沈剑平，郑俊超，杨玲，李金旗
（科思创聚合物（中国）有限公司，上海201206）
摘要：探讨了羟基丙烯酸分散体、亲水改性聚异氰酸酯固化剂、蜡助剂、耐磨填料等因素对双组份水性聚氨酯涂料面漆的硬度、耐磨性和抗划伤性的影响;介绍了双组份水性聚氨酯地坪漆在中国的应用。
关键词：双组分水性聚氨酯 耐磨 抗划伤 地坪面漆
0 引言
现代化的生产和生活空间里，地坪涂装被认为是建筑物保护和装饰必不可少的措施。作为承载车辆通行和人员活动的直接接触层，地坪涂料首要的功能是吸收和分散静态和动态载荷，因此漆膜必须具备足够的机械强度和动态强度（包括抗冲击性、耐磨性、裂缝架桥性等）， 此外还需要满足使用者的其他需求，例如：耐化学品性、防滑性、易清洗和装饰功能。近年来， 地坪涂料技术的发展体现出3 个方面的趋势：其一，更加注重环保，突出涂料产品的低VOC、低气味；其二，优化施工性能，提高涂料施工中对环境条件的容忍度；其三，进一步提高漆膜机械性能，比如，近年来流行的“超耐磨”地坪面漆的概念正反映出市场对地坪漆在硬度、耐磨性和抗划伤性等多个技术指标上的高要求。优异的地坪面漆，需要在外物磨损的情况下，实现尽可能低的磨耗量，并弱化漆膜表面的划痕、光泽变化或其他缺陷的产生。
双组份水性聚氨酯地坪涂料的技术特点与上述市场发展趋势相吻合。多元醇分散体（通常是羟基丙烯酸分散体）和亲水改性的聚异氰酸酯固化剂构成了该类涂料的成膜物，通过交联固化反应而生成三维网络结构的热固性涂膜。由于氨酯键具有较高的化学键能，并且氨酯基团之间形成的氢键结构可以进一步提高网络结构的稳定性，使得双组份水性聚氨酯涂层的耐磨性、抗划伤性、硬度和柔韧性得以兼备。针对市场所需，本研究以优化双组份水性聚氨酯地坪面漆的“超耐磨”特性为研发目标，在实验评估方法设定、配方原材料优选等方面开展了一系列工作。
1 实验评估方法的建立
从地坪涂料的实际要求出发，本研究对漆膜的铅笔硬度、耐磨性和抗划伤性3 个性能进行测试来综合评判地坪涂料的“超耐磨”性能。
本研究相关测试项目所采用的试验基材符合GB/T 9271 的规定。铅笔硬度测试依据国标GB/T 6739《色漆和清漆铅笔法测定漆膜硬度》；耐磨性测试依据国标GB/T 1768 《色漆和清漆耐磨性的测定旋转橡胶砂轮法》，并选定CS10 砂轮，1 000 g 加载及500 循环作为本次实验的条件。抗划伤性测试本研究参考了GB/T 22374—2018《地坪涂装材料》中相关规定，并结合科思创公司内部标准测试方法（Hammer test）进行测试，具体操作方法是：在标准涂料测试板上，加载900 g 的测试锤， 以0000 号标准钢丝绒作为摩擦介质，来后10 次循环测试后，测定漆膜表面光泽并计算光泽保留率，当保留率越接近100%时，说明抗划伤性越好。光泽保留率（60°）= （测试后光泽/测试前光泽）×100%.
