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更快干更高效的聚氨酯涂层--可以延长可适用期并同时缩短干燥时间的非异氰酸酯聚氨酯技术

作者:John Argyropoulos、Nahrain Kamber、Paul Popa 和 David Pierce,陶氏涂料事业部,宾夕法尼亚州 Collegeville 和密歇根州 Midland   |  发表于:2016-02-24   |  关键词:树脂,聚氨酯涂料,面漆,底漆,丙烯酸树脂,   | 摘自: 2015年美国PCI中文版电子杂志10月刊


在提高效率和/或缩短维护周期的需求下,终端用户对工业涂料的干燥速度有了更高的要求。但在使用传统双组份(2K)聚氨酯涂料时,干燥时间受制于需要平衡可适用期而无法大幅度提高。减缓基础树脂(A 组分)和异氰酸酯交联剂(B 组分)之间的反应速度,可延长亟需的可适用期;但同时也会延长干燥时间陶氏化学公司旗下业务单位陶氏涂料事业部门开发出了 PARALOID™ 非异氰酸酯聚氨酯技术,该技术采用氨基甲酸酯交联体系,使得体系可适用期与室温固化速度之间不再矛盾,使配方设计师能够同时优化两种特性。

干燥速度要求

在工业涂料领域,更快的干燥速度是一项重要的竞争性优势。加快干燥速度、缩短工艺流程时间可以提高工作效率,减少人工成本并提升客户满意度。在整体向好的经济形势下,汽车用户数量快速增加,行业合并也使汽车修理厂的数量减少,因此汽车修补漆更加需要提高作业速度2。尽管有很多因素会影响汽车修补漆的施工周期,加快聚氨酯涂料的干燥速度无疑是最为有效的措施之一。

汽车修补漆从业者每年使用约 6000 万磅的聚氨酯。3大多数都是基于脂肪族二异氰酸酯和丙烯酸多元醇的双组份涂料。4这些原料具备优异的耐侯性、包括耐紫外线照射和耐黄变性;优异的保色和保光性(即使在极长曝晒时间后);优异的耐水、耐油和耐化学品性;以及优良的硬度和耐刮擦性。但是,如果没有双组份喷涂设备或热辅助固化,要获得这些高性能特性,就必须延长涂覆底漆后的打磨干燥时间和涂覆面漆后的抛光干燥时间。除此之外,还包括有限的可适用期。一旦将双组份进行混合后,可喷涂时间将缩短至数个小时。

与传统的室温固化以异氰酸酯作为交联剂的的聚氨酯不同,使用 PARALOID™ Edge 非异氰酸酯聚氨酯技术,无需在固化速度/可适用期这一对矛盾间进行权衡。如图1所示,这种创新技术使用基于氨基甲酸酯的活性基团、一种二醛交联剂和一种酸催化剂。除了能够缩短室温干燥时间同时延长活化期,该技术还使配方工程师和应用工程师能够使用无异氰酸酯的交联体系,从而提高涂料的环保、健康和安全性。

图1  PARALOID™ Edge非异氰酸酯聚氨酯技术利用聚氨基甲酸酯与二醛的反应,生成一个交联的聚氨酯膜。

PARALOID™ Edge非异氰酸酯聚氨酯技术利用聚氨基甲酸酯与二醛的反应,生成一个交联的聚氨酯膜。

更快干更高效的聚氨酯涂层

照片说明:在位于密歇根州 Midland 的陶氏涂料材料部研究实验室中,使用 PARALOID™ Edge 非异氰酸酯聚氨酯技术配制的聚氨酯中涂底漆涂覆汽车挡泥板。 

底漆环节的受益

汽车修补过程需要涂覆多道涂料,而且每层道涂料都需要一定的干燥时间。对待整修区域进行填充和打磨后,通过喷涂方法涂装多道中涂底漆。待底漆干燥后,进行打磨和清洁,然后才是最终的涂装流程。如果缩短底漆的干燥时间,就会显著缩短整体修涂漆作业的周期时间,从而提高修理厂的效率5。表1提供了一种基于 PARALOID™ Edge非异氰酸酯聚氨酯技术的双组份聚氨酯汽车修补底漆的参考配方。

表1  基于PARALOID™ Edge 1100醇酸树脂和 PARALOID™ Edge XL-195交联剂的双组份聚氨酯汽车修补底漆的配方详情和涂料特性。

配方详情

 

