塑料用水性涂料的研究进展

塑料用水性涂料的研究进展

陆丽浓,欧宗和,陈铃红,谢国兵 (

上海英济电子塑胶有限公司,上海201700)

摘 要:水性涂料作为一种环境友好型涂饰材料,具有广泛的应用前景。综述了水性丙烯酸、水性聚氨酯和UV固

化3种主要的塑料用水性涂料的发展现状;介绍了目前存在的问题,并提出了其今后的发展趋势和研究方向。

关键词:水性涂料;塑料;

水性丙烯酸;水性聚氨酯;UV

固化

;VOC

中图分类号:TQ63017 文献标识码:A 文章编号:0253-4312(2010)03-0061-04

ProgressofWaterbornePlasticCoatings

LuLinong,OuZonghe,ChenLinghong,XieGuobing

(ShanghaiYingjiElectronicPlasticCo.,Ltd.,PolymerLab,Shanghai201700,China)

Abstract:Waterbornecoatingsisanimportantclassofenvironment-friendlyfinishingmaterialandhas

extensiveapplicationprospectsinmanyfields.Thispaperhasreviewedthelatestdevelopmentofwaterborne

plasticcoatings,includingwaterborneacrylic,waterbornepolyurethaneandwaterborneUVcuringcoatings

wereintroduced.Theexistingproblemsanddevelopmenttrendofwaterborneplasticcoatingswerealsopres-

ented.

KeyWords:waterbornecoating;plastics;waterborneacrylic;waterbornepolyurethane;UV

curing;VOC

作者简介:陆丽浓(1982)),女,硕士,工程师,研究方向为高分子材料改性技术。0 引 言

随着科技的发展,塑料制品已广泛应用于家电、汽车、建

材、办公设备、电子通讯及医疗器械等行业,是国民经济和国

防建设不可缺少的重要材料。但塑料除本身耐紫外光等环境

腐蚀性不甚理想,在加工成型后也常产生各种表面缺陷。因

此,塑料的应用必须进行/二次加工0,即用涂料进行涂装,达

到装饰效果,提高耐蚀耐候性及使用寿命[1]。

相比于其他低污染涂料,由于水性涂料具有可实现技术

途径多、应用面广、安全、施工相对简单等特点而成为首选品

种,受到了广大涂料科研人员和用户的关注。早在20世纪80

年代末、90年代初,欧美等发达国家就已开展了水性塑料涂料

的研究和开发工作,迄今已拥有大量的专利[2]。据报道,全球

每年水性涂料的需求量以大于10%的速度递增,美国塑料用

水性涂料增长达到17%。我国要与世界接轨,也必须在塑料

涂料的水性化、无污染化、低成本化上下功夫。

1 塑料用水性涂料的种类及发展现状

目前,市场上可应用于塑料制品的水性涂料品种和水性

木器涂料类似,主要使用水溶性涂料和乳胶涂料,按树脂分类

主要有水性丙烯酸、水性单组分聚氨酯、水性双组分聚氨酯等,此外还包括水性光固化类型。这些品种主要应用于ABS、

PS、PC/ABS、PVC等极性塑料表面;对于非极性的PE、PP等表

面张力很小的塑料需做特定的前期表面处理,或是将氯化聚

烯烃树脂通过外乳化或其他改性方法使其水性化。

1.1 水性丙烯酸涂料

水性丙烯酸涂料用的丙烯酸树脂主要是丙烯酸、甲基丙

烯酸及其酯与乙烯系单体(如苯乙烯)经共聚而得到的热塑性

或热固性丙烯酸系树脂,及其他具有活性可交联官能团树脂

改性的丙烯酸树脂。根据树脂在水中的状态分为水溶性、水

乳性和乳胶型丙烯酸涂料。水性丙烯酸树脂通过添加增稠剂、消泡剂、催干剂、防霉杀菌剂、缓蚀剂等助剂构成涂料[3]。

塑料用水溶性丙烯酸由于需要水溶,其相对分子质量都

不会太大,否则水溶困难,因此,它们作为一种高分子材料使

用多半是制成热固性的。其成膜方式都是通过交联,主要是

通过外加入交联树脂(如环氧树脂、酚醛树脂、氨基树脂等)

