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創新的建築塗料解決方案

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創新的建築塗料解決方案

發布日期:2018-05-15 作者: 點擊:

基于建築業發展大趨勢,地坪漆和牆面漆對漆膜性能、施工效率和環保性提出了更高的要求。創新的雙組份水性聚氨酯和聚天門冬氨酸酯技術完全符合了市場發展的需求。本文将介紹這兩種技術的基本原理以及它們在地坪和牆面方面的應用。基于這些技術開發的易清潔塗料可用于醫院、學校、幼兒園、電子廠、食品加工廠、餐廳及車站等建築物的内牆,還可延伸到有高耐久要求的外牆。基于這些技術開發的地坪漆廣泛應用于商用及工業地坪,具有優異的耐磨性、抗劃傷性和耐化學品性。本文還對一些案例進行了分析以闡明塗料在實際應用中的性能體現。


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  概述


  乳膠漆和環氧漆是目前牆面漆和地坪漆中的主流技術。随着市場對建築塗料性能要求的提高,聚氨酯塗料也在高性能建築漆領域得以應用,雙組份脂肪族聚氨酯塗料以其卓越的耐候性、耐化學品性、剛柔相濟性、耐磨及抗劃傷性能而成為高性能牆面及地坪漆的标杆技術。然而,傳統的溶劑型聚氨酯塗料的性能雖優,但其較大的氣味、較高的揮發性有機化合物含量,及易燃易爆的特性,限制了該技術的使用,尤其是室内應用。創新的雙組份水性聚氨酯技術和聚天門冬氨酸酯技術貼合了市場的發展趨勢,即:高性能、環保及高效率。


  水性聚氨酯技術可應用于地坪漆和牆面漆。對于地坪漆,雙組份水性聚氨酯主要作為面漆使用,用于保護諸如無溶劑環氧及聚氨酯中塗,提供更好的耐磨性、耐化學品性和耐候性,最适合的應用場合包括:辦公室、大堂、展示廳、倉庫、超市、學校、球場及車間等。對于牆面漆,雙組份水性聚氨酯可稱得上是一種具有功能性的高性能面漆,可實現易清潔、抗沾污、耐酸雨及抗塗鴉等性能,内外牆均适合使用,還能作為質感漆及素混凝土的罩面清漆。


  聚天門冬氨酸酯塗料主要可用于無溶劑地坪漆,尤其适合用于有快速通行需求的場所。其塗層配套即可包含底漆,也可以直接塗敷于經過基層處理的混凝土表面,推薦的使用場所包括:停車場、運動場以及鋼結構防腐。


  雙組份水性聚氨酯的基本原理


  雙組份水性聚氨酯的反應


  生成聚氨酯的主要反應是異氰酸酯基團和多元醇的羟基之間的反應,如圖1所示。


  異氰酸酯也會與水反應,首先生成胺并釋放出二氧化碳氣體,随後胺再迅速與另一個異氰酸酯基團反應生成脲。圖2顯示了異氰酸酯與水的反應。


  在雙組份聚氨酯體系中,既然異氰酸酯基團會與水發生反應,我們該如何實現水性化呢?研究表明:常規的脂肪族聚異氰酸酯具有疏水性,與水的反應非常緩慢。當它與水混合時,它與水會分層,而在與水接觸的界面會生成聚脲薄膜從而進一步将聚異氰酸酯與水隔離,從而實現在水中具有數小時的穩定時間,這就為實現雙組份聚氨酯的水性化創造了條件。圖3展示了聚異氰酸酯在水中的狀态。


  雙組份水性聚氨酯的混合與成膜


  不同于溶劑型聚氨酯塗料的均相體系,雙組分水性聚氨酯混合過程中聚異氰酸酯組分與多元醇組分将形成三相體系,即水(連續相)、羟基樹脂分散相(包括一部分聚異氰酸酯在剪切力作用下已經進入羟基樹脂分散相)及聚異氰酸酯分散相。如前面所述,聚異氰酸酯分散相小液滴表面會有極少部分NCO會和水發生反應,生成聚脲膜,這層聚脲膜起到保護作用,因而液滴内部的NCO不會在此階段和水發生反應,從而保證了塗料具有足夠的可操作時間。


