一种适用于冬季的水性聚氨酯涂料及其制备方法

技术领域

本发明涉及涂料生产领域，具体是一种适用于冬季的水性聚氨酯涂料及其制备方法。

背景技术

随着国家建设环境友好型社会不断深化，国家对VOC排放要求日益严格，水性漆替代溶剂型涂料成为一种必然趋势。然而水性漆相较于天然具有耐水性差等劣势，使得水性漆在个别领域的推广进度缓慢。北方进入10月以后，最低气温会降低至10℃以下，且不时出现降雨天气；而南方冬季气温也普遍在10℃以下，降雨情况比北方更频繁。随着气温降低，聚氨酯涂料反应活性降低，聚氨酯涂料难以固化剂，再加上本身水性聚氨酯涂料在没有完全固化的情况下耐水性差容易出现泛白、锈蚀、脱落等现象。

对于小型零件，可以通过烘烤等方式升温加快固化，而对于风电叶片、钢结构等大型设备，不具备烘烤条件，因此水性聚氨酯涂料在该领域难以推广应用。

传统上为解决该问题需要在聚氨酯体系中添加催干剂，提高反应活性。常用催干剂多为有机锡和胺类催干剂，但是有机锡在水和氧气中被氧化成4价锡，失去催干效果。而胺类催干剂在促进-NCO和-OH反应的同时，对-NCO和水的反应促进效果更明显，导致漆膜出现起泡、失光等不良现象。

在已经公开的文件CN201910809324-一种水性聚氨酯的新用途、水性聚氨酯降温涂料及其制备方法中，所述水性聚氨酯降温涂料包括以下重量份数的组分：90-95份水性聚氨酯乳液，0.1-0.5份氨水，0-1份色浆，30-50份填料，0.5-0.8份消泡剂，0.5-1.0份分散剂，0.2-0.6份增稠剂，1.0-2.0份流平剂，6-15份二丙二醇甲醚；所述填料为非热反射填料。虽然能够达到降温的效果，但是在使用的过程中容易出现发泡和失光的现象。

发明内容

为了解决上述问题，本发明公开了一种适用于冬季的水性聚氨酯涂料及其制备方法，能够使得体系粘度的降低，利于漆膜干燥，防止发白脱落。

本发明的技术方案为：一种适用于冬季的水性聚氨酯涂料，包括如下质量百分比的原料组分：

主剂：

水性羟基丙烯酸树脂 45%-60%

聚天门冬氨酸酯树脂 5%-10%

水 5%-7%

水油通用型分散剂 2%-3%

消泡剂 0.1%-0.2%

白炭黑 0%-3%

颜料 5%-20%

硫酸钡 5%-20%

PH调节剂 0.1%-0.2%

流变助剂 0.2%-0.5%

乳化剂 0.5%-2%

促进剂 0.5%-1%

紫外线吸收剂 0.5%

助溶剂 5%-6%

固化剂：

HDI固化剂 60%

PMA 40%

一种适用于冬季的水性聚氨酯涂料的方法，包括下列步骤：

主剂部分：

1）将聚天门冬氨酸酯树脂置于带有加热装置的耐压罐内，搅拌状态下加入乳化剂，在一定时间内进行搅拌，进行加热，同时罐内通入氮气加压，将压力提升，维持一段时间后停止搅拌，降低罐内压力进行脱泡，脱泡过程维持一定时间，乳化后的聚天门冬氨酸酯树脂温度降至室温放置备用；

2）将水性羟基丙烯酸树脂、水、水油通用型分散剂和消泡剂依次加入投入罐中，开启搅拌；

3）搅拌状态下促进剂投入罐中，在一定时间内进行搅拌；

4）搅拌状态下加入依次颜料、硫酸钡和白炭黑，在一定时间内进行搅拌；

5）将上述浆料进入研磨机，研磨至一定的细度；

6）研磨后的浆料中加入乳化后的聚天门冬氨酸酯树脂；

7）罐内依次PH调节剂、助溶剂、紫外线吸收剂和流变助剂，在一定时间下进行搅拌；

固化剂部分：

HDI固化剂搅拌中加入PMA，在一定时间内进行搅拌，单独分装，并通入氮气。

进一步地，步骤1）中搅拌的转速为300-500r/min，搅拌时间为10-15min，加热温度控制在60-65℃，压力提升至130kPa-150kPa，加压搅拌过程持续60-70min。脱泡过程压力降至85-90kPa,脱泡过程维持60-70min。