来实现外交联。另一种为丙烯酸乳胶漆,按所用乳胶一般分

为3类,即全丙乳胶漆、苯丙乳胶漆和乙丙乳胶漆,其中全丙

乳胶体性能最佳。水性丙烯酸酯涂料的研制和应用始于20世纪50年代,到

了70年代初得到了迅速发展,并逐渐在塑料中得到应用,是

塑料用水性涂料重要的品种之一,具有防腐、耐碱、耐光耐候、

成膜性好、保色性佳、无污染、施工性能良好、使用安全等特

61第40卷第3期涂料工业Vol.40 No.32010年3月PAINT&COATINGSINDUSTRYMar.2010 点;并且可以通过改变共聚单体、交联剂种类及调节聚合物相

对分子质量等一系列措施,改变涂料的各种性能。但是水性丙烯酸酯涂料也存在一些缺陷,如容易失光、透水性、吸水性

较高、热黏冷脆。20世纪80年代以来,人们开始研制水性丙

烯酸酯复合乳液,以通过各组分间优势互补来提高水性漆涂

膜的整体性能(如光泽、耐水性、附着力等)[4]。水性丙烯酸酯

涂料更多地是通过采用其他树脂或单体对其进行改性。如:

环氧树脂改性水性丙烯酸酯树脂、水性聚氨酯丙烯酸酯树脂、

含氟或含硅水性丙烯酸酯树脂等。

在乳液聚合过程中特别引入一些功能性的单体,使得水

性丙烯酸乳液和水性铝银浆具有良好配伍性和相容性,并且

在成膜过程中,帮助和引导水性铝粉的定向和排列,从而获得

表观效果非常良好的水性塑料银粉漆。

复旦大学利用纳米二氧化硅为Pickering乳化剂和稳定剂,

以水为介质,采用原位无皂乳液聚合方法,与丙烯酸丁酯、苯乙

烯、特殊功能单体等共聚,制备了塑料用水性纳米改性丙烯酸

酯树脂及涂料。在水性纳米改性树脂中,完全不含游离小分子

表面活性剂或改性剂,形成的涂膜对塑料基材如PP、PE、PC、

PVC、ABS、聚酯、环氧树脂等基材表面具有良好的附着力。

中科院成都有机化学研究所采用新型高分子纳米材料合

成技术制备聚合物纳米水分散体,开发的水性塑料涂料系列

产品,可广泛用于家电、摩托车、电动自行车、玩具、鞋材等领

域塑料件的表面涂装,具有不燃、无毒、不污染环境、低成本、

节省资源和能源等优点。目前,研制的水性塑料涂料已在四

川长虹、无锡宗申等企业进行工业化应用或试用。

1.2 水性聚氨酯涂料

聚氨酯含有强的极性异氰酸酯基()NCO)、)OH以及脲基

等,此外分子间能形成氢键及范德华力,有较高的内聚力,对极性

塑料表面具有很好的粘接力。对于非极性的PE、PP等塑料,除对

塑料做表面的处理外,也可在聚氨酯树脂上接枝上化学性质、表

面张力和溶解度参数与这些非极性树脂相似的链段[5]。

水性聚氨酯也可分为聚氨酯水溶液、聚氨酯水分散体和

聚氨酯乳液3种,聚氨酯水溶液在涂料中用得很少,后两者有

时统称为聚氨酯乳液或聚氨酯水分散体。按组成分有单、双

组分之分,单组分属热塑性树脂,聚合物在成膜过程中不发生

交联,方便施工;双组分水性聚氨酯涂料由含有活泼)NCO固

化剂组分和含有可与)NCO反应的活泼氢(羟基)的水性多元

醇组成,施工前将二者混合均匀,成膜过程中发生交联反应,

涂膜性能好。表1为塑料用水性聚氨酯涂料与溶剂型聚氨酯

涂料的性能对比[6]。

1.2.1 单组分水性聚氨酯涂料

单组分水性聚氨酯涂料是应用最早的水性聚氨酯涂料,

具有很高的断裂伸长率(可达800%)和适当的强度