  然而,雙組份水性聚氨酯的混合适用期不能通過粘度的上升來判斷,這有别于傳統的溶劑型聚氨酯。混合後雙組份水性聚氨酯的粘度通常比較穩定,即便是超過了混合适用期,有時也不會出現明顯的粘度變化,這主要是因為在分散相中發生的部分化學反應并不足以影響到連續相的流動性。因此我們不能通過粘度變化來判斷雙組分水性聚氨酯的混合适用期,而需要通過測定一些性能來進行判定,比如光澤值、霧影值及耐溶劑性等等。圖4展示了雙組份水性聚氨酯的混合過程。


  經過混合的塗料通過噴塗及滾塗等不同方法進行塗敷後,即開始了成膜過程。第一步是物理幹燥,主要是水的揮發和分散相的凝膠(如圖5,圖6)。


  此時随着水分的揮發,多元醇分散體小液滴及聚異氰酸酯小液滴之間的距離也越來越接近,當它們之間的距離接近到一定程度時,在毛細管力作用下破壁并相互融合,此時第二步化學幹燥過程開始了(圖7)。


  經過化學交聯反應而形成的漆膜具有與傳統的溶劑型聚氨酯塗料相媲美的性能:比如優異的耐化學品性、抗劃傷性、耐磨性及耐候性,而其揮發性有機化合物含量則大大的降低。


  用于雙組份水性聚氨酯的親水性聚異氰酸酯固化劑


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  為實現出色的外觀和優異的性能,聚異氰酸酯固化劑需要在多相體系中充分的分散。傳統的疏水性聚異氰酸酯需要使用特定設備進行高剪切分散,并不适合建築塗料現場施工的要求,親水性聚異氰酸酯則使手工混合成為可能。圖8展示了疏水性和親水性聚異氰酸采用手工混合時在水中的分散狀态,如果出現混合不充分時,漆膜的性能将受到明顯的影響。


  為實現固化劑的親水性,科思創沒有采用使用外添加乳化劑的方法來制備親水性聚異氰酸酯,而是使用内乳化的方法,即親水性基團直接和聚異氰酸酯化學結合,從而整個分子形成乳化劑結構,這種方法避免了遊離的外添加乳化劑可能帶來的耐水性下降等問題。圖9對兩種聚異氰酸酯親水化改性做了比較。


  最簡單的固化劑的親水化改性可以由異氰酸酯與羟基聚醚化學交聯來實現,由醚鍊來起到非離子親水改性,但這種改性通常會降低聚異氰酸酯的官能度。圖10就是典型的聚醚改性親水性聚異氰酸酯。


  由于官能度的降低通常會造成漆膜性能的下降,為提高官能度,可對氨酯鍵上的NH進行進一步脲基甲酸酯化,接枝上一個新的HDI三聚體,這樣改性後的親水性聚異氰酸酯的官能度就提高了。圖11所示。


  最新的研究成果是采用氨基磺酸鹽對聚異氰酸酯進行親水改性(如圖12),這有助于進一步提升漆膜的幹燥速度、硬度和耐化學品性。此外,這種固化劑相比于聚醚改性的固化劑具有更好的抗塗鴉和耐清潔劑的性能,從而更适合用于有易清潔要求的高性能塗料。


  粘度也是影響可分散性的因素之一,低粘度的聚異氰酸酯更容易被手工分散均勻。表1列出了常見的親水性聚異氰酸酯,其中AS3是建築漆的優選方案,可以在不經過溶劑稀釋的情況下經手工攪拌達到很好的混合效果。


  多元醇分散體的選擇


  羟基丙烯酸分散體是雙組份水性聚氨酯體系中常用的樹脂,通常有初級分散體(乳液型聚合物)和二級分散體兩類。初級分散體采用乳液聚合法制備,通常使用外乳化劑來穩定乳液粒子;二級分散體則是在溶劑中進行均相聚合并在中和後進行乳化分散,聚合物分子鍊上的羧酸基團起到内乳化劑的作用。


