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【涂料科普】水性双组分聚氨酯面漆起泡原因分析

       随着行业对“油转水”的大力推进,越来越多的人们将目光放在了水性漆的发展,应用与研发当中。其中水性双组分聚氨酯面漆以水作为分散介质,不仅具有无毒、不燃、不污染环境、节省能源等优点,同时涂膜性能、耐溶剂性和耐化学性可与溶剂型双组分聚氨酯涂料相媲美,受到涂料行业的广泛关注。但是水性双组分聚氨酯漆在干燥成膜过程中特别是涂层较厚时,很容易产生气泡,形成起泡、缩孔、针孔、疵点等弊病,严重降低涂层的保护和装饰性能。造成起泡的原因相当复杂,一般是由于涂料上层上的水部分挥发后黏度迅速上升,使得下层水不易挥发出去,而留在涂层中,一旦温度再升高,便可突发性地气化形成气泡冒出来,并在表面被稳定和截留,即使气泡冲出表面,由于不能流平,也会留下缺陷(例如针孔);还有一些副反应也会使漆膜起泡等。解决水性双组分聚氨酯涂料的起泡问题是推动水性双组分聚氨酯涂料广泛应用的一个重要前提。本文主要从闪干时间、膜厚、溶剂挥发量等方面的实验,提出一些措施来避免起泡的问题。

1 水性双组分聚氨酯成膜机理

        水性双组分聚氨酯体系涂料的基本交联反应为:

       HO—R1(多元醇树脂)+ R—NCO (异氰酸酯树脂)→ R—NH—CO—O—R1 式(1)


      异氰酸酯树脂与多元醇树脂混合后即发生以上化学反应形成网状结构。要形成良好的膜主要经历以下几个步骤:

      漆膜弊病的产生是涂料喷涂后, 由于漆膜表面溶剂挥发速度快于内部, 故表面漆膜交联反应速度也稍快于内部。如果小相对分子质量物质及产生的气体可以在表面漆膜交联之前挥发,则可避免产生针孔、暗泡等瑕疵。在水性双组分聚氨酯体系涂料中还存在一种副反应,反应产生CO2,它也是水性双组分聚氨酯体系涂料形成针孔、暗泡等漆膜弊病的主要原因之一,所以如何防治CO2 的产生及溢出也就显得比较重要。副反应的反应式为:

R—NCO (异氰酸酯树脂) + H2O→ R—NH2 + CO2↑ 式(2)


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2 成膜树脂的影响

      水性双组分聚氨酯面漆的成膜树脂为水性丙烯酸树脂和聚氨酯。水性丙烯酸树脂依据制备方式的不同,通常可分为2 类:乳液型和分散体型。乳液型是丙烯酸酯类单体在水中使用乳化剂进行乳液聚合直接制得;分散体型是通过丙烯酸及其它单体在合适的溶剂中聚合,经中和加水乳化制得。乳液型具有较快的干燥速度,但光泽不好。而分散体型正好相反,分散体型的丙烯酸树脂在光泽与硬度上都要更加由于。作为面漆,一般推荐选用光泽较好的水性丙烯酸分散体型树脂作为成膜树脂。


3 闪干时间的影响

      为了减少气泡的产生, 都要保证湿漆膜在室温条件下有一定时间的溶剂挥发时间(称为闪干时间或流平时间),即延长进烘箱前干燥的时间,一般认为增加闪干时间是避免或减轻涂装中针孔、暗泡产生最方便和有效的方法。因为对于水性双组分聚氨酯面漆漆膜厚度<40 μm 时一般不会产生针孔,而>40 μm 就很容易产生针孔,主要原因是当漆膜表干时,漆膜内的溶剂(主要为水),尚未完全溢出。在烘烤过程中溢出,最后产生漆膜缺陷。在测试实验中,使干漆膜厚度为(40±3) μm。测试发现施工后室温闪干至少20 min,漆膜才能平整光滑,没有缺陷。


4 漆膜厚度的影响

       漆膜厚度越厚,漆膜下部的水越不容易挥发,本实验主要考察了一系列漆膜厚度,在不同闪干时间下,对漆膜起泡的影响。

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      由图 可知, 漆膜厚度在40 μm 左右时,闪干20 min 漆膜平整光滑,不起泡。当漆膜厚度>80 μm 时,闪干时间至少90 min。说明漆膜厚度增大之后,漆膜表面已经表干,但内部的溶剂(主要为水)、副反应产生的气体(CO2)等易挥发物质还没有完全溢出,在后面的干燥过程中,将漆膜表面顶起形成小泡。因此,在实际涂装时,要想获得比较好的漆膜(≥60μm),至少要室温闪干1 h。


5 溶剂挥发量的影响

       前面讨论了漆膜起泡与闪干时间、漆膜厚度的关系,这些都与溶剂的挥发量成正比。涂料被施工后,设定湿漆膜的溶剂含量为100%,试验溶剂挥发量与时间的关系,考察其对漆膜外观的影响,见图1。从图1 看出,当膜厚为30~40 μm 时,在室温下闪干脱水率达到50%,再放入65 ℃烘箱强制干燥,即可不起泡。当漆膜厚度增加到>60 μm 后,脱水率要超过90%,才能不起泡。说明水性双组分聚氨酯面漆在施工过程中漆膜厚度最好控制在<40 μm,否则很容易出现漆膜弊病。


结语

      对于水性双组分聚氨酯面漆, 首先选择光泽较好的树脂体系。在施工中,当漆膜膜厚<40 μm 时,闪干时间至少需要20 min。当漆膜厚度>40 μm 时,闪干时间要足够长,保证湿漆膜中溶剂(主要是水)的挥发量达到一定值才可强制干燥,最后得到理想的漆膜。


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