(20MPa),并能常温干燥。因为高相对分子质量聚合物不能

形成良好而稳定的水分散体,所以传统的单组分水性聚氨酯

涂料通常是较低的相对分子质量或低交联度[7]。并且在其结

构中存在亲水性基团,在干燥固化过程中,如果成盐剂不能完

全逸出,那么亲水性基团会残留在体系中,则涂膜耐水性差。表1 水性聚氨酯涂料与溶剂型聚氨酯涂料的对比(ABS表面)Table1 Comparisonofwaterbornepolyurethaneandsolventpolyurethane(onSurfaceofABS)

项目溶剂型聚氨酯涂料双组分水性聚氨酯涂料自交联单组分水性聚氨酯涂料

VOC/(g#L-1)\700\200[100

涂膜外观平整光滑平整光滑平整光滑

附着力/级021

耐水性96h无异常96h无异常48h无异常

耐醇性/(500g)200次无异常200次无异常100次无异常

硬度\2HHH

光泽958590

而且单组分聚氨酯水分散体涂膜的耐化学性和耐溶剂性不

良,涂膜硬度、表面光泽和鲜艳性较低。

为进一步提高单组分水性聚氨酯涂料的机械和耐化学品

性能,可引入反应性基团进行交联或复合改性基料来提高涂料

性能,选用多官能度的反应物如多元醇、多异氰酸酯和多元胺

等合成具有交联结构的水性聚氨酯分散体;添加内交联剂,如

碳化二亚胺、甲亚胺和氮杂环丙烷类化合物;采用热活化交联

和自氧化交联等。与环氧树脂复合,将环氧树脂较高的支化度

引入到聚氨酯主链上,可提高乳液涂膜的附着力、干燥速率、涂

膜硬度和耐水性[8];与聚硅氧烷复合制备低表面能、耐高温、耐

水、耐候性和透水性良好的复合乳液;与丙烯酸复合,将聚氨酯

的较高的拉伸强度和耐冲击性、优异的柔韧性和耐磨损性能,

与丙烯酸树脂良好的附着力和外观、低成本相结合,制备高固

含量、低成本的聚氨酯-丙烯酸(PUA)复合乳液。

1.2.2 双组分水性聚氨酯涂料

20世纪90年代初,Jacobs[9]成功开发出能分散于水的多

异氰酸酯固化剂,从而使双组分水性聚氨酯涂料进入实用研

究阶段。其具有成膜温度低、附着力强、耐磨性好、硬度高以

及耐化学品性、耐候性好等优越性能。作为双组分水性聚氨

酯涂料,存在水和)NCO的反应,干燥速度慢,在涂膜过程中

易产生气泡。经对其研究,可利用)NCO与水、)OH的反应

速率的不同,选择合适的水性多元醇和固化剂可获得有实用

价值的双组分水性聚氨酯涂料,其涂膜光泽、硬度、耐化学性

能和耐久性可与溶剂型双组分相当。

为得到表观和内在质量均匀的实用涂料,双组分聚氨酯

水分散体涂料还应满足以下两个条件:(1)多元醇体系应具有

乳化能力,从而保证两组分混合后,容易把聚氨酯固化剂(特

别是未经亲水改性的固化剂)乳化,具有分散功能,使分散体

粒径尽可能小,以便在水中更好地混合扩散;(2)固化剂的黏

度要尽可能小,从而减少有机溶剂的用量,甚至不用有机溶

剂,同时又能保证与含羟基的组分很好地混合[10]。

为获得综合性能更加优异的水性聚氨酯涂料,双组分水

性聚氨酯还需在单体和助剂、合成工艺、交联技术以及优化复

合等方面进行改进。目前主要有丙烯酸改性、环氧树脂改性、

有机硅或氟改性、纳米材料复合改性体系等。

由于水性双组分聚氨酯相对于其他水性涂料性能卓越,可

62陆丽浓等:塑料用水性涂料的研究进展