(拜耳材料科技,上海200120)

    摘要：聚氨酯技术在德国兴起,在中国涂料行业中飞速发展。以聚氨酯为原料的涂料系统已经渗透到中国涂料行业的各个应用领域内。本文重点阐述了聚氨酯技术在汽车OEM涂料及修补漆、木器涂料、防腐蚀涂料、塑料涂料和建筑涂料中的应用。鉴于中国政府正在不断对环保型和低VOC释放量的产品出台严格的法律法规,因此水性或高固含的聚氨酯涂料产品尤其令中国涂料行业关注。本文还论述了水性聚氨酯涂料及辐射固化聚氨酯涂料的发展。

    关键词:聚氨酯;涂料;发展;应用

    0引言

    1937年,奥托•拜耳(OttoBayer)先生发明聚氨酯,奠定了聚氨酯化学的基础,开发出适合不同用途需要的聚氨酯技术。自1955年以来,拜耳公司已把各种单体和聚合的异氰酸酯、聚酯、聚醚及丙烯酸酯应用于聚氨酯涂料的生产中。

    拜耳涂料用树脂的发展历程:1920早期天然树脂漆;1925年硝基漆;1930年中油度醇酸漆AlkydalÒ(首个合成树脂成膜物);1937年聚氨酯;1965年抗褪色双组分聚氨酯涂料应用于飞机和火车机身;1987年BayhydrolÒ作为水性成膜物使用;1994年BayhydurÒ和BayhydrolÒ作为水性双组分聚氨酯体系使用。

    1中国涂料工业的发展

    当今中国正向环境友好和更高性能的涂料方向发展。在高性能与环境友好两者的相结合的竞争中,聚氨酯涂料成为涂料工业的原材料供应商首选产品之一。如今世界上的所有顶级涂料公司都在一定程度上使用基于聚氨酯的产品来服务他们多样化的市场和客户。

    聚氨酯在耐腐蚀性、耐候性、耐刮擦性等方面性能优异。同时具有环境友好这一特性。

    在中国用于涂料工业的聚氨酯技术(不包括建筑涂料)所占的比例超过25%。聚氨酯涂料在木器涂料工业中占主导地位,占到75%的市场份额,紧接着是汽车修补漆,它占40%多的市场份额。聚氨酯技术在防腐涂料、塑料涂料和汽车原厂漆方面的应用也越来越大,占10%的市场份额。近来,聚氨酯涂料在中国涂料市场中正以15%的平均增长率在增长。中国的建筑工业正以显著的速率增长,聚氨酯涂料在以后几年中在建筑工业中有望达到30%左右。

    2聚氨酯的应用

    211聚氨酯在汽车原厂漆和修补漆中的应用

    聚氨酯清漆是指双组分聚氨酯清漆和单组分聚氨酯改性氨基丙烯酸烘烤清漆。聚氨酯清漆市场份额超过30%。目前,聚氨酯清漆在中国年增长率15%。大众汽车、通用汽车和现代汽车都在使用聚氨酯改性氨基丙烯酸烘烤清漆。

    相对于传统的氨基丙烯酸清漆,聚氨酯技术清漆外观更加清澈透亮,耐候性更加出色。同时对于现在市场上很关心的耐洗车性能和耐酸雨性能,聚氨酯清漆都有很明显的优势,含聚氨酯链段的清漆可以明显改善清漆的耐酸雨性能和耐洗车性能。

    目前,为了减少有机挥发物的排放,一些汽车厂商已经开始使用水性汽车原厂漆,在这方面,聚氨酯技术有更加明显的技术优势。

    拜耳是最早把聚氨酯引入到修补漆中的公司之一。现在拜耳的双组分修补漆原料在全世界范围都在广泛的应用。

    212聚氨酯在木器涂料中的应用

    聚氨酯技术在木器涂料方面的应用的历史已超过60年。聚氨酯涂料开始在中国木器涂料市场的应用大约在20世纪60年代末,如今已占中国木器涂料的74%以上,中国已成为世界最大的聚氨酯木器涂料生产国,增长率估计在12%～15%。如今迫于低有机挥发物涂料的压力,各方面性能最接近溶剂型木器漆的水性聚氨酯已成功用于家具及各种木器表面装饰,水性木器漆成为市场的热点。