2 实验内容和结果分析
在地坪涂料配方里有诸多因素会对“超耐磨”性能产生影响，比如：化学成分，聚合物链段结构、分子链排布方向、表面能、表面性状等等。为优化配方，本研究分别对羟基丙烯酸分散体、聚异氰酸酯固化剂、蜡助剂、耐磨填料等双组份水性聚氨酯涂料主要的构成成分进行试验评估。
对一系列羟基丙烯酸分散体和亲水改性的聚异氰酸酯固化剂的评估是基于典型的双组份水性聚氨酯色漆地坪配方来开展的[5]。颜料体积浓度（PVC）设定为（6.5±0.5）%， NCO/OH 的摩尔比设定为1.7∶1，过量的聚异氰酸酯固化剂是为了补偿NCO 和水的副反应而产生的损失。
2.1 羟基丙烯酸分散体的筛选
制备双组份水性聚氨酯涂料可供选择的羟基丙烯酸分散体， 根据不同的合成路径可分为初级分散体和次级分散体。两者相比，初级分散体往往具有较大的相对分子质量，产品供应形式中不含共溶剂，更容易实现消光，是建筑涂料中的常用品种。次级分散体一般为中等相对分子质量，并且共溶剂含量大概在1.5％ ~ 10％的范围，优选的次级分散体搭配固化剂使用，有机会得到一些性能极为优异的漆膜。本研究选择了8 种不同羟基含量的羟基丙烯酸分散体进行评估， 包括了初级分散体和次级分散体，具体参数见表1。
实验考察了不同羟基分散体在色漆中所呈现出来的铅笔硬度、耐磨性和抗划伤性， 具体结果如表2所示。从测试结果可以看出，大部分涂层的铅笔硬度都在2H~3H 之间，只有A-6 硬度为F； 涂层的耐磨性在20 mg ~ 37 mg 之间；漆膜的抗划伤性都非常优异，60 °光泽保留率都接近100%，说明本研究所用的模拟外物划伤方法（0000 号标准钢丝绒和900 g 的负重）对该系列涂层都没有造成明显的损伤。上述结果也说明了不能简单地通过羟基含量来判断对应涂层的硬度，也不能简单地通过硬度的高低来判断耐磨性和抗划伤性的好坏。
通过对得到的涂层性能进行打分，发现高羟基含量的次级分散体A-8 在本次对比评估中分数最高（如图1 所示），在硬度、耐磨性和抗划伤性3 方面的综合评分优于其它分散体，体现出优异的“超耐磨”特性。
2.2 亲水改性聚异氰酸酯固化剂的筛选
亲水改性的聚异氰酸酯在水相中的混合以及分散稳定性是保证双组份水性聚氨酯性能稳定性的关键因素。较低的黏度，适度的亲水性和足够的混合剪切力，将使固化剂在水相中的分散变得更容易。采用离子磺酸盐改性的HDI 固化剂具有较低的亲水基团含量，并具备优异的水可分散性，这类产品即是目前已被广泛应用的第三代亲水固化剂，其典型的分子结构如图2 所示。
考虑到第三代亲水固化剂产品在干燥、硬度、耐化学品性等方面的性能优势，本研究针对第三代产品进行对比评估，具体参数见表3。
通过上一轮羟基分散体的评估和筛选，A-8 被认为是最佳的“超耐磨”分散体，因此该轮评估选用A-8与不同亲水改性聚异氰酸酯固化剂配合使用，考察所得漆膜的铅笔硬度、耐磨性和抗划伤性，具体结果如表4 所示。
从测试结果可以看出，C-1 对应涂层的铅笔硬度最高， 达到3H；C2 对应的涂层耐磨性最好，达到了17.5 mg；抗划伤性方面，C-1 和C-2 对应的漆膜表现均比较优异，而C-3 对应的漆膜在抗划伤测试后光泽变化率较大，在目测对比中也有同样的结果。
通过对得到的涂层性能进行打分， 发现C-1 和C-2 两种固化剂在本次对比评估中分数持平（如图3所示），可见，固化剂的官能度和亲水性是配方设计中需要重点考虑的因素。
2.3 蜡助剂的筛选
通过降低漆膜的摩擦系数，有机会提高漆膜的抗划伤效果。微粉化蜡粉及蜡乳液被认为是一类能够提高涂层抗划伤性能的助剂，因为蜡能够提高漆膜表面的滑爽性，从而降低漆膜的摩擦系数，进而达到提高抗划伤的效果。在制备漆料时，需要优选润湿分散剂并注意高速分散的效果，以便微粉化蜡在水性涂料中获得良好的分散均匀性和稳定性。
本研究选择了两种典型的有机聚合物蜡和改性聚乙烯蜡进行评估。
基于前两轮的评估结果，该轮评估选择基于羟基丙烯酸分散体A-8 和亲水改性聚异氰酸酯固化剂C-1 的组合，考察不同蜡助剂对漆膜的铅笔硬度、耐磨性和抗划伤性的影响，具体结果如表5 所示。
从测试结果可以看出，W-1 和W-2 这两种蜡的加入对涂层的硬度的提高没有帮助，W-2 反而能够明显降低涂层的硬度；耐磨性方面，W-1 和W-2 都体现出了轻微的提高作用； 抗划伤性方面， W-1 和W-2 都没有表现出明显的负面作用， 而W-1 的加入对抗划伤性有轻微的提升作用。
通过对得到的涂层性能进行打分， 发现W-1 在本次对比评估中分数最高（如图4 所示），是一种合适的、能够提升“超耐磨”特性的蜡助剂。
2.4 耐磨填料的筛选
