一种解决聚氨酯涂料体系中颜料沉降分层的新方法研究

data-full-width-responsive="true"> 一种解决聚氨酯涂料体系中颜料沉降分层的新方法研究□ 王书元1，叶 卫2(1华南理工大学材料科学与工程学院，广州 510640；2中核深圳凯利集团公司,广东深圳 518033)0 前 言聚氨酯涂料产品经常会遇到因密度不同，在贮存过程组分发生沉降而分层的现象。这一情况通常不会影响涂料使用，但却对涂料质量的感观有影响，尤其在中、高档涂料产品中，涂料发生分层，对涂料的售价会产生很大影响。而且颜料加得越多，分层现象也就越快、越严重。试验研制开发成功了一种无毒保洁涂料。这是一种改性氨基甲酸酯类涂料，其中无机颜料含量很高，达到22%。该涂料经两年贮存观察，未发现沉降分层现象。能够在这么高的无机颜料填充比的情况下避免涂料分层，是因为采用了一种分散剂。这种分散剂与颜料分子和涂料中的树脂可发生化学键合，形成一种新的匀质微粒，使涂料在体系内部消除了不同比重物料的相界，从而达到整个涂料体系的稳定，不会产生分层。这种方法，也提高了涂料中无机颜料的填充比，从而使涂料遮盖力增加，改善了施工质量。1 试验部分11 原料试验所用的原料有3种：TiO2、聚醚多元醇、氨基甲酸酯预聚体，其中TiO2是作为白色无机颜料使用。聚醚多元醇是作为分散剂使用。各种原料的规格如表1。12 制备过程将聚醚多元醇加热至95～120 ℃，按比例m(聚醚多元醇)∶m(TiO2)∶m(氨基甲酸酯预聚体)=1∶3∶3，放入TiO2和氨基甲酸酯预聚体，搅拌均匀，制成色浆冷却备用。将色浆与单组分氨基甲酸酯树脂按比例m(色浆)∶m(氨基甲酸酯树脂)=1∶3，在氮气保护下或真空条件下，搅拌均匀制成涂料，装入镀锌铁罐贮存。13 涂料贮存沉降分层现象观察测试参照GB/T67533-86《涂料贮存稳定性试验方法》分别取贮存05 a、1 a、15 a、2 a的样品进行观察测试。14 涂料遮盖力测试参照GB/T1726-79（89）《涂料遮盖力测定法》进行涂料遮盖力测试。2 结果与讨论21 分散剂的选择与比较要使TiO2能很好地稳定分散在聚氨酯涂料体系中，其中最关键是选择分散剂。若不加分散剂，直接将TiO2分散到聚氨酯树脂中，则最好的高速搅拌机，也只能达到10 m微粒的分散效果，不能避免颜料颗粒的凝聚现象。而且半年左右就会发生沉降分层现象。我们这种加分散剂的做法，可基本排除颜料颗粒的凝聚现象。这种方法，有点类似塑料加工中色母粒料的作用原理，但最大不同之处在于分散剂除了要选择对颜料表面浸润效果要好之外，还要选择能发生化学键合反应的液体，同时与聚氨酯涂料树脂相容性也要好，最好也能发生化学键合作用。经过选择比较，我们选择了聚醚多元醇[1]作分散剂，其中，能发生化学键合，是产生稳定的涂料体系最关键的一个步骤。例如，甲苯与聚醚多元醇，两者对TiO2表面的浸润效果相近（甲苯甚至还稍好一点），两者在氨基甲酸酯预聚体中相溶效果也很好。但两者作分散剂，结果比较如表2。22 分散剂化学键合机理探讨在聚醚多元醇中，含有大量羟基ROH，而TiO2的化学结构式为O=Ti=O，其中氧原子高度裸露，极易与羟基OH形成氢键：O=Ti=OHOR因聚醚多元醇含有微弱的酸性，也极易使TiO2与ROH形成钛酸酯结构：这两种化学作用，从理论上来讲，远远大于TiO2颗粒之间的作用力，它促使聚醚多元醇进入TiO2颗粒的所有表面，从而使TiO2与聚醚多元醇形成一种类似于匀相的颗粒结构，这种结构很稳定。我们做了一个对比试验：将聚醚多元醇加TiO2按m(聚醚多元醇)∶m(TiO2) =1∶3做成色浆后，再按m(色浆)∶m(甲苯)=1∶1 000，充分搅匀，让TiO2沉淀下来，滤去含有溶出聚醚多元醇的甲苯液体，再重新加入等量甲苯，充分搅匀，反复3次，最后在100 ℃条件下抽真空前3 h，发现与聚醚多元醇混合后的TiO2沉淀物比混合前的TiO2重117%，这就证明聚醚多元醇在TiO2上吸附非常牢，很难分离，已近似成为一种均相结构。这种聚醚多元醇与TiO2的键合物与氨基甲酸酯预聚体会发生加成反应。氨基甲酸酯预聚体中，含有N=C=O结构，其反应为：因电子诱导效应，产物中N的电负性极强所以和TiO2形成的氢键是强氢键。综上所述，因TiO2与聚醚多元醇，氢基甲酸酯有强烈的氢键作用，抵消了因密度不同而产生的沉降作用，可以使TiO2很好地悬浮在涂料体系中，形成一种类似均相的体系。23 有化学键合作用分散剂的效果评价（1）提高了颜料在涂料中的含量，使其遮盖力大为提高。通过检测，用这种方法配制的涂料，其遮盖力均在145 g/m2左右。（2）为无挥发性溶剂的聚氨酯涂料生产打下了基础。正是在这一研究基础上，我们开发生产出了理论固含量达100%的聚氨酯涂料。（3）提高了产品贮存期，提高了产品的质量。用这种方法配制的聚氨酯涂料，贮存2 a仍未见有沉降分层现象。（4）这种方法具有推广价值，可为解决聚氨酯类涂料沉降分层问题提供一种新方法。（5）这种方法提高了颜料的填充量，但涂料黏度增加不大，这也是这一方法的一大特点。3 结 语这一研究成果已应用到实际生产中，生产的无毒保洁涂料，正是应用了这种方法添加颜料，取得很好的效果。