    水性木器涂料在中国的推广可以追溯到20世纪90年代末,但其性能一直未能满足用户的需要。拜耳多年来致力于提高水性木器涂料品质,不断为市场提供高品质原材料,例如:更小的粒径的单组分水性聚氨酯分散体,因其优异的机械性能和施工方便性广泛应用于木地板、木制工艺品和玩具领域。为得到和溶剂型聚氨酯木器漆性能相似的产品,研发了双组分水性聚氨酯,凭借其对各种底材的良好附着性及优异的耐化学品、耐磨、坚韧性,在其问世10年后增长迅速。该亲水性聚异氰酸酯和丙烯酸、聚酯分散体或乳液能在20～80℃温度下交联反应,从而获得极其优越的涂膜性能,主要应用于家具及室外木器表面。

    随市场对更高生产效率和更好的环保性能涂料的需求,水性紫外光固化聚氨酯分散体应运而生,它能在室温下在紫外光或电子束照射下迅速固化。施工非常方便,有着极好的附着力和耐化学品性,成为全球木器涂料市场增长最快的产品。

    213聚氨酯在防腐涂料中的应用

    聚氨酯涂料具有耐侯好、保光性好,色泽稳定性好,耐腐蚀、耐酸雨、低温施工性好,涂层可覆涂性能好,易修复,涂层柔韧性好并具有优良的延展性、耐冲击性和抗震动效果好的性能优势,其卓越的综合性能使其在防腐工程中得到广泛的应用。

    与其他涂料相比,聚氨酯涂层系统的生命周期成本最低,并能达到欧美关于有机挥发物高要求的排放标准。其优秀的化学性能、较好的经济效益及低有机挥发物标准赢得越来越多的专业人士和用户的认可,聚氨酯已成功应用于桥梁、近海平台、港口机械、工厂设备、贮罐管道及机场、体育场馆等建筑设施。在全球范围内,随着对工程涂层保护功能及表观要求的不断提高,聚氨酯在钢结构防腐蚀领域的应用也在不断发展中。

    除了常规双组分聚氨酯技术外,单组分湿固化聚氨酯和天氡氨酸酯聚脲也拓展了聚氨酯在防腐蚀涂料领域的应用空间,并在欧美的诸多工程应用中就许多工程难题提供了解决方案。

    湿固化聚氨酯与天氡氨酸酯聚脲同时具备了覆涂间隔短、固化反应快的特点,两种产品在同一系统共同使用,使其快速特性叠加,形成快速处理涂层系统。而另一方面,湿固化聚氨酯与天氡氨酸酯聚脲同时具备优越的耐腐蚀性能,二者配套使用又强化了体系高功能、重防腐的工程优势。所以,单组分湿固化聚氨酯和天氡氨酸酯聚脲作为防腐蚀新技术在中国的应用和进一步发展是必然的,也将会是成功的。

    214聚氨酯在塑料涂料中的应用

    塑料已被成功地应用于汽车行业很多年了,并且应用的数量日渐增多。塑料可以应用于很多地方,例如车身、车厢间隔间,另外还有发动机上的钢铁已经全部或部分地被塑料取代。塑料除了质轻的优点外,还具有很多优点。适当的模塑使得它具备广泛的设计空间、零部件组合的潜力和好的动力学性能。发生碰撞时有很好的能量吸收能力以减少碰撞时破坏的程度。除此之外,塑料不会生锈腐烂。

    塑料模具的表层常被涂饰,可以赋予塑料特殊的颜色或一定的光泽,用以遮盖塑料表面的瑕疵,使它拥有更吸引人的外观。涂层除了能给塑料带来漂亮的外观,还可以起到保护作用,使塑料免受气候、溶剂或是刮擦的危害。

