低VOC 聚氨酯涂料的實(shí)現(xiàn)途徑及其應(yīng)用

中國(guó)新型涂料網(wǎng)訊：
    VOC（Volatile Organic Compounds）是指溶劑型涂料中可揮發(fā)的與人體接觸或吸入后可導(dǎo)致疾病的溶劑。聚氨酯涂料中常含有VOC。VOC 對(duì)人體的健康危害很大，它不但對(duì)皮膚具有侵蝕作用，而且對(duì)人體中樞神經(jīng)系統(tǒng)、造血器官、呼吸系統(tǒng)有刺激和破壞作用，可引起頭疼、惡心、胸悶、乏力、嘔吐等癥狀，嚴(yán)重時(shí)會(huì)抽搐、昏迷甚至死亡。全球每年因使用有毒化學(xué)溶劑型涂料而造成的環(huán)境破壞和人體傷害帶來(lái)的經(jīng)濟(jì)損失高達(dá)數(shù)百億美元。因此，世界上主要的涂料生產(chǎn)國(guó)紛紛出臺(tái)了限制VOC的排放污染法規(guī)。例如在國(guó)際上，按照歐共體生態(tài)標(biāo)產(chǎn)品——有關(guān)VOC限量的規(guī)定，人們家庭裝修使用最多的一類涂料是30 g/L，我國(guó)的涂料國(guó)家強(qiáng)制性標(biāo)準(zhǔn)《室內(nèi)裝飾裝修材料內(nèi)墻涂料中有害物質(zhì)限量》規(guī)定VOC不得超過(guò)200 g/L。因此，發(fā)展低VOC 聚氨酯涂料是聚氨酯涂料發(fā)展的方向。

低VOC聚氨酯涂料的實(shí)現(xiàn)途徑主要有三種：水性聚氨酯涂料、粉末聚氨酯涂、高固含量聚氨酯涂料。
    1. 水性聚氨酯涂料

    水性聚氨酯防水涂料可分為水溶性和水乳性兩大類別，水性聚氨酯分子內(nèi)部含有強(qiáng)親水基團(tuán)，能溶解于水或均一分散在水中形成乳液。

    水溶性聚氨酯的主劑（預(yù)聚體）由過(guò)量的多異氰酸酯類化合物，如甲苯二異氰酸酯（TDI）、六亞甲基二異氰酸酯（HDI）等與水溶性聚醚化合物在一定的溫度下，按一定的配比反應(yīng)制得的。水溶性聚醚有二元醇類聚醚、三元醇類聚醚、及其它醇類聚醚。二元醇類聚醚主要有：二羥端基聚環(huán)氧乙烷、二羥端基聚環(huán)氧丙烷嵌環(huán)氧乙烷等；三元醇類聚醚主要有：三羥端基聚環(huán)氧乙烷、三羥端基聚環(huán)氧丙烷嵌環(huán)氧乙烷等。

    制造水分散型聚氨酯樹(shù)脂乳液的第一步與常規(guī)溶劑型多異氰酸酯預(yù)聚物一樣，也是二元醇（封端的聚醚或聚酯樹(shù)脂等）與二異氰酸酯反應(yīng)，只是同時(shí)加入帶有-COOH的單體，如二羥甲基丙酸（DMPA），形成了側(cè)鏈上有-COOH的端-NCO預(yù)聚物。第二步以叔胺（三乙胺）中和-COOH，形成親水的季銨鹽，并加入二元胺擴(kuò)鏈，同時(shí)在水中強(qiáng)烈攪拌而進(jìn)行乳化，這種分散體，在pH>7是穩(wěn)定的。也可以用聚乙二醇代替DMPA，在預(yù)聚物中植入親水鏈段，再擴(kuò)鏈、乳化，形成非離子型水分散體，穩(wěn)定性更好。

    水性聚氨酯涂料大大減少VOC，接近環(huán)境友好型涂料。它的分子結(jié)構(gòu)和大小，根據(jù)性能可在較大范圍內(nèi)調(diào)節(jié)；與其它乳膠涂料相比低溫成膜性好，不需要成膜助劑，也不需要增塑劑，一般不需要外加乳化劑或分散劑；涂膜對(duì)塑料、木材、金屬、混凝土等表面的附著力好，且抗磨性、耐沖擊性好；容易通過(guò)交聯(lián)反應(yīng)進(jìn)行改性，以提高耐溶劑性和抗化學(xué)性，也可提供高光澤涂膜，以及對(duì)顏料的良好適應(yīng)性。由于水分散體系聚氨酯涂料具有上述的突出優(yōu)點(diǎn)，它的應(yīng)用領(lǐng)域非常廣泛。

