用交聯(lián)劑加快固化速度，并帶來產(chǎn)品增值。

　　Christoph Irle，Jan Weikard

通常認(rèn)為PU涂料的性能和涂裝效率主要取決于多元醇。固化 劑的作用通常只是盡可能與多元醇相匹配。然而，一系列新型固 化劑的出現(xiàn)對這種觀點(diǎn)提出了質(zhì)疑。這些新型交聯(lián)劑黏度極低， 官能度高，對配制的PU涂料性能影響極大。

PU涂料已成為涂裝行業(yè)的基準(zhǔn)產(chǎn)品，在施工效率、耐久性和高 性能方面優(yōu)勢顯著［1］。在20世紀(jì)60年代初期，Kuno Wagner ［2］開發(fā)出了脂肪族多異氰酸酯技術(shù)，這一技術(shù)不斷改進(jìn)，成為行 業(yè)進(jìn)一步發(fā)展的驅(qū)動力。在世界范圍內(nèi)，多種原材料（如多元醇 和交聯(lián)劑）不斷問世，以滿足各行業(yè)的需要。如今，PU涂料已成 為多種應(yīng)用領(lǐng)域的基準(zhǔn)產(chǎn)品，如汽車修補(bǔ)涂料、防腐涂料以及金 屬、木器和塑料工業(yè)涂料。

一開始，PU原材料一直有助于降低涂裝過程中的能耗。事 實(shí)上，PU原材料具有獨(dú)特的施工效率，甚至可用于熟練的手工涂 裝。隨著PU涂料原材料市場占有率持續(xù)增長，對滿足最嚴(yán)格環(huán)境 要求的涂裝工藝的需求也不斷提高。為此，原材料制造商及涂料 行業(yè)開發(fā)了能大大降低溶劑釋放量的PU技術(shù)，主要包括水性PU體 系和高固含量的原材料。近幾十年中，這類創(chuàng)新技術(shù)越來越受歡 迎，因?yàn)楫a(chǎn)品在降低溶劑釋放的同時(shí)，還滿足涂裝性能方面的嚴(yán) 苛要求。

固化劑的黏度和官能度是關(guān)鍵所在

配制PU涂料時(shí)，通常的做法是先選擇恰當(dāng)?shù)亩嘣肌９袒瘎?的作用通常可概括為與多元醇進(jìn)行交聯(lián)。最重要的是，固化劑需 要與多元醇組分相匹配。

不過，很少有人關(guān)注固化劑是如何影響與多元醇的反應(yīng)效 率。在要求揮發(fā)性有機(jī)化合物（VOC）釋放量較低的體系中，固化 劑的黏度也起著重要作用。同時(shí)，該特性還影響高固體分涂料體 系所需的溶劑量以及水性體系中各組分混合的難易程度。

傳統(tǒng)方法中，除了固化劑與多元醇的充分反應(yīng)外，幾乎未考 慮其他問題。因此，多元醇可視為決定涂料性能和涂裝速度的關(guān) 鍵因素。結(jié)果，當(dāng)設(shè)計(jì)針對不同施工方法和不同市場的配方時(shí)， 通常只能在有限的標(biāo)準(zhǔn)多異氰酸酯中進(jìn)行選擇。配方系列通常囊 括從黏度為10 000 mPa•s（未經(jīng)稀釋）的縮二脲固化劑到低黏度 （730 mPa•s）的多異氰酸酯或亞氨基口惡唑烷酮固化劑［3］。這些固 化劑官能度在3～4。

自20世紀(jì)60年代以來，行業(yè)已對如何設(shè)計(jì)PU交聯(lián)劑有了更好 的認(rèn)識。如今，對異氰酸酯進(jìn)行的各種化學(xué)改性為新型固化劑的 開發(fā)鋪平了道路，這有助于涂料制造商改進(jìn)配方，增加新功能， 提高產(chǎn)品的價(jià)值。所述交聯(lián)劑（見表1）對下列問題給出了肯定的 答案：

> 脂肪族固化劑能使PU涂料干得更快嗎？

> 低黏度多異氰酸酯有助于提高涂料的柔韌性嗎？

> 采用智能分子技術(shù)能夠確保涂料干得更快、對基材的附著 力更好嗎？

新型固化劑有哪些優(yōu)勢

用各類異氰酸酯衍生物開發(fā)出了智能固化劑。因此，擴(kuò)展了 對交聯(lián)劑作用的認(rèn)識，配制這類固化劑的標(biāo)準(zhǔn)方法有兩種，如下 （圖1）：

