水性双组分聚氨酯技术以及在汽车涂料中的应用

      拜耳公司在 20 世纪 90 年代申请了双组分水性聚氨酯的专利，并开始持续开发高性能和更易施工的原材料。目前，双组分聚氨酯涂料的性能已经和溶剂型双组分聚氨酯涂料相媲美，在欧美的汽车涂料市场已经占有一定的市场份额。低温烘烤型水性双组分聚氨酯涂料主要是基于水性含羟基丙烯酸树脂，水性含羟基聚酯树脂和水可分散多异氰酸酯树脂。

1. 水性含羟基树脂

      水性含羟基树脂是通过相应的单体在合适的溶剂中聚合而制得，然后将中和胺和水加入到该溶剂中，形成分散体。

2. 水可分散多异氰酸酯

      在双组分水性聚氨酯体系中，需要使用水可分散的多异氰酸酯。目前，水可分散的多异氰酸酯有两种类型：(1) 疏水性低黏度的多异氰酸酯；(2) 亲水改性的自乳化的多异氰酸酯。

(1) 疏水性低黏度的多异氰酸酯

      疏水性低黏度的多异氰酸酯也是由二异氰酸酯经过化学反应生成的。疏水性低黏度的多异氰酸酯的产品有脲二酮多异氰酸酯、脲基甲酸盐多异氰酸酯、异构化三聚体和三聚体。它们的化学结构见图 1。

      然而低黏度疏水性多异氰酸酯，必须要伴随着使用合适的有机共溶剂，并在高剪切力(如使用搅拌或分散设备)下，才能分散在水分散体中。它们在手搅拌和高速分散条件下的分散情况见图 2。

(2) 亲水改性的自乳化的多异氰酸酯

      亲水改性的 HDI 型多异氰脲酸酯乳化剂(理想结构)见式(1)~(3)。亲水改性的自乳化的多异氰酸酯是由多异氰酸酯经过亲水改性而得到的。脂肪族多异氰酸酯如 HDI 或IPDI 三聚体，与聚醚醇简单反应，生成含有聚醚氨基甲酸酯型非离子性乳化剂的多异氰酸酯混合物见式(1)结构。这样，亲水改性的多异氰酸酯易于用手乳化于水中，而勿需施加高剪切力。

      然而，通过用聚醚醇进行氨基甲酸酯化，进行多异氰酸酯的化学亲水改性，常导致异氰酸酯平均官能度降低，因而得到的漆膜具有较低的交联密度，使其具有较低的耐化学品性。一个改进的方法是每个亲水聚醚醇与两个多异氰酸酯分子交联反应，见式(2)乳化剂结构，这样可以提高多异氰酸酯官能度。而少量聚醚醇足以使这些产品达到规定的分散性，含有聚醚脲基甲酸酯乳化剂的亲水改性多异氰酸酯产生的漆膜，与上述由标准型交联剂得到的漆膜相比，具有更好的耐水性和耐化学品性。

      

      尽管聚醚改性的多异氰酸酯的应用已被广阔市场接受，但它们被用作水性双组分聚氨酯涂料的交联剂时，需要较高聚醚含量，才能确保足够的分散性，这就导致相当长的干燥时间，且赋予涂料的漆较强的亲水性。正是由于这些原因，聚醚醇改性多异氰酸酯用于要求高抗耐性能的应用稍嫌不足(如在汽车底漆或防涂鸦涂料中的应用)。这点可通过特殊离子化改性多异氰酸酯的开发而得以克服。

      脂肪族多异氰酸酯与 3-(环己胺基)-1-丙烷磺酸(CAPS)，在温和条件和叔胺中和剂存在下反应，可以得到磺酸盐改性的多异氰酸酯交联剂，见式(3)结构。

      CAPS 改性的多异氰酸酯具有很好的贮存稳定性，即使含有较少的磺酸盐基团时，也可在水中得到分散很好的乳液。已经有很多市场化的产品，可用于各种环境友好的高质量水性双组分聚氨酯涂料配方中，这些涂料在干燥、固化和化学耐性方面，完全可以达到溶剂型涂料的性能。如果新法规要求进一步降低 VOC，将来这些交联剂用量必将大增，因与溶剂型涂料相比，它们不会导致漆膜质量下降。

      而采用亲水改性的多异氰酸酯，借助简单的手动搅拌，即可获得不含共溶剂的基料与交联剂的均匀混合物。它们的分散情况见图 3。

3. 水性双组分低温烘烤型聚氨酯涂料的性能

      水性双组分聚氨酯涂料主要用于不能高温烘烤的大型交通工具，比如公共汽车、重卡等。这些车辆对涂料的防腐性、耐候性、耐化学品性、硬度和外观等都有非常高的要求。下面的一些测试基于拜耳公司的 Bayhydrol A 系列羟基丙烯酸树脂和Bayhydur 系列水可分散多异氰酸酯原材料，主要测试双组分水性聚氨酯底漆和双组分水性面漆的性能。表 1 列出了双组分水性聚氨酯底漆的性能，实验条件 GB/T 9278，表 2 列出了双组分水性聚氨酯白色面漆的性能。

4. 低温烘烤型水性双组分聚氨酯涂料的应用

      目前的水性双组分聚氨酯涂料的技术已经相当成熟，性能和双组分溶剂型聚氨酯涂料接近，可以达到车用涂料的要求。水性双组分聚氨酯涂料在欧美占有相当的市场份额，在中国已经有商业化的产品出现。但是必须认识到，水性双组分聚氨酯涂料的施工要比溶剂型双组分聚氨酯涂料要苛刻。

5. 结语

      相对于溶剂型聚氨酯涂料，水性聚氨酯涂料的 VOC 可以降低 70%以上。水性聚氨酯涂料完全可以满足车用涂料的要求，根据施工工艺和性能的要求，可以选用高温烘烤型单组分聚氨酯涂料或者低温烘烤型水性双组分聚氨酯涂料作为环保型汽车涂料来进行涂装。