    粉末聚氨酯涂料的主要成膜物質(zhì)是羥基聚酯，用固化劑來(lái)進(jìn)行交聯(lián)，通常還加入一定的固化催化劑和安息香流平劑以及顏料填料。固化劑是將多異氰酸酯進(jìn)行自聚，然后將活性官能團(tuán)-NCO封閉后得到的，一定條件下會(huì)發(fā)生解封反應(yīng)；異氰酸酯R-N=C=O，具有兩個(gè)雜積累雙鍵，非�；顫�，極易與其它含活潑氫化合物ROH、R''COOH、R'''NH2、R'''-NH-R-OH等反應(yīng)，同時(shí)它本身可以二聚或三聚。異氰酸酯是一種毒性較大的化學(xué)品，在合成過(guò)程中常用己內(nèi)酰胺、酚類等來(lái)對(duì)異氰酸酯端基進(jìn)行封閉。異氰酸酯的封閉與解封是一方向反的可逆反應(yīng)，用辛酸亞錫、二丁基二月桂酸錫等有機(jī)錫化合物，以及膦類、胺類、季銨鹽等均可對(duì)該可逆反應(yīng)起催化作用

    粉末聚氨酯涂料的性能主要是由基料決定的。作為聚氨酯涂料基料的含羥基聚酯主要有PG333羥基聚酯樹(shù)脂、Vralac P 4215、Crylcoat E 2392、Vralac P 2504。將基料與固化劑配合，加入流平劑、安息香、鈦白粉、助劑，即可制備粉末聚氨酯涂料。這種粉末涂料在加熱烘烤過(guò)程中依靠羥基聚酯樹(shù)脂中的羥基與固化劑成分中所含異氰酸酯基的交聯(lián)反應(yīng)來(lái)實(shí)現(xiàn)成膜的，成膜的結(jié)果是在膜層中含有大量的氨基甲酸酯鍵。熱固性聚氨酯粉末涂料，由于其涂膜耐磨性能特別強(qiáng)，附著力又好，具有良好的耐候性、防腐性、電性能和機(jī)械性能。

    粉末聚氨酯涂料已在家電、空調(diào)、建材、航空、汽車部件和摩托車部件中得到廣泛應(yīng)用。德國(guó)的BASF公司已將該涂料體系用于汽車車身和窗框；美國(guó)也準(zhǔn)備將其應(yīng)用于要求高抗沖擊的車輛上；濟(jì)南輕騎發(fā)動(dòng)機(jī)廠使用粉末聚氨酯涂料，采用高壓靜電噴涂技術(shù)對(duì)發(fā)動(dòng)機(jī)鋁合金箱體進(jìn)行涂裝，經(jīng)過(guò)幾年的生產(chǎn)，已經(jīng)取得突破性進(jìn)展。

    高固含量聚氨酯涂料可以通過(guò)降低粘合劑的粘度、用活性稀釋劑代替溶劑和采用自交聯(lián)異氰酸酯體系等手段來(lái)降低涂料中的VOC。

    因?yàn)榘椿瘜W(xué)計(jì)算的NCO/OH 的比率和需要得到一定的交聯(lián)密度，雙組分包裝的聚氨酯涂料，通常含有70 %的聚醇組分。因此在噴涂粘度時(shí)，聚氨酯涂料所需的溶劑量主要取決于聚醇的粘度。

    3.2 用活性稀釋劑代替溶劑
    另一個(gè)降低VOC的方法是用活性稀釋劑來(lái)代替部分溶劑�；钚韵♂寗┲饕�是含有（封端的）活H基低粘度化合物。作為在交聯(lián)反應(yīng)中共同的反應(yīng)物，活性稀釋劑主要起兩個(gè)方面的作用：① 降低配方的粘度；② 活性稀釋劑與固化劑組分反應(yīng)后呈非流動(dòng)性物質(zhì)。

    自交聯(lián)異氰酸酯技術(shù)突破了上述只能使固含量提高到70 %的界限。自交聯(lián)異氰酸酯是在同一個(gè)分子內(nèi)，同時(shí)含有異氰酸酯和聚醇，通常由以下3個(gè)組分組成：① 二異氰酸酯；② 含有活性H的多官能團(tuán)化合物；③ 保護(hù)基。自交聯(lián)異氰酸酯是低粘度含有-OH(或-NH)和-NCO的雙官能團(tuán)樹(shù)脂，在解封后，它可以進(jìn)行自交聯(lián)反應(yīng)。

    由于高固含量的聚氨酯涂料具有優(yōu)異的物理和化學(xué)性能——光澤度高、硬度高、UV 穩(wěn)定性好、耐化學(xué)腐蝕性強(qiáng)、附著力強(qiáng)等，高固含量的聚氨酯涂料已經(jīng)成為非常重要的外用涂料。通常可以用作建筑物的外墻涂料、汽車外表的噴涂涂料、高檔家具涂料、家用電器的保護(hù)涂料、輪船船艙內(nèi)用涂料、化工防腐涂料、電器絕緣涂料等。