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关于水性聚氨酯塑料涂料研究进展

http://www.coatings.hc360.com2015年03月18日08:42 来源:中国防腐涂料网T|T

    慧聪涂料网讯:

张凡,杨建军,吴庆云,张建安,吴明元

    (安徽大学化学化工学院安徽省绿色高分子材料重点实验室,合肥230601)

    摘要:塑料是一类具有可塑性的合成高分子材料,与其他材料相比较,因具有质量轻、化学稳定性和电绝缘性能优良等特点而得到广泛应用。但是,塑料本身耐紫外光等环境老化性不够理想,在加工成型过程中表面也常产生各种缺陷,因此需要进行表面涂饰。本文介绍了塑料用水性聚氨酯涂料的研究进展,并对其未来的发展做出了展望。

    关键词:塑料制品;水性聚氨酯;涂料

    0·引言

    随着塑料工业的迅速发展,塑料制品广泛应用于各行各业,成为国民经济和国防建设不可缺少的重要材料之一。但是,塑料本身耐紫外光等环境老化性不够理想,在加工成型过程中表面也常产生各种缺陷,因此需要进行表面涂饰,以赋予塑料特殊的颜色或一定的光泽,并遮盖塑料表面的瑕疵,使它拥有更吸引人的外观[1-2]。

    塑料涂料包括普通塑料涂料和工程塑料涂料。用于聚苯乙烯制品、聚酯薄膜制品、有机玻璃制品等普通塑料时,可赋予其耐摩擦、不易划伤等性能;用于汽车部件、器械等金属化的工程塑料(如酚醛制品、ABS制品)时,可赋予其高硬度、不易划伤、高光泽、美观等性能;用于塑料地板,如聚氯乙烯地板等,可赋予其不易划伤、耐磨、低光泽、美观等性能[3]。

    1·聚氨酯涂料

    聚氨酯涂料具有耐侯性好、保光性好,色泽稳定性好,耐腐蚀、耐酸雨,低温施工性好,涂层可复涂性好,易修复、涂层柔韧性好并具有优良的延展性、耐冲击性和抗震动效果等优势性能[4],因此在塑料涂料方面得到了广泛的应用。鉴于对环保和资源的要求,促进了涂料工业向以水性涂料、高固体分涂料、光固化涂料和粉末涂料等为代表的低毒、环保型涂料的方向发展,其中最重要的是水性涂料。虽然塑料用涂料仍以溶剂型为主,但是水性涂料的市场会随着环保法规的日益严格和自身技术逐渐完善而不断上升。高性能与低VOC含量的塑料用水性聚氨酯涂料是一种环保型涂饰材料,具有广阔的应用前景[5-7]。本文主要介绍了传统塑料用水性聚氨酯涂料以及改性和功能型聚氨酯涂料。

    塑料制品种类繁多,性能各异,由于不同塑料基材的分子结构和表面极性相差很大,因此不同的塑料基材要选用不同的涂料体系[8]。而水性聚氨酯具有无污染、耐磨、耐腐蚀、软硬度可调等众多优点,性价比较高[9]。

    1.1 传统单组分水性聚氨酯涂料

    林晓琼等[10]选用能赋予涂膜柔软触感的水性聚氨酯为成膜物质,研究了消泡剂、硅烷偶联剂、弹性粉、蜡分散体、氮丙啶交联剂和增稠剂等助剂的类型和用量对涂膜附着力、耐水性、耐划伤等性能的影响,制备了一种手感柔滑、光泽柔和、耐划伤性能好、附着力优异的水性ABS塑料涂料。

    姜守霞等[11]探索了水性聚氨酯的合成工艺,合成出水性聚氨酯分散体,并通过引入环氧树脂E-20,内交联剂三羟甲基丙烷(TMP),采用小分子扩链剂BDO(1,4-丁二醇)等,进行乳液共聚合等手段,达到对水性聚氨酯结构的交联改性,从而得出了合理配方及适宜的反应条件。当E-20含量6.0%~8.0%(质量分数,下同);亲水扩链剂2,2-二羟甲基丙酸(DMPA)加入量7.0%~8.0%;扩链剂乙二胺(EDA)用量1.0%;中和度90%~100%时;乳液性能最佳。