进一步地，步骤2）中的搅拌转速为300-500r/min。

进一步地，步骤3）中的搅拌时间为5-10min，搅拌转速300-400r/min。

进一步地，步骤4）中搅拌时间为10-20min，转速500-600r/min。

进一步地，步骤5）中的研磨细度为30μm以下。

进一步地，步骤7）中搅拌时间为20-30min，搅拌的转速为300-500r/min。

进一步地，固化部分的搅拌时间为15-20 min，搅拌转速为300-500r/min。

本发明的有益之处：1、本发明使用非锡类有机金属促进剂，为保证促进剂能够和树脂固化剂有效接触，将乳化剂和促进剂同树脂共研磨；使用水油通用型分散剂保证水性树脂能有有效嵌合促进剂，提高促进剂催化效率；同时该分散剂要求能有有效降低分散浆粘度，减少体系中水的含量，在施工过程中加水量仅为主剂质量的5%左右，避免冬季施工过程中水挥发速率低造成漆膜干燥缓慢的现象；助溶剂选择亲水性挥发速率高的溶剂，一方面有利于体系粘度的降低，减少施工过程中水的用量；另一方面挥发速率快的溶剂也有利于漆膜干燥。

2、本发明体系中加入一定比例聚天门冬氨酸酯树脂，聚天门冬氨酸酯树脂固化速率受温度影响较小，其固化速率主要受其本身结构影响；因此选择合适的聚天门冬氨酸酯树脂可以保证冬季干燥，同时聚天门冬氨酸酯树脂和异氰酸酯形成的聚脲结构具有很强的耐水性，防止漆膜淋雨泡水后产生发白脱落的不良现象；聚脲结构自身存在耐候性差的问题，因此不适于在面漆中单独使用。

3、本发明聚天门冬氨酸酯树脂本身不具备水溶性，因此不能直接加入到水性体系中，需要进行乳化；常规的乳化方法，经测试乳化效果不理想，难以同水性体系有机结合，产品性能不佳，贮存过程容易返粗；经测试在树脂乳化过程中加热的同时加压，乳化效果明显提升，贮存6个月后产品依然稳定，未出现返粗、分层等不良现象。

具体实施方式

为了加深对本发明的理解，下面结合具体实施方式，该实施例仅用于解释本发明，并不构成对本发明的保护范围的限定。

实施例1：

一种适用于冬季的水性聚氨酯涂料A组分：水性羟基丙烯酸树脂47%、聚天门冬氨酸酯树脂9%、分散剂3%、消泡剂0.2%、白炭黑2.5%、钛白粉15%、炭黑0.1%、硫酸钡10%、助溶剂5%、PH调节剂0.1%、流变助剂0.2%、乳化剂1%、促进剂1%、紫外线吸收剂0.5%、水5.4%。

B组分：HDI60%、PMA40%。

A组分/B组分=3.5/1

A组分：水性羟基丙烯酸采用固含量42%的快干型树脂（联固新材料(广州)有限公司2125H）；聚天门冬氨酸酯树脂选用反应活性高、带有仲氨基的聚天门冬氨酸酯树脂（深圳飞扬骏研新材料股份有限公司F421）；分散剂选用含亲颜料基团的高分子嵌段聚合物（毕克化学BYK185）；消泡剂选用有机硅消泡剂（赢创TEGOFoamex810）；白炭黑选用气相法疏水二氧化硅（卡博特M-5）；钛白粉选用杜邦R706；炭黑选用日本三菱MA-100；硫酸钡选用2500目、含水量低于1%的超细硫酸钡（扬州砾金超细硫酸钡）；助溶剂选用乙二醇丁醚（DOW）；PH调节剂选用2-氨基-2-甲基-1-丙醇（美国安格斯AMP-95）；流变助剂选用低剪增稠剂（德谦化学（上海）有限公司WT-102）；乳化剂选用非离子乳化剂（科莱恩LCN407）；紫外线吸收剂选用AQ-1（中国台湾永光化学）；促进剂选用K-KAT4205（美国金氏化学）。

