史立平   孔志元   何庆迪

（中化建常州涂料化工研究院213016）

摘要：采用自制含羟基乳液，制备出性能优异的水性双组分聚氨酯木器涂料，对催干剂和异氰酸酯固化剂的选用作了探讨。

关键词：水性木器涂料；聚氨酯；双组分

中图分类号：TQ 630.7文献标识码：A文章编号：1009-1696（2008）11-0004-04

0 引言

随着环保法规的日趋严格，以及人们环保意识的逐渐增强，低污染和低毒性的水性木器涂料受到人们的关注，近年来在我国已经有了较大发展。目前国 内销售的水性木器涂料主要为单组分类的，其耐化学 品性、硬度、丰满度等性能与溶剂型木器涂料相比还有较大差距，人们期待着既环保而性能又十分优异的 水性木器涂料的出现。水性双组分聚氨酯木器涂料主要由异氰酸酯固化剂和含羟基的水性树脂组成，成膜时，固化剂中的—NCO和树脂中的—OH发生化学交联反应，生成不溶不熔的空间网状结构，赋予涂膜优异的性能，可与溶剂型聚氨酯涂料相媲美，而它与单组分水性木器涂料一样具有较低的VOC含量，因而已成为当前水性木器涂料开发的重点及发展方向。

本文使用自制的含羟基乳液，制备了性能优异的适用于木器家具表面涂装的水性双组分聚氨酯木器涂料，重点讨论了水性异氰酸酯固化剂及催干剂对涂料性能的影响。

1.羟基组分的制备

在制备水性双组分聚氨酯木器涂料的羟基组分时，需考虑下列助剂［1］：

（1）助溶剂：作用是帮助成膜、防冻及延长涂膜的开放时间以利于流平，通常为一些高沸点的有机溶剂。常见品种有丙二醇甲醚醋酸酯、混合二酸酯，如 DEE和DBE、十二酯醇等。

（2）润湿流平剂：作用是降低体系的表面张力，提高体系对基材的润湿性，改善涂膜的表面效果，选用时也需考虑其容易起泡的特性。常见牌号有 H-140、EFKA LP-7022、Tego-wet270等。

（3）消泡剂：作用是防止和消除生产和施工过 程中产生的气泡，也有助于排除体系在固化过程中 产生的CO2，正确选用消泡剂至关重要。常用品种有 Foamstar A系列，Tego Foamex系列，BYK系列等。

（4）增稠剂：作用是提高一次施工干膜厚度，提 高丰满度，改进刷涂施工性，也可以有效防止消光粉 的沉降。常见牌号有TT-935、SN-612、R-288等。

（5）杀菌剂：作用是防止涂料及涂膜发霉，应 注意选用低毒或无毒的品种，还应注意其与体系的匹 配性，不应产生絮凝等不良现象。常见牌号有XL-2、 LXE等。

（6）消光粉：作用是降低涂膜的光泽，应选取分散性好、消光效果好、不容易沉降且对涂膜透明性影响小的品种，常见牌号有OK412、TS100、W300等。 上述助剂的选用与单组分水性木器涂料相类似，在此不再详细讨论。本文主要就水性双组分聚氨酯涂料特有的催化剂及异氰酸酯固化剂组分进行讨论。

2.催化剂的选用

溶剂型双组分聚氨酯涂料常用的催化剂为二月桂酸二丁基锡，若直接在水性体系中加入，不但会使涂膜产生缩孔，而且催干效果不好。目前已有国外公司 将其乳化，可在配漆时直接加入，表1是该催化剂的用量试验。

由表1可以看出：催化剂的使用缩短了涂料的施工时限和涂膜干燥时间，这是由于催化剂的加入缩短了—NCO反应的诱导期，加快了—NCO的反应速度， 因而涂料的施工时限缩短，涂膜的干燥加快。由表1还可以看出：涂膜硬度与催化剂的加量无关，即使不加入催化剂，7 d后的涂膜中—NCO也已基本反应完全，催化剂的加入只是提高了—NCO的活性，缩短了反应时间［2］，对涂膜的硬度没有影响。综合考虑，催化剂的加量为0.3%即可。