    国内生产的油墨中,以丙烯酸树脂为基料的水性油墨与塑料的附着力差,只适合于纸商标与纸箱包装方面,对其工艺改进以克服水性油墨弊端的研究很少,为适应塑料印刷的需要,万婷[12]以聚酯(PBA)、小分子醇、二羟甲基丙酸(DMPA)、异佛尔酮二异氰酸酯(IPDI)为原料,采用先乳化后扩链的合成方式制得阴离子型聚氨酯水乳液,研究了改变二异氰酸酯基与羟基的物质的量比、DMPA质量百分比含量等配比,对黏度、硬度、表观等综合性能产生的影响,结果表明:当异氰酸酯基(—NCO)/羟基(—OH)的物质量比为1.8,n(PBA)/n(小分子醇)为0.67~1.0,DMPA质量分数为4%,选择扩链剂为乙二胺(EDA),扩链剂质量分数为0.8%时,所合成的脂肪族水性聚氨酯具有附着性好、透明度高、黏度低等特点,符合塑料印刷油墨的要求。

    1.2 双组分聚氨酯涂料

    王玉香等[13]合成了阳离子型羟基丙烯酸酯树脂分散体(A组分),其与多异氰酸酯固化剂(B组分)配制的双组分水性聚氨酯涂料可用于ABS、PC/ABS、PC、PVC等塑料制件的表面涂装。研究了甲基丙烯酸-N,N-二甲氨基乙酯(DMAEMA)、丙烯酸羟乙酯(HEA)用量,硬单体甲基丙烯酸甲酯与软单体丙烯酸丁酯(MMA/BA)的质量比及A、B组分(—NCO/—OH)物质的量比对聚氨酯涂膜性能的影响,采用FT-IR(红外光谱)和DSC(差示扫描量热法)对固化膜结构进行了表征。结果表明:DMAEMA用量为5%,HEA用量为15%,m(MMA)/m(BA)=2,n(—NCO)/n(—OH)=1.2~1.4可得到力学性能、耐水性、耐化学品性优秀的涂膜。

    宋亮等[14]以丙烯酸树脂和高丁酰基含量醋丁纤维素(CAB)为成膜物质,TDI型多异氰酸酯为固化剂,制备了一种快干耐划伤双组分聚氨酯涂料。研究表明,醋丁纤维素的加入有助于提高涂料的硬干速率,在该涂料体系中添加漆料总量2%的玻璃粉和3%的醋丁纤维素可将漆膜的硬干时间缩短至5min以内。各项性能测试表明,该涂料具有固化温度低、硬干时间短、耐划伤效果好、耐腐蚀性能优异等特点,适用于内含塑料件或液压油,且需人工实现喷涂面翻转的工件的涂装。

    瞿金清等[15]采用三羟甲基丙烷(TMP)为扩链剂合成具有交联结构的水性聚氨酯分散体多元醇,与多异氰酸酯固化剂组成双组分水性聚氨酯涂料。研究发现双组分涂膜的机械性能和外观是由合成的水性聚氨酯多元醇的扩链剂(TMP)含量、中和度、中和工艺和双组分涂料的配比等决定的。当扩链剂含量为2%~4%,中和度为100%,n(—NCO)∶n(—OH)=1.0~1.2时,所得双组分水性聚氨酯涂膜外观好,快干、硬度高,施工方便。

    2·改性聚氨酯塑料涂料

    聚氨酯链段中因含有强的极性基团—NCO、—OH以及脲基等,此外分子间能形成氢键及范德华力,有较高的内聚力,所以对极性塑料表面具有很好的附着力。但对于非极性的PE、PP等表面张力很小的塑料,聚氨酯则很难在基材表面附着,需要对塑料进行表面改性或者在聚氨酯树脂上接枝上化学性质、表面张力和溶解度参数与这些非极性树脂相似的链段,或者与其他种类的涂料复合使用,使其可使用在聚碳酸酯、ABS、聚丙烯、聚苯乙烯等非极性塑料表面,作为底涂、面涂等[16]。

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