B组分：HDI选用2655异氰脲酸酯固化剂，（科思创化学），PMA选用陶氏化学。

步骤：

主剂部分：

1）将聚天门冬氨酸酯树脂置于带有加热装置的耐压罐内，搅拌状态下加入乳化剂，转速为300r/min，搅拌时间为10min，加热温度控制在60℃，同时罐内通入氮气加压，将压力提升至130kPa，上述过程中，持续搅拌，转速维持在300r/min，加压后该过程维持70min，随后罐内压力降至85kPa，停止搅拌进行脱泡，该过程持续60min，乳化后的聚天门冬氨酸酯树脂温度降至室温放置备用；

2）将水性羟基丙烯酸树脂、水、水油通用型分散剂和消泡剂依次加入投入罐中，开启搅拌，搅拌转速为300r/min；

3）搅拌状态下促进剂投入罐中，搅拌时间为5min，搅拌转速300r/min；

4）搅拌状态下加入依次颜料、硫酸钡和白炭黑，搅拌时间为10min，转速500r/min；

5）将上述浆料进入研磨机，研磨至细度为25μm；

6）研磨后的浆料中加入乳化后的聚天门冬氨酸酯树脂；

7）罐内依次PH调节剂、助溶剂、紫外线吸收剂和流变助剂，搅拌时间为20min，搅拌的转速为300r/min；

固化剂部分：

HDI固化剂搅拌中加入PMA，转速300r/min，搅拌15min。单独分装，并通入氮气。

实施例2：

一种适用于冬季的水性聚氨酯涂料A组分：水性羟基丙烯酸树脂52%、聚天门冬氨酸酯树脂10%、分散剂2%、消泡剂0.1%、钛白粉15%、炭黑0.1%、硫酸钡6.5%、助溶剂6%、PH调节剂0.1%、流变助剂0.2%、乳化剂1%、促进剂1%、紫外线吸收剂0.5%、水5.5%。

B组分：HDI 60%、PMA 40%。

A组分/B组分=3.3/1

A组分：水性羟基丙烯酸采用固含量42%的快干型树脂（联固新材料(广州)有限公司2125H）；聚天门冬氨酸酯树脂选用反应活性高、带有仲氨基的聚天门冬氨酸酯树脂（深圳飞扬骏研新材料股份有限公司F421）；分散剂选用含亲颜料基团的高分子嵌段聚合物（毕克化学BYK185）；消泡剂选用有机硅消泡剂（赢创TEGOFoamex810）；钛白粉选用杜邦R706；炭黑选用日本三菱MA-100；硫酸钡选用2500目、含水量低于1%的超细硫酸钡（扬州砾金超细硫酸钡）；助溶剂选用乙二醇丁醚（DOW）；PH调节剂选用2-氨基-2-甲基-1-丙醇（美国安格斯AMP-95）；流变助剂选用低剪增稠剂（德谦化学（上海）有限公司WT-102）；乳化剂选用非离子乳化剂（科莱恩LCN407）；紫外线吸收剂选用AQ-1（中国台湾永光化学）；促进剂选用美国金氏化学K-KAT4205。

B组分：HDI选用2655异氰脲酸酯固化剂，（科思创化学），PMA选用陶氏化学。

步骤：

主剂部分：

1）将聚天门冬氨酸酯树脂置于带有加热装置的耐压罐内，搅拌状态下加入乳化剂，转速为500r/min，搅拌时间为15min，加热温度控制在65℃，同时罐内通入氮气加压，将压力提升至150kPa，上述过程中，持续搅拌，转速维持在500r/min，加压后该过程维持60min，随后罐内压力降至90kPa，停止搅拌进行脱泡，该过程持续70min，乳化后的聚天门冬氨酸酯树脂温度降至室温放置备用；

