彈性環氧聚氨酯地坪塗料研究與發展

    0.引言

    為了滿足現代工業化生產車間功能要求和人性化管理要求，越來越多的生產車間、倉庫、生活區、辦公區使用色彩亮麗、性能優良的地坪塗料，為人們創造良好的工作和生活環境。目前市場上使用較多的是環氧樹脂基和聚氨酯基地坪塗料，這兩類塗料都具有良好的裝飾性、耐化學品性和耐磨性，但是環氧地坪塗料質地脆，受衝擊後容易開裂，而聚氨酯塗料在保持優異理化性能的同時，根據應用環境要求可以在很寬範圍內調整塗層的表面硬度，因此，是一種性能優良、裝飾性和實用性兼有的理想地坪塗料。

    彈性聚氨酯塗料是介於橡膠和塑料之間的一種高分子材料，其特性是大分子主鏈由玻璃化轉變溫度低於室溫的柔性鏈段(即軟段)和玻璃化轉變溫度高於室溫的剛性鏈段(即硬段)嵌段而成的[1]。其中，貢獻柔順性的原料主要是含端羥基的線型聚醚或/和聚酯，其活動性相對較大；貢獻剛性結構的原料主要是二異氰酸酯和小分子擴鏈劑，可以通過生成氫鍵形成物理交聯；另外在體系中引入少量多元醇，可以提高塗層的交聯密度和強度。通常情況下，在彈性聚氨酯固化劑中，軟段占的比例較大，約為50%～90%，軟段含量越高，塗層的玻璃化轉變溫度越低，延展性越好，但是硬度和機械強度降低，因此，通過對軟硬鏈段含量的合理設計，就可以使彈性聚氨酯塗層既具有高強度又具有良好彈性的獨特性能。

    本文介紹了以聚醚聚氨酯彈性預聚物為固化劑，環氧樹脂為羥基組分，配以顏填料、助劑和溶劑組成的一種雙組分彈性地坪塗料。該塗料既有環氧樹脂的強粘結力、高耐腐蝕性，又具有彈性聚氨酯優異的耐磨、耐衝擊、高強度等特性。

    1.實驗部分

    合成工藝：將除TDI外的所有物料投入潔淨乾燥的反應設備中；攪拌，升溫至回流狀態，保持回流3h；降溫至40℃以下，分批加入TDI，繼續攪拌0.5h，緩慢升溫至80℃，並保持3h；降溫出料。

    1.2塗料色漿的製備

    將環氧樹脂用混合溶劑溶解後，依次加入顏填料、助劑和溶劑，混合均勻，研磨至細度合格，調節色漿的不揮發物含量合格，過濾包裝。

    1.3配漆

    按n(—NCO)∶n(—OH)=1.2～1.3配漆，用專用混合稀料調節施工黏度。

    1.4彈性環氧聚氨酯地坪塗料的主要性能

    彈性環氧聚氨酯地坪塗料主要性能如表2所示。

    2.結果與討論

    2.1彈性聚氨酯固化劑軟段的選擇

    根據原料的不同，彈性聚氨酯又可以分為聚酯型和聚醚型兩大類。聚酯型彈性聚氨酯塗層由於體系中酯鍵的存在，其耐水性稍差，聚酯型與聚醚型彈性聚氨酯塗層相比，耐水性相差5～10倍[2]，考慮到地坪塗料經常與水接觸，因此本文採用聚醚為體系的軟段。

    2.2多元醇用量對塗層性能的影響

    在合成彈性固化劑時，多元醇的用量對塗層的乾性、抗拉強度、斷裂伸長率和耐磨性等有較大影響，試驗結果見表3。

    隨著多元醇用量的增加，塗層的乾性和力學性能呈現規律性變化：塗層的乾燥時間縮短、抗拉強度提高、斷裂伸長率降低、耐磨性提高。這是由於多元醇用量提高，彈性預聚物分子鏈段上剛性鏈段含量增加，一方面束縛了柔性大分子的自由旋轉，另一方面由於分子間氫鍵作用加強，促進剛性鏈段的取向和有序排列，影響了微相分離。綜合考慮，多元醇用量確定為8%。

