水性聚氨酯/苯丙复合可剥保护涂料的研制

郭军红 张鹏飞 杨保平 崔锦峰 周应萍 刘永亮

（兰州理工大学石油化工学院，甘肃 兰州 730050）

1 引言

许多产品在运输、装卸、组装过程中，不可避免地受到风沙、勒痕、划痕、刮痕等因素的影响，造成表面刮伤、影响美观、性能下降、甚至报废。当在材料工件表面涂一层临时保护涂料时，将避免工件损伤毁坏，完成保护后保护涂膜即可剥去，产品表面依旧能保持原有的外观和性能[1-2]。可剥涂料是一种广泛用于表面临时性保护的涂料。目前，溶剂型的可剥涂料应用比较广泛，但其含有大量有机溶剂，环境友好性差；此外，热熔型的可剥涂料也有应用，但其施工难度大、能耗高；水性可剥涂料具有低VOC 排放、环境友好、便于施工、保护作用强、易于剥离等优点，成为可剥涂料的一个未来发展方向[3-5]。本研究是以水性聚氨酯-苯丙乳液复合成的可剥涂料，该涂料适应于各种涂装方式、可剥离性好、价格低廉、符合环保性要求。

2 实验部分

2.1 实验仪器

ESJ-500 实验室高速分散机，上海易勒机电有限公司；QTY-10A 型漆膜弯曲试验器，天津材料试验机厂；QHQ-A 型涂膜铅笔硬度计，上海新诺仪器设备有限公司；PSC 红外线涂层厚度测试仪，武汉润立办公设备有限公司 ；XH-200S型180 度剥离强度试验机，易电国际集团有限公司；四口烧瓶，回流冷凝管等。

2.2 实验药品

聚四氢呋喃醚（PTMG），异佛尔酮二异氰酸酯（IPDI），二羟甲基丙酸(DMPA)，N-甲基－吡咯烷酮(NMP)，苯乙烯(St)，甲基丙烯酸(MAA)，甲基丙烯酸甲酯（MMA），丙烯酸乙酯（EA），丙烯酸正丁酯(BA)，三乙胺，乙二胺，丙酮，氨水，二月桂酸二丁基锡，十二烷基硫酸钠，OP-10，过硫酸钾，碳酸氢钠，有机硅剥皮助剂，醇酯-12，EFKA 消泡剂，EFKA 流平剂，增稠剂，丙二醇等均为化学纯。

2.3 水性聚氨酯的制备

在装有回流冷凝管、机械搅拌和温度计的四口烧瓶中加入一定量的聚四氢呋喃醚（PTMG）、异佛尔酮二异氰酸酯（IPDI）和N－甲基－吡咯烷酮(NMP)、加入少许二月桂酸二丁基锡，升温至80 ℃反应1.5 h，降温至50 ℃，加入二羟甲基丙酸(DMPA)扩链，反应完成后加入丙酮调节粘度，经三乙胺中和后，在快速搅拌下加入去离子水乳化分散，用乙二胺扩链，再用少量氨水处理后，减压脱除丙酮，最后得到蓝色半透明乳液[6]。水性聚氨酯乳液的性能指标见表1。

表1 水性聚氨酯乳液的性能指标

2.4 苯丙乳液的制备

将一定量的混合乳化剂（十二烷基硫酸钠与OP-10 质量比为1:1）用去离子水总量80%-90%的水加入溶解后加入到四口烧瓶中，调节温度到70 ℃，搅拌速度160-180 转/分钟。先加入质量分数约20%的由苯乙烯(St) 、甲基丙烯酸(MAA) 、甲基丙烯酸甲酯（MMA）、丙烯酸乙酯（EA）、丙烯酸正丁酯(BA)组成的混合单体和总质量3%-4%的引发剂过硫酸钾。待温度恒定到70℃后，再加入PH 缓冲剂碳酸氢钠和剩余的引发剂和水，然后在4 小时内滴加完剩余的混合单体，最后用氨水调节乳液PH 在8.0-9.0 之间，最后得到乳状白色液体[7]。苯丙乳液的性能指标见表2。

表2 苯丙乳液的性能指标

2.5 水性可剥保护涂料的制备

在敞口容器中加入一定量的苯丙乳液，开动搅拌器在600-800 转/每秒下，加入一定量的水性聚氨酯、丙二醇；搅拌10 分钟后加入适量消泡剂，流平剂；继续搅拌30 分钟后加入一定量的有机硅助剂，继续搅拌10 分钟后加入成膜助剂、增稠剂，最后用三乙胺调整PH 至7.2-8.5。