3.异氰酸酯固化剂的选择

传统的溶剂型双组分聚氨酯用异氰酸酯固化剂与水性树脂的极性差别大，在低速搅拌条件下，极易发生相分离的现象。为了解决两组分的均匀混合问 题，德国拜耳公司开发了一种连续式双组分涂料喷涂设备，其工作原理是采用高能量将多异氰酸酯粘度降低，再通过特定的装置，先将其剪切成粒径为 0.5~1μm的水分散液，再与水性树脂混合均匀。强力分散涂装技术可直接使用溶剂型双组分聚氨酯用异氰酸酯固化剂，因而具有原材料来源丰富、成本较低的特点。但是由于这些异氰酸酯中的—NCO反应活性较大，加入水性羟基树脂后，与水的反应速度更快，会瞬时生成脲，将异氰酸酯外层包覆成壳状物，丧失活性，涂膜经常出现严重的发雾现象，往往仅限用于亚光漆中［3］。

经亲水改性的异氰酸酯，无需使用特殊的高剪切设备就能分散得很好，粒径能达到100 nm以下，容易 与水性羟基树脂混合均匀，涂膜光泽较高，目前该类 异氰酸酯已成为水性双组分聚氨酯涂料中主要的交联固化剂品种。异氰酸酯对涂膜的性能影响极大，本文选取了市售的A、B、C、D 4种亲水改性的异氰酸酯固化剂进行试验。表2为4种水性异氰酸酯固化剂的主要技术指标。

3.1水性异氰酸酯固化剂对涂料性能的影响

3.1.1对施工固体分的影响

将表2中的各种水性异氰酸酯固化剂按NCO含量 折合，—NCO/—OH=1.2∶1，并用水稀释至相同粘度， 测取各混合体系的固体分，结果列于表3。

由表3可知：A、B固化剂配制的涂料的施工固体分明显低于C、D固化剂配制的涂料，可能是前二者的亲水改性比后二者大，其亲水性强，稀释至同一粘度 需更多的水，用固化剂A、B配制的涂料1道涂刷的干膜厚度薄。

3.1.2分散速度的选择

在配制溶剂型聚氨酯涂料时，异氰酸酯固化剂无论是在搅拌下加入还是瞬时加入羟基组分后再搅拌， 两组分均能充分混合均匀，因此涂膜的性能相差不 大。但水性异氰酸酯固化剂加入到羟基组分的过程也是被乳化分散的过程，乳化分散效果对涂料的性能有较大影响。按—NCO/—OH=1.2∶1进行配比，测试在 不同转速下加入水性异氰酸酯固化剂对涂膜外观及光泽的影响，结果见表4。

由表4可知：在加入后再手动搅拌时，固化剂A、B能与羟基组分混合均匀，因而涂膜光泽较高。而固化剂C、D因为亲水性差，不能被羟基组分很好分散，两组分混合效果差，故涂膜光泽较低。随着分散转速 的提高，在剪切力的作用下，异氰酸酯能被羟基组分乳化分散得更细，—NCO与—OH能充分发生交联反应，涂膜光泽提高。但随着分散转速的进一步提高，涂膜的光泽又有所下降，这可能是由于在高剪切力作用下，固化剂的粒径过小，与水的接触面积相对增大，引起—NCO与水之间的副反应，生成脲，而脲与氨基甲酸酯的相容性不好，影响了涂膜透明度，从而影响了光泽，因而分散速度以500 r/min为宜。

由该试验可知，若需高光涂膜，只有选取固化剂A、B，它们也可用于没有机械搅拌的场合，比如家庭DIY装修。若为亚光水性双组分聚氨酯涂料时则可选 取固化剂C、D。

3.1.3对涂膜性能的影响

按—NCO/—OH=1.2∶1进行配比，采取机械搅拌在羟基组分中加入水性异氰酸酯固化剂，搅拌速度500 r/min，性能对比结果见表5。

由表5可以看出：固化剂C、D比固化剂A、B制备的涂料的干燥时间短，硬度高，而光泽要稍低一些，其它物理机械性能和耐化学介质性相差不大。综合考虑性能和固化剂的价格及产品易得情况，本试验选用B作为亮光涂料的固化剂，选用C作为亚光涂料的固化剂。

