朱志敏 1,2，赖映标 2，李伟斌 2，张荣灿 2，吴少旭 2
（1. 华南理工大学,广州 510640；2. 广州嘉宝莉地坪材料有限公司,广州 511495）
摘要：选择以自产自消光水性羟基丙烯酸分散体和亲水改性多异氰酸酯固化剂作为主要成膜物质,研制了一款适合地坪使用的双组分水性聚氨酯亚光面漆。讨论了-NCO与-OH物质的量比、成膜助剂、PVC/CPVC值、养护条件对漆膜性能的影响，通过实验确定了n（-NCO）/n（-OH）为1.6、成膜助剂TPM用量为4%、PVC/CPV 值为0.8，在通风良好、温度10~30℃、相对湿度≤80%的养护条件下所制备的漆膜综合性能最优。所制备的双组分水性聚氨酯亚光面漆漆膜光泽低、耐磨性好、硬度高、附着力好、耐化学性、耐黄变优异、水性环保、低VOC，可以在地坪领域中进行广泛的应用。
关键词：亚光；双组分；水性聚氨酯；地坪涂料
引言
在环境友好型涂料领域，水性聚氨酯涂料既有水性涂料的低VOC值，又有溶剂型聚氨酯涂料优异的涂膜性能，近年来在不同的领域得到了广泛的应用[1]。其中，双组分水性聚氨酯涂料较单组分水性聚氨酯有更好的硬度、耐磨性、耐划伤性、耐冲击性、耐化学性、耐候性[2]，特别适合应用于地坪领域。
高光泽的亮光涂料以其色泽鲜艳、明亮等优点深受消费者喜爱，并在相当长的一段时间为统治着地坪涂料市场。但是随着人们生活水平的提高，一方面消费者感觉高光泽的亮光涂料反光比较严重，引起视觉疲劳，对眼睛有伤害；另一方面消费者审美观念越来越趋向于休闲、时尚和个性化。而亚光涂料不仅可以改善和美化质感和表面视觉，以唤起严肃、坚韧、高贵和奢华的体验，从而增加消费者的满意度，并且因为具有较低光泽能隐藏表面缺陷、不规则性和损伤[3]，在地坪涂料领域已经得到越来越多的应用。
本研究重点介绍了树脂、固化剂、成膜助剂的筛选和PVC/CPVC值、n（-NCO）/n（-OH）的设计，筛选出合适的树脂、固化剂、成膜助剂，设计合适的PVC、n（-NCO）水性聚氨酯亚光面漆/n（-OH）配比，开发出一款适合地坪用的双组分。在通风良好、温度10~30℃、相对湿度≤80%的养护条件下所制备的漆膜性能优异，实测指标数据超出《GB/T 22374—2018地坪涂装材料》[4]中对漆膜性能要求和《GB38468—2019室内地坪涂料中有害物质限量》[5]中对环保性能的要求，并在地坪领域得到了广泛的应用。
1实验部分
1.1 主要原材料
自消光水性羟基丙烯酸分散体、亲水改性多异氰酸酯固化剂：自制；分散体1-3、固化剂1-3、成膜助剂、消泡剂、基材润湿剂、分散剂、流平剂、增稠剂、颜填料、防霉防腐剂、水性环保色浆：市售。
1.2. 仪器设备
SFJ-400研磨分散搅拌多用机、QTX 漆膜柔韧性测试仪：上海现代；ME3002E 电子称 ：东南科仪 ；WGG60-E4 光泽仪：科仕佳；HD-P304漆膜磨耗仪：美国 TABER；BGD 304 漆膜冲击器、BGD 506/2 铅笔硬度计：标格达；PosiTest AT- M 数显拉拔仪：美国DeFelsko。
1.3 制备工艺
选取合适的分散缸，将去离子水、分散剂、消泡剂加入至分散缸内，开启研磨分散搅拌多用机以中低速分散5min至均匀后，调整转速至低速，边搅拌边加入钛白粉、填料，高速分散20~25min至细度≤50μm后，调整转速至低速，边搅拌边投入自消光水性羟基丙烯酸分散体、成膜助剂、消泡剂、基材润湿剂、流平剂、增稠剂、防霉防腐剂，然后用水性环保色浆调色，检验合格后用120目滤网过滤包装得到水性聚氨酯亚光面漆A组分。称取与A组分对应配比的亲水改性多异氰酸酯固化剂，经过200目滤网过滤作为水性聚氨酯亚光面漆B组分。
