鹽、鐵鹽、鈣鹽、錳鹽、鈦鹽、鎳鹽、鍶鹽、鋇鹽。生物環保防腐填料製備方法是：以肌醇六磷酸鹽、單寧酸鹽和雲母或雲母系填料或雲母氧化鐵或磷鐵粉填料為原料，按如下步驟製備：1、混合：將雲母或雲母系填料或雲母氧化鐵或磷鐵粉填料加到肌醇六磷酸鹽和單寧酸鹽混合，攪拌1-5小時；2、表面處理：將混合後液體中添加表面處理劑進行表面處理；3、水洗後乾燥、粒度為0.5-4μm，得到含有肌醇六磷酸鹽、單寧酸鹽和雲母或雲母系填料或雲母氧化鐵或磷鐵粉的生物環保防腐填料；所說的表面處理劑為矽烷偶聯劑，用量為原料總重量的1-5％。

其中所述肌醇六磷酸有機酸及其配伍性金屬化合物和稀土化合物之絡合物，含有雲母或石墨、肌醇六磷酸鹽和鈦、鋯、鉭、鈮其中至少一種，配比重量份為：雲母或石墨50-85份，肌醇六磷酸鹽5-20份，鈦5-30份，鋯5-16份，鉭1-2份，鈮1-2份；所述的肌醇六磷酸鹽包括鋅鹽、鋁鹽、鐵鹽、鈣鹽、錳鹽、鈦鹽、鎳鹽、鍶鹽、鋇鹽。生物環保防腐填料按如下步驟製備：1、分別將雲母或者石墨、肌醇六磷酸鹽和鈦、鋯、鉭、鈮其中至少一種製成漿液；2、將鈦、鋯、鉭、鈮其中至少一種製成的漿液加到雲母或石墨漿液中，同時攪拌；3、再將肌醇六磷酸鹽漿液加到第二步得到的混合液中並攪拌混合；4、加入矽烷偶聯劑到第三步得到的混合液中進行表面處理；5、最後洗滌、乾燥得到含有雲母或者石墨、肌醇六磷酸鹽和鈦、鋯、鉭、鈮的其中至少一種的生物環保防腐填料；矽烷偶聯劑的用量為原料總重量的2％。

工業化生產的二異氰酸酯主要有脂肪族異氰酸酯和芳香族異氰酸酯兩大類。脂肪族異氰酸酯主要有六亞甲基二異氰酸酯(HDI)、異佛爾酮二異氰酸酯(IPDI)、二環己基甲烷二異氰酸酯(H12MDI)。

本發明所述B組分中的親水改性脂肪族聚異氰酸酯固化劑選自基於六亞甲基二異氰酸酯的親水性脂肪族聚異氰酸酯、基於異佛爾酮二異氰酸酯的親水性脂肪族聚異氰酸酯或者基於二環己基甲烷二異氰酸酯的親水性脂肪族聚異氰酸酯，優選基於六亞甲基二異氰酸酯的親水性脂肪族聚異氰酸酯，性能指標如下：-NCO含量為20.7-21.7％，23℃時粘度為2500-4500，Hazen色值≤100，按重量計異氰酸酯單體含量<0.3％，密度為1.14-1.16g/cm3。

本發明所述B組分中的溶劑用來降低固化劑的粘度，選自醚類、高沸點酯類、高沸點芳烴類中的一種或幾種，優選高沸點酯類溶劑，沸點≥130℃。

優選地，所述B組分中的溶劑選自丙二醇甲醚醋酸酯，雙丙甘醇二甲醚，丙二醇二乙酯、二元羧酸二酯中的一種或多種。

本發明水性雙組份聚氨酯面漆塗料的製備方法如下：

(1)組分A的製備方法：將水性羥基聚丙烯酸酯分散體、水性陰離子聚丙烯酸酯分散體、消泡劑、流平劑、潤溼分散劑、防流掛助劑、附著力促進劑、抗老化劑和水共混，攪拌5-10分鐘；再加入耐紫外填料、體積填料高速攪拌30-40分鐘。