2）将水性羟基丙烯酸树脂、水、水油通用型分散剂和消泡剂依次加入投入罐中，开启搅拌，搅拌转速为500r/min；

3）搅拌状态下促进剂投入罐中，搅拌时间为10min，搅拌转速400r/min；

4）搅拌状态下加入依次颜料、硫酸钡和白炭黑，搅拌时间为20min，转速600r/min；

5）将上述浆料进入研磨机，研磨至细度为20μm；

6）研磨后的浆料中加入乳化后的聚天门冬氨酸酯树脂；

7）罐内依次PH调节剂、助溶剂、紫外线吸收剂和流变助剂，搅拌时间为30min，搅拌的转速为500r/min；

固化剂部分：

HDI固化剂搅拌中加入PMA，转速500r/min，搅拌20min。单独分装，并通入氮气。

实施例3：

一种适用于冬季的水性聚氨酯涂料A组分：水性羟基丙烯酸树脂A 48%、聚天门冬氨酸酯树脂7%、分散剂3%、消泡剂0.2%、白炭黑2%，钛白粉6%、颜料黄3%、硫酸钡15.5%、助溶剂6%、PH调节剂0.1%、流变助剂0.2%、乳化剂1%、促进剂0.7%、紫外线吸收剂0.5%、水6.8%。

B组分：HDI 60%、PMA 40%。

A组分/B组分=3.5/1

A组分：水性羟基丙烯酸采用固含量40%的快干型树脂（佛山高明同德化工有限公司2AH0501W）；聚天门冬氨酸酯树脂选用反应活性高、带有仲氨基的聚天门冬氨酸酯树脂（深圳飞扬骏研新材料股份有限公司F421）；分散剂选用含有颜料亲和基团的高分子聚氨酯型分散剂（毕克化学DISPBYK2013）；消泡剂选用有机硅消泡剂（德国毕克BYK024）；白炭黑选用气相法疏水二氧化硅（卡博特M-5）；钛白粉选用杜邦R706；颜料黄选用PY139（先尼科化工（上海）有限公司颜料黄SY3C）；硫酸钡选用2500目、含水量低于1%的超细硫酸钡（扬州砾金超细硫酸钡）；助溶剂选用乙二醇丁醚（DOW）；PH调节剂选用2-氨基-2-甲基-1-丙醇（美国安格斯AMP-95）；流变助剂选用低剪增稠剂（巴斯夫化学Rheovis1191）；乳化剂选用非离子乳化剂（科莱恩LCN407）；紫外线吸收剂选用AQ-1（中国台湾永光化学）；促进剂选用美国金氏化学K-KAT6212

B组分：HDI选用2655异氰脲酸酯固化剂，（科思创化学），PMA选用陶氏化学。

步骤：

主剂部分：

1）将聚天门冬氨酸酯树脂置于带有加热装置的耐压罐内，搅拌状态下加入乳化剂，转速为400r/min，搅拌时间为12min，加热温度控制在62℃，同时罐内通入氮气加压，将压力提升至140kPa，上述过程中，持续搅拌，转速维持在400r/min，加压后该过程维持60min，随后罐内压力降至85kPa，停止搅拌进行脱泡，该过程持续70min，乳化后的聚天门冬氨酸酯树脂温度降至室温放置备用；