1.4 性能检测
按照《GB/T 22374—2018 地坪涂装材料》中规定的方法制备测试样板恒温恒湿室养护168h后，按照规定的要求进行性能测试。
1.5 实验参考配方
水性地坪涂料参考配方如表 1 所示。
2、 结果与讨论
2.1 水性羟基丙烯酸分散体的选择
根据 60°角光泽度的测量结果，可将水性聚氨酯涂膜划分为平光、蛋壳光、半光和高光[6]，如表 2 所示。传统水性聚氨酯亚光漆是在水性聚氨酯分散体中加入消光剂，消光剂使漆膜形成一种微糙面，降低漆膜表面光的镜面反射性，从而达到消光作用。但消光剂的加入往往对涂料以及漆膜的性能产生不利影响，如消光剂的加入容易导致涂料分层从而影响涂料的贮存稳定性，也有可能影响漆膜的透明性、柔韧性、耐磨性等[7]。选用市售 3 款常用做水性聚氨酯亚光面漆的水性羟基丙烯酸分散体与自产自消光水性羟基丙烯酸分散体 G1442 进行对比测试。通过合理的配方设计，在不加消光剂的情况下制备水性聚氨酯亚光面漆，最终漆膜光泽均能达到 30°以下的蛋壳光标准，各项性能均能满足国标《GB/T 22374—2018 地坪涂装材料》的一般要求，但唯有 G1442 能达到蛋壳光-平光（2~6°）的光泽范围。筛选过程中重点测试了漆膜的60°光泽、铅笔硬度、耐冲击、附着力、耐磨性，具体测试数据见表3。本研究最终采用自产的自消光水性羟基丙烯酸分散体 G1442，不需额外添加消光剂就能达到 2~6°的亚光效果，综合性能优异，且配方成本有明显优势。
2.2 亲水改性异氰酸酯固化剂的选择
羟基丙烯酸分散体和亲水改性异氰酸酯固化剂互配后制备的漆膜，可以室温固化，分散体后交联能力有助于漆膜形成三维的空间交联网络结构，增加漆膜的致密性，赋予漆膜优异的耐水、耐化学品等抗性和优异的物理机械性能。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分水性聚氨酯性能稳定性的关键因素[8]。本研究选用市售常用的 3 款亚光亲水改性异氰酸酯固化剂与自产亲水改性异氰酸酯固化剂 GN100 进行性能的对比，详情见表4，综合性能均满足要求。因自产 GN100 具有更低的光泽和更低的黏度，综合性能优异，且成本优势明显，故选用自产亲水改性异氰酸酯固化剂 GN100 作为B 组分。
2.3 n（-NCO）/n（-OH）的设计
双组分水性聚氨酯涂料最重要的反应是羟基树脂和异氰酸酯固化剂的反应，通过交联反应，涂膜内部形成三维网状结构，进而形成连续的涂膜。在双组分水性聚氨酯化学成膜的过程中不可避免地发生副反应，主要包括多异氰酸酯与水以及羧基的反应。副反应的发生会消耗一定的-NCO 基团，造成涂膜交联密度的下降，因此，常规双组分水性聚氨酯涂料配方设计时，-NCO/-OH 物质的量比＞1。通过实验，设计不同的 n（-NCO）/n（-OH）），测试对漆膜性能的影响，实验结果见表5。由表 5 可知，n（-NCO）/n（-OH））比例较高时，异氰酸基含量增加，漆膜内聚合物链段的链接强度也不断增加，交联程度增加，聚合力链段中硬段的比例也增加，所以漆膜的硬度高柔韧性下降。由于异氰酸基过量，和羟基反应后剩余的异氰酸基在漆膜内会缓慢和水发生副反应，产生的二氧化碳会引起气泡，导致干燥后漆膜出现弊病如痱子、针眼等，酸和碱等物质更容易侵蚀漆膜和基材。n（-NCO）/n（-OH）比例较低时，反应活性高的异氰酸基减少，树脂和固化剂之间的反应速率降低，漆膜中含有羟基的树脂链段较多，这些链段属于软段，所以漆膜的硬度低柔韧性好。由于固化剂的含量少，漆膜的交联密度低，所以酸碱容易穿过漆膜腐蚀基材。当 n（-NCO）/n（-OH）为1.6 时，漆膜具有较高的硬度和柔韧性，漆膜的耐酸耐碱性能优异。