> 固化劑黏度和官能度的常用范圍向兩個(gè)方向（低和高）擴(kuò) 展。官能度超過4的固化劑是新固化劑，它能確保涂料超快速固 化。其次，還推出了黏度<730 mPa•s的交聯(lián)劑，有助于進(jìn)一步降 低VOC釋放量。

> 由于固化劑分子高官能度高，并定制設(shè)計(jì)了柔軟的固化劑 分子，使PU交聯(lián)劑的范圍得到了延伸，大大改善了最終涂料的性 能，可通過客觀測量驗(yàn)證。

涂料性能，包括斷裂伸長率、抗拉強(qiáng)度、附著力和自修復(fù) 性，都得到了顯著改善。

結(jié)果一覽

 為聚氨酯（PU）涂料開發(fā)了新型固化劑，具有極低黏度或 高官能度。

 新型固化劑使得涂裝工藝更有效，并為最終涂料帶來增值。

 采用該交聯(lián)劑配制的涂料不但固化速度極快， VOC含量低， 而且機(jī)械強(qiáng)度優(yōu)異。配制的涂料具有良好的柔韌性、自修復(fù)性 和極佳的附著力。

低黏度固化劑使溶劑釋放更低，且不影響涂料的性能

由于全球都在努力降低VOC排放，導(dǎo)致對水性涂料和高固體 分涂料的需求增加。通常，只有采用特制的多元醇和固化劑才能 滿足法規(guī)對排放的嚴(yán)格要求。在選擇固化劑時(shí)，需要特別考慮的 是：低黏度產(chǎn)品通常官能度也低，從而導(dǎo)致耐化學(xué)性差。官能度 大于3、黏度極低（730 mPa•s）的三聚體是真正的突破，用它制 備的涂料的施工效率及涂料性能均能滿足市場要求。此外，還采 用不對稱三聚體開發(fā)了一種新型固化劑，黏度甚至低于500 mPa•s （圖2），平均官能度為3。與標(biāo)準(zhǔn)PU交聯(lián)劑不同，該產(chǎn)品不會降 低涂料性能。

當(dāng)在水性涂料中使用時(shí)，新型交聯(lián)劑所需的溶劑量低于之前 最低黏度固化劑所需的溶劑量，同時(shí)形成均勻的小液滴（圖3）。 多項(xiàng)測試證實(shí)該交聯(lián)劑可代替相應(yīng)配方中的標(biāo)準(zhǔn)多異氰酸酯，且 不會影響涂料的耐化學(xué)性或干燥性能。在高固體分或超高固體分 配方中使用這種新型固化劑，涂料性能和施工效率與使用傳統(tǒng)固 化劑的涂料相當(dāng)，而VOC排放更低。

超低黏度的柔性固化劑：機(jī)械性能更好

在各種應(yīng)用領(lǐng)域（如地坪涂料和墻面涂料）中，柔性涂料變 得越來越重要。汽車行業(yè)以及其他領(lǐng)域要求涂料具有柔韌性、機(jī) 械彈性和耐候性。PU體系能很好地滿足這些要求。同樣，除了選 擇恰當(dāng)?shù)亩嘣纪猓匾氖且褂每蓛?yōu)化最終涂料性能的固化 劑。下面，我們將介紹兩種能滿足這一要求的新型固化劑。

為快速固化涂料體系開發(fā)了一種交聯(lián)劑NH A，主要用于建筑 工程和現(xiàn)場涂裝的涂料體系。該交聯(lián)劑分子將相互連接的柔性鏈 段與線性結(jié)構(gòu)結(jié)合在一起。固化劑的分子量高，成為低分子量多 元醇和聚天門冬氨酸酯的最佳搭檔。

制備的涂料呈現(xiàn)出最大的伸長率和耐磨性。用此智能固化劑 和聚天門冬氨酸酯技術(shù)的配方具有以下優(yōu)點(diǎn)：溶劑含量超低、成 膜性極佳、固化速度快。將此新型固化劑與低黏度、高官能度的 交聯(lián)劑混合，配制的涂料性能優(yōu)異。隨著官能度增加，拉伸強(qiáng)度 和耐化學(xué)性也增大，但柔韌性降低。