  初級分散體往往具有較高的分子量且不含有機助溶劑,因此,它們是快幹型塗料的理想選擇,但不适用于高光體系。二級分散體因為生産工藝的原因往往含有1-8%的助溶劑,因而适合高光體系使用,但幹燥速度相對較慢。


  單一使用或組合使用不同類型的羟基丙烯酸分散體可以實現不同的外觀和性能。典型的啞光體系是基于A57或A46,當混拼了B46或B95後其綜合性能可進一步提高,并且通過不同的混合比例來獲得不同的性能。B46或B95常用于高光體系。有時我們還需要高柔韌性的塗層方案,比如用于運動場地坪的塗料,此時可以通過混拼羟基聚氨酯分散體來實現。


  NCO / OH當量比


  由于NCO與水及其它活性基團之間的副反應,雙組份水性聚氨酯中NCO/OH的當量不會選擇1:1,而會選擇NCO過量,這與傳統的溶劑型雙組份聚氨酯有明顯的不同,通常為了确保所有的羟基反應完全,NCO/OH的當量比選擇在1.5~3.0之間。更高的NCO/OH當量比會得到更優的漆膜最終性能,但由于未及時反應的聚異氰酸酯在漆膜中扮演着增塑劑的作用,塗料的幹燥速度和早期硬度建立會較慢,更多的聚異氰酸酯固化劑用量也意味着更高的成本。綜合考慮性價比因素後,NCO/OH當量比選擇在1.5~2.0之間是比較合适的。


  雙組份水性聚氨酯塗料的性能


  剛柔相濟


  固化後的聚氨酯漆膜中含大量的氨酯鍵和脲鍵,它們會在高分子鍊段間形成氫鍵。在外力作用下氫鍵會斷開并與其它成鍵基團重新鍵合,這正是聚氨酯漆膜剛柔相濟的原因所在,這也是雙組份水性聚氨酯漆膜具有優異耐磨性和抗劃傷性的重要原因。尤其是對于地坪漆等應用,抗劃傷性是衡量面漆品質的重要指标。然而長期以來,抗劃傷性的測試方法和标準沒有在地坪業内得到共識,很多時候僅僅通過指甲刻劃來感知,這顯然不具備重現性和标準性。一種可行的方法參考GB/T 9279/ ISO 1518進行測試(方法1),即用指定的測試探頭以30-40mm/秒的速度,在不同的加載下劃過樣闆(運行距離65mm),加載重量通常在100~2000g,通過記錄漆膜劃破時的加載重量來判别漆膜抗劃傷性的好壞。該方法以漆膜“劃破”來判别抗劃傷性是否符合實際情況,目前在業内還有一定異議。另一種測試抗劃傷性的方法(方法2)是選用标準的0000号柔性砂紙,在不同的加載下往複劃擦樣闆,目前常使用335克和900g兩種加載,分别往複劃擦20次及10次,然後通過測定漆膜的光澤變化來判别抗劃傷性。該方法與實際中的抗劃傷要求比較接近,但目前還需要進一步規範測試的砂紙、流程及設備。基于上述兩種方法進行測試,優選的雙組份水性聚氨酯具有極佳的抗劃傷性,一部分測試數據如表3所示。


  易清潔性


  地坪和牆面會經常接觸到不同的污染物,能實現輕易徹底的清理幹淨這些污染物是市場所期望的性能。評估易清潔性首先要對污染源進行篩選。在測試中我們選擇了日常生活工作中時常會遇到的飲料、調味品、白闆筆、兒童水彩筆及蠟筆,最苛刻條件下,還會測試永久性記号筆。雙組份水性聚氨酯具有優異的易清潔性,可以用不同的清潔方法清除掉各類污染物,即使已經有了數日的污染。表4列出了抗沾污測試結果。