3 结果与讨论

3.1 水性可剥保护涂料的成膜可剥机理

本实验采用脂肪族聚醚型水性聚氨酯和苯丙乳液，加以其他助剂复配而成可剥涂料。其中苯乙烯(St)、甲基丙烯酸(MAA)、甲基丙烯酸甲酯（MMA）、异佛尔酮二异氰酸酯（IPDI）为硬单体，丙烯酸乙酯（EA）、丙烯酸正丁酯(BA)、聚四氢呋喃醚（PTMG）为软单体。在形成涂膜过程中，水性聚氨酯和苯丙乳液中的这些单体则相互缠绕，相互形成牢固的化学键或不稳定的氢键，从而使整个涂膜形成一种带有苯环、脂环、甲基、羧基、酯键、醚键等支链的网状高分子聚合物。这种结构不仅使涂膜具有很好的柔韧性，还使涂膜具有一定的硬度。可剥涂料被覆涂到玻璃，光滑金属等表面后，随着水分的挥发，涂料中两种成膜成分会不断的缠绕、固化，最后形成一层连续、透明并且均匀的涂膜[8]。

加入适量的有机硅剥皮助剂可以降低涂膜与底材之间的粘结力，调整柔韧性与硬度之间的最佳比例，制得硬度适当，柔韧性好，具有良好弹性，附着力低，容易从底材表面顺利剥离的保护涂料。

3.2 可剥涂料中主要成分对剥离强度的影响

可剥涂料中水性聚氨酯、苯丙乳液和有机硅助剂的配比直接影响保护涂膜的剥离强度。选择A 水性聚氨酯质量、B 苯丙乳液质量、C 有机硅助剂质量三因数设计正交试验如表3。

表3 因数水平表

表4 实验设计表

表5 数据分析结果表

由以上正交试验结果可知，影响可剥涂料的三因数显著性依次为B＞C＞A.优化条件为A3B3C3,即可剥涂料的最佳剥离条件为：水性聚氨酯质量60 份，B 苯丙乳液质量30 份，有机硅助剂质量5 份。在最佳剥离条件下，按照表6的实验配方制成可剥涂料。

表6 可剥保护涂料实验配方

从表6 可知，苯丙乳液和水性聚氨酯是主要成膜物质，丙二醇作为防冻剂，有机硅助剂用于提高涂膜的可剥性能，增稠剂和去离子水用于调整涂料的施工粘度，三乙胺用于调整涂料的PH值。通过实验得到的可剥涂料硬度适当，柔韧性好，具有良好弹性，附着力低，容易从多种底材表面顺利剥离。

3.3 涂层厚度对剥离强度的影响

涂层厚度对剥离强度的影响见图1。

图1 涂层厚度对剥离强度的影响

从图1 可知，涂层的剥离强度随涂层厚度的增加而降低，当涂层厚度达到150um 时剥离强度为0.22N，继续增加厚度剥离强度基本不再变化。一般涂层厚度达到200um 时具有良好的剥离效果。

3.4 有机硅助剂含量对剥离强度的影响

有机硅助剂含量对剥离强度的影响见图2。

从图2 可知，涂层的剥离强度随有机硅助剂含量的增加而降低，当有机硅助剂含量达到2%时，剥离强度为0.22N，继续增加有机硅助剂含量则涂层剥离强度基本没有变化。一般有机硅助剂含量达2%时，涂层具有良好的剥离效果。

3.5 涂膜性能与几种基材的保护

调整到合适的施工粘度，刷或喷于有机玻璃板，按照涂料漆膜制备的方法进行制版，其中涂膜厚度为200um。涂膜性能检测结果见表7。

表7 涂膜性能检测结果

3.6 可剥涂料对几种基材表面的试验

可剥涂料对几种基材表面的试验结果见表8。

由表8 可知，由于底材不同可剥涂料的剥离强度有明显的差异，涂膜硬度的差异不是特别明显。不同底材表面的化学组成成分不一样，有些基材表面可能与可剥涂料的成膜物质形成氢键，从而使附着力增大，影响剥离强度。基材表面的粗燥程度也会影响剥离强度，粗燥的表面由于物理作用力，使涂膜附着力增大，从而影响剥离强度。由于可剥涂料涂膜厚度较厚，所以涂膜的硬度受底材的影响不大。

图2 有机硅助剂含量对剥离强度的影响

4 结语

采用水性聚氨酯和苯丙乳液作为成膜物质，辅以有机硅助剂来降低涂层的剥离强度，加入各种助剂后制成单组分水性可剥涂料。该可剥涂料几乎可以在任何光滑表面如有机玻璃、无机玻璃、光滑金属、光滑陶瓷、汽车等表面进行临时保护并剥离。

可剥涂膜的剥离强度受到不同底材的影响，当涂膜达到一定厚度后硬度受底材影响不大，涂膜的剥离强度随着涂膜厚度的增加而降低，达到150um 膜厚后剥离强度基本不变；剥离强度随着有机硅助剂含量的增加而降低，有机硅助剂含量达到2%以后，剥离强度基本不变。

表8 不同基材涂膜性能测试结果(200um 膜厚下测得)

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