    2.3羥基樹脂的選擇

    在彈性聚氨酯固化劑中含有大量的—NCO基團，它們具有非常活潑的化學活性，可以與含活潑氫的化合物在常溫下發生反應。—NCO基團與—OH基團的反應是聚氨酯化學中最基本和最主要的反應，也是雙組分聚氨酯塗料固化成膜的理論基礎。含羥基的化合物品種繁多，性能差異較大，在與彈性聚氨酯固化劑配套時要求：

    (1)具有很好的混容性；

    (2)含有足夠的—OH基團，能與—NCO基團充分交聯成膜，並具有一定的強度；

    (3)不含水分和低分子單體，酸值儘可能低，不影響塗膜性能。

    常用的含羥基組分有醇酸樹脂、聚酯樹脂、環氧樹脂、羥基丙烯酸樹脂、羥基有機矽樹脂等。其中，由於環氧樹脂具有附著力好、耐水、耐油、耐化學品等許多優異的性能而成為地坪塗料的首選。

    2.4環氧樹脂的對塗層性能的影響

    本文採用了最常用的雙酚A型環氧樹脂。不同雙酚A型環氧樹脂對彈性地坪塗料性能的影響見表4。

    隨著環氧樹脂相對分子質量的增加，樹脂中的羥基含量增加，與彈性聚氨酯固化劑配合固化後力學性能和耐磨性呈上升趨勢；但是環氧樹脂相對分子質量太高，由於混容性問題，影響了塗層的外觀和乾性，抗拉強度和耐磨性也不穩定。因此，採用E-20環氧樹脂比較合適。

    2.5配漆n(—NCO)∶n(—OH)當量比的確定

    如果n(—NCO)∶n(—OH)太小，—NCO基團不足以與—OH基團反應，漆膜的交聯密度較低，塗層發軟，抗拉強度和斷裂伸長率不理想；但是，如果當量比太高，則多餘的—NCO基團會吸收空氣中的潮氣轉化為脲，雖然可以增加交聯密度，提高塗層強度，但是也會使塗層彈性降低，脆性增加，耐衝擊性下降，塗層的表面狀態不好，出現針孔。經過試驗，確定該塗料體系n(—NCO)∶n(—OH)為1.2～1.3較適宜。

     2.6乾燥時間對塗層性能的影響

    通常對聚氨酯塗料而言，常溫和較低溫度下均可固化成膜，在一定溫度下，隨著時間的延長，塗層的固化程度不斷提高，但過分延長時間是沒有必要的。圖2為不同乾燥時間對彈性地坪塗料抗拉強度和斷裂伸長率的影響.

    塗層在24h後力學性能基本不變，但是通常由於養護等原因，啟用時間需1周以上。

    2.7其他影響因素

    彈性聚氨酯塗料與普通雙組分聚氨酯塗料相比，由於軟段含量較大，微相分離程度更大，乾性稍差，通常要加入催化劑，加速交聯固化反應的速度，效果較好的是有機錫類催化劑，用量為總基料量的0.01%～0.05%。為了提高施工性能，確保塗層外觀質量，生產過程中還要添加適量消泡劑、流平劑、消光劑等助劑，並控制適當的顏料體積濃度。

    3.結語

    彈性環氧聚氨酯地坪塗料是中海油常塗院自主開發的一類新的塗料品種，它除了具有一般地坪塗料良好的裝飾性、耐化學品性外，突出的特點是具有高強度、高彈性，從而獲得極佳的耐磨性、耐衝擊性，可以廣泛應用於各種倉庫、機加工車間等經常碾壓和衝擊的場所，同時其優異的吸振性和自癒合性，提高了人行走時的舒適度，防滑降噪，因此，也可在辦公區、生活區、人行過道等場所使用。該塗料性能全面，施工簡單，具有廣闊的發展應用前景。