  耐沾污性


  外牆上經常可以發現雨後殘留的黑色污染痕,這是由于雨水将污染物帶到牆面後,夏日的高溫使得漆膜軟化,将污染物牢牢抓在漆膜表面,不易被清除,從而影響美觀。雙組份水性聚氨酯漆膜通過化學交聯而形成,具有較高的玻璃化轉變溫度,因而在夏日陽光的高溫下不會軟化,從而避免污染物與漆膜的牢固附着。而具有一定親水性的漆膜也會使雨水能夠均勻浸潤到整個漆面,并均勻沖刷附在其表面的灰塵等污染物,起到清潔表面的作用。基于這兩方面因素,雙組份水性聚氨酯塗料的耐沾污性能優異。


  防黴/抗藻性能


  對于在如浴室、食品加工廠等場所應用的塗料,其防黴性能經常會被提及,此時會通過在塗料配方中添加防黴劑和抗藻劑來強化這方面的性能。表5顯示了如下實驗數據:将防黴劑和抗藻劑分别加入到單組份乳膠漆和雙組份水性聚氨酯中,用水沖淋漆膜2天、10天和20天後,分别測試漆膜中防黴劑和抗藻劑的殘留量。


  實驗結果顯示,雙組份水性聚氨酯的熱固性漆膜可以在水沖淋後保留更多的防黴劑和抗藻劑,這也就意味着漆膜更耐用。


  抗熱輪胎痕


  對于停車場地坪漆,非常的關注抗熱輪胎痕的性能。當車輛長期行駛後,通常輪胎會發熱,輪胎中的增塑劑容易遷移到橡膠表面,在有壓力的情況下,黑色的輪胎痕就很容易殘留在地坪漆上。為模拟這種狀況,我們采用了如下的測試方法:在4*4cm2的輪胎試件上施加60kg的壓力,在常溫下放置一天,然後在50ºC下放置3天,然後檢查漆膜表面殘留的輪胎印迹情況,如殘留有胎痕,繼續用酒精擦拭,檢查清除的情況。圖14顯示了不同交聯密度的雙組份水性聚氨酯塗料的測試結果。方案2是基于B95和AS1的塗料配方,這是一個高交聯密度的方案,顯示出最好的抗熱輪胎痕的性能。測試中使用的不同聚氨酯塗層,均能用酒精清除掉上面殘留的輪胎痕迹,這與我們的基本推斷相符,即:具有較高的玻璃化轉變溫度的熱固性漆膜具有較好的抗熱輪胎痕性能。


  雙組份水性聚氨酯與水性環氧的比較


  雙組份水性環氧也同樣在地坪和高性能内牆漆等領域有着廣泛的應用,與其相比,雙組分水性聚氨酯有些什麼異同呢?這兩種技術的比較列于表6。


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  建築塗料需要現場混合漆料,在實際施工中,組份A與組份B的混合比往往與廠家的要求會有一定的偏差,在本測試中,我們刻意測試了正負20%固化劑用量偏差時,對塗料性能的影響。我們發現,雙組份水性聚氨酯的漆膜性能并不會因為固化劑用量的偏差而産生大幅的變化,這主要得益于在配方設計時,NCO/OH的當量比達到或超過1.5:1,因而當少添加20%固化劑用量時,OH基團仍可充分反應,而當固化劑過量20%時,多餘的固化劑與水反應生成聚脲可進一步增強性能。水性環氧則不同了,氨基固化劑隻能與環氧基反應,當固化劑添加量比标準添加量更多或更少時,殘餘的未反應的環氧基或氨基将會造成漆膜性能下降。綜合來看,雙組份水性聚氨酯的優點可歸納如下:


  •組份A和B的混合比具有寬廣的容忍度


  •易混合


  •快幹


  •剛柔相濟、抗劃傷性好


  •更好耐酸性、耐候性


  功能性塗料


  基于雙組份水性聚氨酯的高性能,将其用于功能性塗料時也頗具優勢。


  雙組份水性聚氨酯可用于熱反射塗料,對建築物節能保溫具有積極意義。得益于雙組份水性聚氨酯的優異耐沾污性,使其可長久保持高效的熱反射效率,大大延長塗料的重塗時間,有效節約生命周期成本。


  用于電子廠房的内牆塗裝是雙組份水性聚氨酯的另一個應用,通過與優選的導電填料結合使用,可制成高性能的導靜電塗料,有效保證電子設備生産區域的潔淨度和長效穩定的防靜電性能。