    215聚氨酯在建筑涂料中的应用

    作为地坪涂料,聚氨酯技术目前在中国自流平系列中所占的比例还相当小,但其性能相对于占主导地位的环氧来说有很大的范围可以调整,可以满足不同的客户需求。在相对成熟的欧洲市场,聚氨酯技术在地坪漆体系中可以占到25%,因此对中国的市场来说,聚氨酯技术在地坪漆领域还有很大的发展空间。与常规环氧地坪漆相比,聚氨酯最大的特点是柔韧性可以调整。具备一定柔韧性的聚氨酯地坪漆,不仅可以提供优异的裂缝桥接、耐冲击性、耐磨等机械性能,对混凝土保护性更好,还具有消音、柔性脚感等特性,同时具备无缝结构,易于清洁,并耐一般化学品。因此这类聚氨酯体系同时拥有环氧地坪和卷材的优点并克服了其局限性,可以应用于公共走廊、学校、办公室、仓库、停车场及一些工业生产车间等场所,结合具有优异耐候性的脂肪族聚氨酯体系,还可以同时满足装饰及保护的要求。

    在聚氨酯地坪体系中,还有具备优异耐化学品性能的重防腐地坪体系,尤其是对有机酸及高温蒸汽清洁有优异的耐抗性,是符合GMP厂房要求的地坪体系,适合于食品加工厂、饮料厂、药厂等有特殊要求的工业领域,而且这种特性是无法用其它技术所取代的。

    作为墙面漆,目前溶剂型脂肪族聚氨酯已经有一定的应用,但相对乳胶漆来说比例相当小。其具有优异的耐候性、易清洁、耐化学品等特性,已经应用于高档建筑、厂房、公共场所等外墙。现在,新一代双组分水性聚氨酯体系在达到高性能的同时,摆脱了溶剂的束缚,还可以调整柔韧性,更适合于一些对VOC有一定限制的公共场所或特殊洁净厂房使用的要求。

    对于屋面、防水领域,中国市场总体来说防水材料的主体还是各类卷材,防水涂料占到1316%,而聚氨酯大约占到其中40%左右,预计未来的5年防水涂料将增长到总体的19%。聚氨酯防水涂料目前主要应用在地下室中,屋面应用只有2%～5%,主要产品集中在溶剂型聚氨酯。对于这一领域来说,聚氨酯防水涂料的发展方向是无溶剂化,在减少了VOC的同时,还可以一次施工获得所需的厚度,更易于施工。从性能上来说,聚氨酯或聚氨酯聚脲杂合喷涂体系用于屋面具有高强度、无缝、可行走、防植物根穿透、耐化学品等特性,配合脂肪族聚氨酯面漆可以具备优异的耐候性,因此可以提供相对长期保护,并且容易维护。

    216水性聚氨酯涂料

    尽管聚氨酯涂料在中国只占整个涂料领域的4%,然而水性涂料正以大于8%的平均增长速率增长。

    一般来说,水性聚氨酯涂料不需要额外添加乳化剂或分散剂,因为它的分子结构和大小可以根据性能进行灵活调节。与乳胶涂料相比,具有更好的低温成膜特性,不需要额外添加成膜助剂或可塑剂。水性聚氨酯涂料的膜对几乎所有常用的基材都有良好的附着性,具有杰出的耐久性和耐冲击性。另外,可以通过交联反应来改性水性聚氨酯涂料,以增强其耐溶剂和耐化学品性,且制成高光的膜,这对调色师来说是相当重要的。因此,水分散体水性聚氨酯涂料有着广泛的应用领域(如表1所示)。

表1  水性聚氨酯涂料的应用领域预测

    217辐射固化及其他类型聚氨酯涂料

    拜耳材料科技一直致力于紫外光或电子束固化涂料的研究。此方法制备的涂料同样不含挥发性溶剂,又具有优异的物理机械性能和耐化学品性能。早在1967年,就推出了不饱和树脂系列产品并成功的应用在家具涂料上。现在辐射固化涂料的应用范围已经由木器、家具拓展到纸张、薄膜、塑料、金属或矿物底材上,并且既能应用在室内也可以用在户外。并开发了UV粉末涂料。

    3结语

    在未来,对健康安全的关注和法律法规的发展将会持续影响聚氨酯涂料市场。只要比较一下现有的涂料技术就不难发现,以树脂和异氰酸酯为核心的聚氨酯化学,可以提供最好、最经济、最灵活的解决方案。