(2)組分B的製備方法：將溶劑加入親水改性脂肪族聚異氰酸酯固化劑中，充分攪拌均勻即可。

本發明水性雙組份聚氨酯面漆塗料使用時將組分A和組分B按質量比(3-5)：1的比例混合後塗敷即可。

步驟(1)中需要加入生物環保防腐填料時跟耐紫外填料和體積填料一起加入。

本發明水性雙組份聚氨酯面漆塗料主要用於金屬、混凝土等的面漆，也可以用作底漆，與現有技術相比，本發明具有如下有益效果：

(1)本發明通過選用合適的水性羥基聚丙烯酸脂分散體和水性陰離子型聚丙烯酸酯分散體混合作為基礎樹脂再與親水改性脂肪族聚異氰酸酯固化劑交聯成膜，耐水性好，耐老化性優異。

(2)本發明選用性能良好的消泡劑復配保證漆膜緻密性的同時達到良好的外觀效果。

(3)本發明選用鈦白粉復配合適的防老化助劑提高塗層耐老化性。

(4)該聚氨酯面漆塗料以水為介質在生產及施工使用過程中安全環保，對人體傷害較小。

具體實施方式

下面將結合實施例對本發明的實施方案進行詳細描述，但是本領域技術人員將會理解，下列實施例僅用於說明本發明，而不應視為限定本發明的範圍。

表1為實施例1-6及對比例1的原料配比

表1中實施例對比例各組分說明如下：

水性羥基聚丙烯酸酯分散體：重均分子量為4000-4400，23℃時粘度為2000，玻璃化溫度為40-45℃。羥基含量為3.9％(以固體樹脂計)；pH值為7.8，為羥基聚丙烯酸酯二級分散體，平均粒徑為0.1-0.2μm。

水性陰離子型聚丙烯酸酯分散體：不揮發份為48-51％，23℃時粘度為1000-3500mPa.s，以固體樹脂計羥基含量為3.8％；pH值為7-8，20℃時密度為1.06g/ml。

消泡劑：實施例5僅採用聚醚改性聚二甲基矽氧烷溶液，其它實施例及對比例採用聚醚改性聚二甲基矽氧烷溶液與不含有機矽的破泡聚矽氧烷和憎水固體在聚乙二醇中的混合物，復配重量比為1:1；兩種消泡劑的牌號分別為：BYK019和BYK1730。

流平劑：聚醚改性矽氧烷溶液；牌號為：BYK348。

潤溼分散劑：多官能團聚合物的醇銨鹽溶液型潤溼分散劑；牌號為：BYK180。

防流掛助劑：脲改性的聚氨酯溶液；牌號為：BYK425。

附著力促進劑：3-氨丙基三乙氧基矽烷。

生物環保防腐填料：將50％硫酸鋅溶液慢慢加入到10％的肌醇六磷酸和7％的單寧酸混合水溶液中，邊加邊攪拌，然後用苛性鹼或氨水調PH＝5-6，繼續攪拌10分鐘，生成肌醇六磷酸鋅和單寧酸鋅，將肌醇六磷酸鋅和單寧酸鋅與雲母按重量比為2∶3混合，經攪拌60分鐘，使其均勻混合，水洗後乾燥、粉碎粒度為0.5-4μm，得到含有肌醇六磷酸鋅、單寧酸鋅和雲母或雲母氧化鐵的生物環保防腐填料。

納米級金紅石型鈦白粉：粒徑30～80nm。

抗老化劑：水楊酸酯類與自取代丙烯酸酯類復配，復配重量比為1：1。

體積填料：滑石粉、硫酸鋇和雲母粉復配，復配比例為1：1：1。

親水改性脂肪族聚異氰酸酯：基於六亞甲基二異氰酸酯的親水性脂肪族聚異氰酸酯，性能指標如下：-NCO含量為20.7-21.7％，23℃時粘度為2500-4500，Hazen色值≤100，按重量計異氰酸酯單體含量<0.3％，密度為1.14-1.16g/cm3；