  基于相同的原因,雙組份水性聚氨酯還常常與昂貴的抗菌劑結合使用,制備高性能的抗菌塗料。


  雙組份水性聚氨酯應用案例分析


  外牆應用


  雙組份水性聚氨酯用于外牆,優異的耐候性和耐沾污性是其最大優點。一個典型的應用案例是由海虹老人(Hempel)在中國重慶市實施的。重慶市是重工業城市,地形群山環繞,因此大氣中的顆粒物不易被氣流吹散,該地區建築物外牆的耐沾污性一直是一個很大的挑戰。圖15所示的是位于重慶的一座住宅樓,為驗證産品性能,雙組份水性聚氨酯和傳統乳膠漆在同一棟樓的相鄰牆面上進行了塗裝。經過數年的實際使用,兩種塗料的外觀出現了明顯的反差。在塗裝了雙組份水性聚氨酯的區域仍保持得非常幹淨,而傳統乳膠漆的塗裝區域則污染明顯。


  近年來,各類外牆質感塗料(真石漆、多彩漆等)蓬勃發展,它們具有粗糙的表面,往往易于積澱塵土污物。雙組份水性聚氨酯清漆用于質感漆罩面時,體現出優異的耐沾污性、耐水性和人工易清潔性,是一個理想選擇方案。


  内牆漆應用


  雙組份水性聚氨酯塗料易清潔的特點特别适合用于某些建築物的内牆,如學校、幼兒園、兒童房等。圖16顯示了雙組份水性聚氨酯抗塗鴉塗料在台灣一所慈善學校中的應用案例。這種高性能内牆漆為小朋友們營造出一個自由繪畫的牆面空間,簡單的擦拭清潔就能夠清除牆上的塗鴉痕迹。


  高性能水性聚氨酯還可被用于浴室、廚房、醫院及食品加工廠等場合,這些應用主要關注塗料的防黴性、抗菌性及耐水性等方面的性能。圖17分别顯示了雙組份水性聚氨酯在浴室和辦公室茶水間裡的應用。其中浴室的應用案例,經過8年之久的應用,在高濕度環境下塗層無起泡、發黴等現象。


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  地坪塗料應用


  環氧地坪塗料是當前市場上地坪漆的主流産品。雙組份水性聚氨酯以其優秀的抗劃傷性、耐候性及易消光性,被廣泛用于環氧自流平、環氧砂漿、聚氨酯自流平及水泥基自流平的清漆或色漆罩面,不僅提升地坪體系的整體性能,而且可實現美觀性和藝術性的提升。


  泡泡吧是中國國家遊泳中心(水立方)中一塊重要的場所,雙組份水性聚氨酯清漆用于彈性脂肪族聚氨酯藝術自流平罩面。該項目于2008年1月份完工,至今仍在正常使用,面漆的耐磨性、抗劃傷性和易清潔性得到了長期的實際使用驗證。雙組份水性聚氨酯地坪漆還應用到2010年上海世博會的滬上生态家項目,科思創聚合物青島工廠等項目中。圖18顯示了雙組份水性聚氨酯地坪漆的應用實例。


  水泥基自流平近年來得到了快速發展,罩面保護是必不可少的,以确保污染物不會滲透到水泥自流平中而留下永久的沾污。打蠟處理或塗敷單組份丙烯酸罩面漆是兩種表面保護的方法,但實用中發現它們的保護作用非常有限。經選擇的雙組份水性聚氨酯塗料非常适合用于水泥基自流平的罩面,它不僅僅提供長效、高品質的保護,而且還能保持原有的水泥基自流平顔色經塗裝後不被加深。