3.2—NCO/—OH配比的影响

以固化剂B为例，按照—NCO/—OH不同比例将固化剂和羟基组分混合均匀，检测涂膜性能，结果见表6。

表6表明：随着—NCO/—OH比例增大，涂膜表 干时间延长。—NCO/—OH比例为1.4时涂膜光泽有所 下降，这是由于较多量的—NCO与水发生反应，生成 了脲，影响了光泽。随着—NCO/—OH比例增大，涂膜 中氨基甲酸酯键增加，提高了涂膜交联密度，因此涂 膜的耐化学介质性、硬度、抗粘连性、耐干热性均得 到提高。—NCO/—OH比例过大，会使涂料的使用成 本增大，较适宜的—NCO/—OH配比为1.2。

4.性能对比

采用自制的AHE-Y801含羟基乳液配制亮光涂料，以异氰酸酯B为固化剂；自制的HAE-120含羟基乳液配制亚光涂料，以异氰酸酯C为固化剂，与国外水性羟基树脂样品配制的涂料及溶剂型聚氨酯木器涂料进行了性能对比，结果见表7。

由表7可以看出：采用自制的含羟基乳液制备的水性双组分聚氨酯木器涂料干燥速度快，硬度高，耐化学介质性好，抗粘连性、耐干热性优，溶剂含量低，与国外样品性能相当，主要性能基本达到了溶剂型聚氨酯木器涂料的水平。

5.结语

本文采用自制含羟基乳液制备了水性双组分聚氨酯木器涂料，主要考察了催化剂和异氰酸酯固化剂对 涂料性能的影响。结果表明：催化剂用量越大，涂料 的施工时限越短，涂膜的干燥越快，但对涂膜的最终硬度影响不大，催化剂加量以0.3%较为合适。水性异氰酸酯固化剂品种对涂料性能的影响极大，亲水改性程度大的固化剂可采用手动分散，涂膜的光泽高，但干燥速度慢、硬度低；随着水性异氰酸酯固化剂分散速度的加快，涂膜的光泽先升后降；—NCO/—OH配 比增大，涂膜表干时间延长，但耐化学介质性、硬度、抗粘连性、耐干热性均得到提高。综合考虑，亮光涂料选用固化剂B、亚光涂料选用固化剂C、分散速度 500 r/min、—NCO/—OH为1.2，由此制备出的水性双组分聚氨酯木器涂料性能优异，完全能满足木器涂装和装饰保护的要求。

对于水性木器涂料来说，水性双组分聚氨酯木器涂料还是一个崭新的品种，在研究、生产、施工中都会遇到一些新问题，还需要涂料工作者不断去完善。水性异氰酸酯固化剂至今还不如溶剂型木器涂料用异氰酸酯固化剂产品成熟完善，市售价格还较高，成为制 约水性双组分聚氨酯木器涂料应用和发展的瓶颈，但 无论如何，水性双组分聚氨酯木器涂料凭借其优良性能及环保优势必将成为未来木器涂料发展之主流。

参考文献

1.史立平，孔志元，等.浅谈水性木器漆的配方设计［C］.第二届环保 型水性涂料及树脂技术研讨会，2003

2 .Feng X，Dvorchak M D，Hudson K E，et al.New High Perfomate Two Component Wood Coatings Comprised of a Hydroxy Functional Acrylic

Emulsion and a Water Dispersible Polyisocyanate［J］.Journal of Coatings Technology，2000，72（902）：63-69

3 .Wicks Z W，Wiks D A，Rosthauser J W.Two Package Waterborne

Urethane Systems［J］.Progress in Organic Coatings，2002（44）： 169-183