第二種新型固化劑NH B，則基于不同的理念。該固化劑將 低分子量與高柔韌性結(jié)構(gòu)結(jié)合在一起，且與柔性多元醇相容性 極好，甚至能與高分子量和高疏水性的柔性多元醇相容。圖4 展示苛刻環(huán)境下的應(yīng)用情況。車輛上裝卸平臺的表面必須具有 極高的耐機(jī)械負(fù)荷性和耐候性。顯然，配方設(shè)計(jì)時(shí)，僅選擇柔 韌性和耐候性的多元醇是不夠的。采用最佳固化劑才是關(guān)鍵所 在。新型固化劑可提供高彈性、特別是極高的斷裂伸長率、拉 伸強(qiáng)度和剪切強(qiáng)度。用它配制的配方VOC含量低。圖5給出了新 型固化劑與現(xiàn)有的三聚體和脲二酮固化劑的性能對比。

快速固化交聯(lián)劑可提高施工效率

汽車修補(bǔ)涂料是PU涂料體系的典型應(yīng)用之一。PU技術(shù)在 汽車制造廠取得全球性的成功，關(guān)鍵在于它的干燥速度、綜合 性能和使用方便。當(dāng)需要制備具有不同的固化速度的涂料時(shí)， 通常的做法是改變多元醇或溶劑。然而，還可通過優(yōu)化固化劑 來改變干燥速度。圖6顯示用智能交聯(lián)劑替代標(biāo)準(zhǔn)異氰脲酸酯 大大提高干燥速度的方法。智能交聯(lián)劑的官能度為4.5，確保 分子量能迅速增大，涂料硬度也快速增加。新型交聯(lián)劑加速 這一過程的程度取決于使用何種多元醇。一般來說，中高固 體分配方的干燥速度將加快10%～25%（圖7），而其他關(guān)鍵性 能（如使用期和外觀）不會受到很大的影響。特別是使用高官 能度固化劑時(shí)，耐化學(xué)性顯著提高，特別是涂裝后的最初幾天內(nèi)。

快速固化的柔性交聯(lián)劑：特殊性能

如果不降低固化劑黏度或柔性，提高官能度，會發(fā)生什么？ 新型智能交聯(lián)劑NH E有很多支鏈，每個(gè)分子中有6個(gè)官能團(tuán)，黏度 低（500 mPa•s），固含量達(dá)80%。這可能是由于分子結(jié)構(gòu)的特殊 設(shè)計(jì)和分子量分布窄造成。使用新型NH E配制的涂料VOC含量與使 用標(biāo)準(zhǔn)固化劑配制的涂料VOC含量相當(dāng)，但前者固化極快，且最 終硬度非常高。智能固化劑的分子設(shè)計(jì)也提高了用其配制的涂料 的柔性，使用智能固化劑NH E與NH D優(yōu)點(diǎn)相似。例如通過將其與 適當(dāng)?shù)亩嘣冀M合，可制備出耐化學(xué)性優(yōu)異、干燥速度極快的汽 車修補(bǔ)涂料。然而，這還不是全部的優(yōu)點(diǎn)。新型固化劑的柔性分 子結(jié)構(gòu)還能賦予涂料一些特殊性能，同時(shí)還提高了產(chǎn)品性能。例 如：

> 可以制備出具有優(yōu)異自修復(fù)功能的高韌性透明涂料；

> 附著力顯著提高，特別是和塑料及和底色漆之間的附著 力。

這種超高官能度的固化劑特別適合用于制備工業(yè)塑料涂料。 圖6表明：與使用標(biāo)準(zhǔn)交聯(lián)劑相比，使用新型固化劑固化速度更 快，硬度相似。因此，可縮短涂裝周期，可很快進(jìn)行下一道涂裝 作業(yè)。同時(shí)，在低溫環(huán)境下，使用智能固化劑仍能保持涂料的柔 性。

參考文獻(xiàn)

[1] Meier-Westhues H.-U., Polyurethanes: Coatings, Adhesives and Sealants, Vincentz Verlag, Stuttgart (2007).

[2] Wagner K., Verfahren zur Herstellung von Polyisocyanaten mit Biuret-Struktur, DE 1101394, 1961.

[3] Richter F. et. al., Isocyanate trimers and mixtures of isocyanate trimers, production and use thereof, EP 0798299, 1996.