  運動場地坪要求有優秀的柔韌性、耐磨性、抗劃傷性、耐水性、防滑性和耐候性。基于彈性聚氨酯多元醇分散體而研制的塗料配方可完全滿足上述要求。


  聚天門冬氨酸酯及其應用


  聚天門冬氨酸酯是另一種滿足高品質、環保性及高效率的塗料技術。


  聚天門冬氨酸酯的化學基礎


  “天門冬氨酸酯”是特指那些分子結構裡以天門冬氨酸(圖19)衍生物為特點的化合物。


  天門冬氨酸酯一般由二元胺與馬來酸酯經Michael加成反應而合成(圖20)。


  作為一種有空間位阻結構的脂肪族仲二胺,其位阻作用主要來源于兩個胺基之間的“R”基團,不同的“R”基團會影響天門冬氨酸酯與聚異氰酸酯的反應速度。基于不同“R”基團的一系列産品,創造了寬泛的配方調節可能,可滿足不同的可操作時間和幹燥時間的需求。這是相比傳統的高反應性聚脲的一個明顯優勢。


  市場上常見的天門冬氨酸酯系列産品列于表7。


  這些産品既能單獨使用也可以混拼使用,從而方便的調節配方的可操作時間和幹燥速度。其中産品D28體現出獨一無二的性能特點,憑借極低的粘度和适合的反應活性,當其配合低粘度HDI三聚體固化劑時,可以配制成無溶劑、可滾塗或刷塗施工的塗料配方,适用于地坪漆、防護面漆等。表8展示了這種新型塗料的一些性能指标。


  天門冬氨酸酯與脂肪族聚異氰酸酯反應即生成聚天門冬氨酸酯(如圖21),該塗料具有優異的耐候性而用于戶外面漆,這也是與傳統聚脲的不同之處。那些官能度大于3的聚異氰酸酯優先被推薦用于該體系的固化劑,以得到足夠的漆膜交聯密度。


  聚天門冬氨酸酯技術的突出優點首先體現在保持極低VOC的情況下,大幅提升施工效率。


  1).聚天門冬氨酸酯塗料幹燥迅速,實幹時間通常可保持在1.5-4小時,使快速恢複使用成為可能。


  2).可建立更高的膜厚,一次施工的幹膜厚度可達到400µm,可有效減少施工道數。


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  綜合上述兩個特點,即快幹和減少施工道數,共同實現了高效率。


  聚天門冬氨酸酯用于建築塗料


  聚天門冬氨酸酯适用于建築塗料,正是得益于上述主要特點,即高性能、高效率和低VOC,地坪漆和防水面漆是其最常見的應用。


  有不少地坪塗料要求快速施工、快速通行且無溶劑,通過優化配方,能夠得到無溶劑、可滾塗施工且快速固化的解決方案,甚至在經過表面處理的混凝土基層上直接塗裝這種塗料。其可以一次塗裝達到适合的漆膜厚度,對表面起到很好的保護作用,并且在施工完畢數小時後便可通行,這可以說是很多停車庫地坪維修的最佳解決方案。圖22即是一個停車庫地坪的實際案例,一天内能夠完成施工,隔天就能夠通行車輛。


  作為一種脂肪族技術,聚天門冬氨酸酯塗料具有很好的耐候性,适合于戶外使用。一個成功案例是用于美國迪斯尼樂園體育場的地坪塗裝,經過多年的頻繁使用,仍然保持了漆面的光澤和潔淨(圖23)。


  最新的應用還包括“照片地坪”。一定厚度的聚天門冬氨酸酯清漆可将打印的照片封閉到地坪塗料之中起到定制化的裝飾效果。


  如果将一些優選的IPDI預聚物和HDI預聚物單獨或混拼作為固化劑時,能夠制備出綜合性能非常卓越的防水塗料,具有優異的耐候性、拉伸強度和斷裂伸長率。這類技術已經在橋梁、屋面、泳池以及水上樂園等場合成功使用。


  總結


  雙組份水性聚氨酯和聚天門冬氨酸酯技術符合塗料行業發展的主流趨勢,能為地坪漆、牆面漆和防水塗料等建築塗料提供高性能、高效率、更環保的新型解決方案。這兩種技術同時也能将保護性和裝飾性完美結合,帶來了更長的使用壽命,從而節約了生命周期成本,體現了可持續發展的理念。全球各地的衆多案例已經證明了它們為客戶提供的價值,随着産品升級和環保要求的進一步提升,這些新型的塗料技術将迎來更美好的發展機遇。


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