2.4 成膜助剂的选择
丙烯酸乳液和水性聚氨酯分散体为水性聚氨酯涂料常用的成膜树脂，各有各的优势和缺点。丙烯酸乳液耐候性、耐水性好，但涂膜存在漆膜偏脆的缺点；水性聚氨酯分散体具有低温成膜性好、高温不回粘、耐磨性好等性能，但难以做到高固含、低成本，所制备的漆膜不耐水和溶剂。自产自消光水性羟基丙烯酸分散体 G1442 通过改性将两者综合，克服各自缺点，发挥各自的优点，并合理搭配一定的的成膜助剂，能使漆膜的性能得到充分的发挥。水性聚氨酯漆配方中成膜助剂的用量需控制在一定的范围内。适当的成膜助剂用量能使漆膜的光泽、硬度、耐水性等性能得到明显的提升，而少量和过量的成膜助剂均会导致漆膜的性能下降[9]。水性聚氨酯常用的成膜助剂有DPM、DPnB、TPM、TPnB、醇酯十二等，通过实验验证采用 TPM 与自产水性羟基丙烯酸分散体 G1442 和自产亲水改性异氰酸酯固化剂 GN100 配套使用，制备的漆膜外观效果最佳，且各项性能测试符合要求。通过梯度实验（见表 6）可知，成膜助剂 TPM 用量为 4%时综合性能最优。
2.5 PVC/CPVC 值的设计
水性聚氨酯涂料施工固化后涂膜中的成膜物质主要由颜料、填料、树脂和固化剂基料、助剂固体份等组成，其中颜填料占整个涂膜的体积百分数称为涂料的颜料体积浓度，即 PVC。当配方中树脂和固化剂基料的含量刚好能润湿和包裹颜填料粒子时，称为涂料的临界颜料体积浓度，即 CPVC［10］。一般对于高性能水性聚氨酯面漆配方，PVC/CPVC 值＜1 时漆膜中树脂固化剂基料过量，处于低 PVC 状态，基料能完全润湿颜填料，漆膜耐磨性、耐化学性、耐水性较好。但同时随着 PVC 的降低，漆膜光泽也有一定程度的升高，成本也随之增高。不同 PVC/CPVC 值对漆膜 60°光泽、耐磨性的影响见图 1。由图 1 可知，PVC/CPVC 值越小，光泽越高，耐磨性也越高，PVC/CPVC 比值＜0.8时，耐磨性增长变缓，60°光泽为 5°符合要求。故配方设计 PVC/CPVC 值为 0.8 为宜。
2.6 养护条件对漆膜性能的影响
涂料属于一种半成品材料，只有在一定的施工条件下通过不同的施工工艺涂覆在物体表面，形成粘附牢固、具有一定强度、连续的固态涂膜，才能形成对物体的保护、装饰或特殊性能等作用。所研制的双组分水性聚氨酯亚光面漆通过在通风良好与通风不良、不同温度、不同湿度的养护条件下分别进行了对比测试，在通风良好、温度 10~30 ℃、相对湿度≤80%的养护条件下能较好固化成膜，所制备的漆膜具有优异的综合性能。
2.7 漆膜的综合性能
所制备的双组分水性聚氨酯亚光面漆综合性能测试见表 7。
3 结语
选择以自产自消光水性羟基丙烯酸分散体G1442 和亲水改性多异氰酸酯固化剂 GN100 作为主要成膜物质, n（-NCO）/n（-OH）为 1.6，成膜助剂 TPM用量为 4%，PVC/CPVC 值为 0.8 ，制备地坪用双组分水性聚氨酯亚光面漆。在通风良好、温度 10~30 ℃、相对湿度≤80%的养护条件下制备的漆膜光泽低、耐磨性好、硬度高、附着力好、耐化学性、耐黄变优异。
目前已在地坪的不同领域进行了广泛的应用且反馈良好。
文章发表于《 涂层与防护 》2023年7月第44卷第7期
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