溶劑：丙二醇甲醚醋酸酯。

表1實施例1-6及對比例1的原料配比，千克

表1中對比例1為實施例6的配方基礎上除去水性陰離子型聚丙烯酸酯分散體，實施例2在實施例1的基礎上添加了生物環保防腐填料。

表2為實施例7-11及對比例2-3的原料配比。

表2中實施例對比例各組分說明如下：

抗老化劑：實施例12的抗老化劑僅採用水楊酸酯類抗老化劑，其他實施例採用水楊酸酯類與自取代丙烯酸酯類復配，復配重量比為1：1，其它與實施例11相同。

其他與表1相同。

表2實施例7-11及對比例2-3的原料配比，千克

表2中對比例2在實施例11的基礎上去除了水性羥基聚丙烯酸酯分散體，實施例12的抗老化劑僅採用水楊酸酯類抗老化劑，其他與實施例11相同。

以上實施例及對比例雙組分水性聚氨酯塗料的製備方法如下：

(1)組分A的製備方法：將水性羥基聚丙烯酸酯分散體、水性陰離子型聚丙烯酸酯分散體、消泡劑、流平劑、潤溼分散劑、防流掛助劑、附著力促進劑和水共混，攪拌10分鐘；再加入鈦白粉、體積填料高速攪拌35分鐘；加入生物環保防腐填料時跟鈦白粉和填料一起加入。

(2)組分B的製備方法：將溶劑加入親水改性脂肪族聚異氰酸酯固化劑中，充分攪拌均勻即可。本發明水性聚氨酯塗料使用時將組分A和組分B按質量比4：1的比例混合後塗敷即可。

性能測試：

按表3給出的測試方法測定實施例和對比例給出的塗料，以及塗覆對應塗料獲得的漆膜的性能；其中塗覆對應塗料的方法為噴塗施工，其中柔韌性、附著力、耐衝擊性的漆膜塗覆厚度為20-30μm，耐水、耐熱、耐鹽霧性的塗覆厚度為60-80μm。

表3性能測試指標和方法

實施例的性能測試結果見表4、表5。

表4實施例1-6及對比例1的性能測試結果

本發明實施例2在實施例1的基礎上添加了生物環保防腐填料，在更進一步的試驗中發現，實施例2的耐鹽霧性試驗要比實施例1延長了150個小時。

本發明實施例5與實施例6的不同點在於實施例5僅採用聚醚改性聚二甲基矽氧烷溶液消泡劑，實施例6採用聚醚改性聚二甲基矽氧烷溶液與不含有機矽的破泡聚矽氧烷和憎水固體在聚乙二醇中的混合物復配，在更進一步的試驗中發現，實施例6的耐鹽霧性試驗要比實施例5延長了50個小時，因為兩種消泡劑復配形成的漆膜更加緻密，防腐性能更好，可見兩種消泡劑復配效果更好。

表5實施例7-11及對比例2-3的性能測試結果

本發明實施例9、實施例10、實施例11的不同點在於實施例9的鈦白粉全部為納米級金紅石型鈦白粉，而實施例10全部為普通金紅石鈦白粉，實施例11為二者復配，在更進一步的試驗中發現，實施例11的耐鹽霧性試驗要比實施例9延長了45小時，比實施例10延長了70小時，人工加速老化時間比實施例9和實施例10延長了100多個小時，可見普通金紅石鈦白粉和納米級金紅石型鈦白粉復配效果更好。

本發明實施例11、實施例12的不同點在於實施例12的抗老化劑僅採用水楊酸酯類抗老化劑，實施例11採用水楊酸酯類與自取代丙烯酸酯類復配，在更進一步的試驗中發現，實施例11的人工加速老化時間比實施例12延長了70多個小時，可見水楊酸酯類與自取代丙烯酸酯類復配效果更好。

以上內容描述了本發明的基本原理和主要特徵，本發明不受上述實施例的限制，在不脫離本發明精神和範圍的前提下，本發明還會有各種變化和改進，這些變化和改進都落入要求保護的本發明範圍內。