在地坪涂料配方中， 通过添加一些硬质耐磨填料来改善漆膜“超耐磨”特性是业内的常用方法。碳化硅、氧化铝等填料因为自身的高硬度、低吸油量等特性常被选用。本研究选择了微米级的碳化硅和氧化铝进行评估，为尽量避免配方中其它颜填料对测试结果的影响，以下评估都是基于清漆配方而进行的。同时为了避免原始光泽测试的偏差给结果带来影响，本轮抗划伤性评估采用硬币划伤打分评估的方法。
该轮评估选择基于羟基丙烯酸分散体A-8 和亲水改性聚异氰酸酯固化剂C-2 的组合，考察微米级的碳化硅和氧化铝对涂层的铅笔硬度、耐磨性和抗划伤性的影响，具体结果如表6 所示。
从测试结果可以看出， 碳化硅和氧化铝的加入对涂层铅笔硬度都有帮助，当两者的添加量达到10%的时候，铅笔硬度可以从2H 提高到3H。耐磨性方面，氧化铝对涂层耐磨性的提高帮助不大，当添加量达到10%的时候，反而会起负面作用； 而碳化硅对耐磨性具有显著的提高作用，而且并不是添加量越大，提高作用就越明显。从本次测试结果看，5%的添加量反而优于10%的添加量。抗划伤性方面，碳化硅和氧化铝的加入对抗划伤性都有明显的提升作用。
通过对得到的涂层性能进行打分，发现10%碳化硅在本次对比评估中分数最高（如图5 所示），对涂层“超耐磨”的贡献最大。
2.5 最优配方及涂层性能
按照以上评估结果， 以A-8 羟基分散体、C-1 亲水改性聚异氰酸酯固化剂、W-1 蜡粉、微米级碳化硅的组合为最优配方，可以得到综合性能优异的“超耐磨”双组份水性聚氨酯地坪面漆解决方案，具体性能如表7 所示。
3 双组份水性聚氨酯地坪面漆的应用
双组份水性聚氨酯作为高性能面漆，与环氧或聚氨酯底漆和基础涂层相配套，组成一个有机的整体地坪涂装体系。典型的涂层配套如图6 所示。
不同的涂层具有各自的作用。底涂对混凝土基层的孔隙具有一定的封闭效果并具有优异的附着力；基础涂层往往给地坪体系提供厚度和主要的力学性能；双组份水性聚氨酯面涂则赋予地坪体系优异的耐候性、耐磨性、抗划伤性、耐化学品性以及理想的外观。这套科学的涂层配套设计，有效地结合了不同种类地坪涂料的优点并兼顾了成本因素， 体现出了优异的性价比优势，已经极大的被市场认可和接受。
双组份水性地坪面漆通常采用滚涂施工，为避免局部漏涂，一般建议施工2 遍，其单层使用量约为60～100g/m2，施工完成后形成约70～110 μm 的干膜厚度（2遍涂装）。在实际工程应用中，有时会在施工现场将5%~20%的细骨料（如100~200 目的石英砂或白刚玉）加入面漆中，混合均匀后直接滚涂施工。细骨料的加入将使漆膜表面呈现纹理效果，研究表明，这些纹理将会对摩擦物与漆膜表面之间的相互作用产生影响。因为我们知道摩擦力与接触面积和摩擦系数相关， 因为纹理而造成的接触面积的减少将带来更低的摩擦力，从而进一步提高漆膜表面“超耐磨”的性能。
双组份水性聚氨酯地坪涂料技术在21 世纪初从欧洲引入中国， 并在一些标志性建筑项目中成功应用。比如2008 年北京奥运会国家游泳中心（水立方）泡泡吧的艺术地坪罩面； 又如2010 年上海世博会沪上生态家展厅的地坪罩面。该技术的优异性能和耐久性已经被长期、大量的实际工程所验证。
一个非常成功的10 a 应用案例是位于上海的科思创聚合物亚太研发中心CAS 楼二楼地面，如图7 所示。该项目于2006 年8 月施工，涂层配套为：无溶剂环氧底漆，无溶剂聚氨酯中涂，双组份水性聚氨酯面漆。在长达12 a 的实际使用中，没有进行面漆重涂。从图7 可见，地坪表面颜色持久如新、无明显划伤。
不断优化的双组份水性聚氨酯技术，进一步拓展了该技术在多个领域中的应用。2017 年，济南铁路局青岛动车段检修库项目中采用了新型的“超耐磨”水性聚氨酯面漆的地坪技术，以满足检修库地坪对平整度、耐磨性、耐腐蚀性、防水性等方面苛刻要求。该项目由青岛海洋新材料科技有限公司提供涂料并施工，如图8。
在施工期间，低气味、低VOC 的优异环保性得到了施工方和业主的一致认可。在地坪投入使用后，经受了高频率的探伤车等各种检修设备的碾压以及车辆清洗液的腐蚀，新型双组份水性聚氨酯地坪面漆以耐磨性优、抗划伤能力强等产品优势，提高了检修库工作环境的安全等级，延长了地坪的维护周期。
4 结语
双组份水性聚氨酯地坪漆在动车段维修车间的应用是近年来该技术广泛推广的一个缩影。随着高品质新型原材料的开发、涂料配方技术的不断优化、施工的专业性和规范性持续加强、相关国标和行标的颁布以及国家对环保及产业升级的规划，双组份水性聚氨酯地坪漆正迎来高速发展的黄金机遇。
文章发表于《涂层与防护》2019年1月
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