2）将水性羟基丙烯酸树脂、水、水油通用型分散剂和消泡剂依次加入投入罐中，开启搅拌，搅拌转速为400r/min；

3）搅拌状态下促进剂投入罐中，搅拌时间为6min，搅拌转速350r/min；

4）搅拌状态下加入依次颜料、硫酸钡和白炭黑，搅拌时间为15min，转速550r/min；

5）将上述浆料进入研磨机，研磨至细度为25μm；

6）研磨后的浆料中加入乳化后的聚天门冬氨酸酯树脂；

7）罐内依次PH调节剂、助溶剂、紫外线吸收剂和流变助剂，搅拌时间为25min，搅拌的转速为400r/min；

固化剂部分：

HDI固化剂搅拌中加入PMA，转速400r/min，搅拌18min。单独分装，并通入氮气。

实施例4：

一种适用于冬季的水性聚氨酯涂料A组分：水性羟基丙烯酸树脂A 50%、聚天门冬氨酸酯树脂10%、分散剂2.5%、消泡剂0.2%、钛白粉7%、颜料黄3%、硫酸钡12.5%、助溶剂6%、PH调节剂0.1%、流变助剂0.2%、乳化剂1%、促进剂0.8%、紫外线吸收剂0.5%、水6.2%。

B组分：HDI 60%、PMA 40%。

A组分/B组分=2.5/1。

A组分：水性羟基丙烯酸采用固含量40%的快干型树脂（佛山高明同德化工有限公司2AH0501W）；聚天门冬氨酸酯树脂选用反应活性高、带有仲氨基的聚天门冬氨酸酯树脂（深圳飞扬骏研新材料股份有限公司F421）；分散剂选用含有颜料亲和基团的高分子聚氨酯型分散剂（毕克化学DISPBYK2013）；消泡剂选用有机硅消泡剂（德国毕克BYK024）；钛白粉选用杜邦R706；颜料黄选用PY139（先尼科化工（上海）有限公司颜料黄SY3C）；硫酸钡选用2500目、含水量低于1%的超细硫酸钡（扬州砾金超细硫酸钡）；助溶剂选用乙二醇丁醚（DOW）；PH调节剂选用2-氨基-2-甲基-1-丙醇（美国安格斯AMP-95）；流变助剂选用低剪增稠剂（巴斯夫化学Rheovis1191）；乳化剂选用非离子乳化剂（科莱恩LCN407）；紫外线吸收剂选用AQ-1（中国台湾永光化学）；促进剂选用美国金氏化学K-KAT6212。

B组分：HDI选用2655异氰脲酸酯固化剂，（科思创化学），PMA选用陶氏化学。

步骤：

主剂部分：

1）将聚天门冬氨酸酯树脂置于带有加热装置的耐压罐内，搅拌状态下加入乳化剂，转速为380r/min，搅拌时间为15min，加热温度控制在65℃，同时罐内通入氮气加压，将压力提升至140kPa，上述过程中，持续搅拌，转速维持在380r/min，加压后该过程维持60min，随后罐内压力降至85kPa，停止搅拌进行脱泡，该过程持续70min，乳化后的聚天门冬氨酸酯树脂温度降至室温放置备用；

2）将水性羟基丙烯酸树脂、水、水油通用型分散剂和消泡剂依次加入投入罐中，开启搅拌，搅拌转速为400r/min；

3）搅拌状态下促进剂投入罐中，搅拌时间为8min，搅拌转速350r/min；

4）搅拌状态下加入依次颜料、硫酸钡和白炭黑，搅拌时间为15min，转速550r/min；

5）将上述浆料进入研磨机，研磨至细度为25μm；

6）研磨后的浆料中加入乳化后的聚天门冬氨酸酯树脂；

7）罐内依次PH调节剂、助溶剂、紫外线吸收剂和流变助剂，搅拌时间为25min，搅拌的转速为350r/min；

固化剂部分：

HDI固化剂搅拌中加入PMA，转速400r/min，搅拌18min。单独分装，并通入氮气。

对比实例

主剂：

固化剂

配比：主剂/固化剂=3.5/1

测试数据

贮存稳定性试验：

根据上述测试结果，该发明相较于传统水性聚氨酯涂料，在低温环境下干燥速率明显提升，并且在冬季低温环境下初期耐水性能优异，能够确保水性涂料在冬季使用。经过实验验证该发明产品性能稳定能够贮存6个月以上。