低VOC 聚氨酯涂料的實(shí)現(xiàn)途徑及其應(yīng)用

中國新型涂料網(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 對人體的健康危害很大，它不但對皮膚具有侵蝕作用，而且對人體中樞神經(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)重時會抽搐、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)國紛紛出臺了限制VOC的排放污染法規(guī)。例如在國際上，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，我國的涂料國家強(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脂等）與二異氰酸酯反應(yīng)，只是同時加入帶有-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，一定條件下會發(fā)生解封反應(yīng)；異氰酸酯R-N=C=O，具有兩個雜積累雙鍵，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，在合成過程中常用己內(nèi)酰胺、酚類等來對異氰酸酯端基進(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程中依靠羥基聚酯樹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。德國的BASF公司已將該涂料體系用于汽車車身和窗框；美國也準(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)動機(jī)廠使用粉末聚氨酯涂料，采用高壓靜電噴涂技術(shù)對發(fā)動機(jī)鋁合金箱體進(jìn)行涂裝，經(jīng)過幾年的生產(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，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
    另一個降低VOC的方法是用活性稀釋劑來代替部分溶劑�；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分子內(nèi)，同時含有異氰酸酯和聚醇，通常由以下3個組分組成：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�？梢杂米鹘ㄖ�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。