A 

加仑

打浆研磨

PARALOID™ Edge 1100 树脂

305.89

36.99

 二甲苯

18.88

2.60

甲苯

136.85

18.85

 甲基乙基酮

66.97

9.91

 Disberbyk  110  分散剂

10.33

1.39

Tiona  585  二氧化钛

64.69

1.89

Nicron  665  滑石粉

64.69

2.77

Optiwhite  煅烧硅酸铝

45.00

2.25

Miti-wite  硫酸钡

73.12

1.99

Letdown

乙醇

88.08

13.37

 双丙酮醇

17.80

2.27

B 

加仑

PARALOID  Edge XL-195 交联剂

37.72

4.39

催化剂

DNNDSA55% 固含)

11.24

1.35

Totals

总计

 

941.24

100.00

料特性

体积固含

28.8%

重量固含

49.8%

PVC 颜料体积浓度

25.0%

密度(磅/加仑)

9.41

VOC (g/L)

564

为了验证室温固化,在冷轧钢板(用80号砂纸打磨过)上喷涂两层底漆,每层间涂覆后留10分钟溶剂挥发时间。将涂覆的钢板存储在恒温恒湿箱内进行干燥。打磨时使用320号砂纸手工打磨,如打磨时砂纸不粘结,且纸上任何残留材料可轻松甩下或碰下即视为已可打磨。

2  中所示,使用 PARALOID™ Edge技术的中涂底漆的打磨时间很短(40分钟)。相比之下,一种市售的含异氰酸酯聚氨酯的打磨时间要多四倍以上,它在打磨前需要180分钟的干燥时间。

2  使用 PARALOID™ Edge技术的中涂底漆所需的打磨时间与市售异氰酸酯涂料的比较。

中涂底漆

挥发时间

(分钟)

挥发条件

干燥条件

打磨时间

(分钟)

PARALOID Edge

10

23C

50% RH

23C

50 % RH

40

异氰酸酯对比

10

23C

50% RH

23C

50 % RH

180

RH = 相对湿度。

典型特性,不应被视作产品规格。

优良的附着力

附着力和耐溶剂性是汽车修补中中涂底漆所需的重要特性。表3概述了使用 PARALOID™ Edge技术的中涂底漆的耐溶剂性和划格法附着力测试结果。24小时后的 甲乙酮擦拭超过100,7天后超过200。附着力的测试遵循了ASTM 3359的测试方法,使用3mm刀片进行划格法附着力测试。测试在两种体系上进行:一种是仅涂布了中涂底漆的钢板,另一种是涂布了同样的中涂底漆和市售黑色色漆以及透明罩面。七天后,仅涂布了中涂底漆的体系和涂布了中涂底漆/黑色色漆/透明罩面的钢板显示并维持了良好的附着力。

表 3 用 PARALOID™ Edge非异氰酸酯聚氨酯技术配制的汽车修补底漆的耐溶剂性和附着力。

PARALOID™  Edge 非异氰酸酯聚氨酯中涂底漆

薄膜厚度(微米)

85

77.5

150

157.5

钢板类型

仅底漆

仅底漆

底漆/色漆/透明罩面

底漆/色漆/透明罩面

甲乙酮擦拭(双摩擦)

24 小时(25% 的薄膜损失)

175

175

天(25% 的薄膜损失)

>200

>200

划格法附着力

24 小时

4B

4B

5B

5B

3B

3B

4B

5B

典型特性,不应被视作产品规格。

隔夜可适用期

如上所示,PARALOID™ Edge非异氰酸酯聚氨酯技术的重要特性是能够消除可适用期与固化速度和涂层性能之间的相互关联。为展示该特性,在制备中涂底漆一小时内喷涂该中涂底漆,然后在室温下放置 6、16和24个小时后分别喷涂来确定可适用时间对于固化速度和涂层性能的影响。除了打磨性之外,在涂层分别固化一天和七天后的耐溶剂性也进行了测试。所有涂层在干燥 40分钟后打磨良好,证明长达24小时的配方老化并未影响快速打磨性。放置16和24小时后再喷涂的涂层一天后的耐MEK擦洗性略低;但是七天后,在不同时间喷涂的所有底漆上都观察到相同的耐溶剂性。在所有的底漆上都观察到相似的划格法金属附着性,七天后附着力略有降低。

面漆选项

汽车修补行业中大多数基于异氰酸酯的聚氨酯涂料都使用丙烯酸多元醇树脂,PARALOID™ Edge 非异氰酸酯聚氨酯技术中使用到的树脂既可以是基于醇酸骨架的,也可以是丙烯酸骨架的。这种额外的灵活性使配方设计师在底漆和面漆的配方成本和涂层性能要求之间平衡时,拥有更多的定制化选择。除了将基于醇酸树脂的体系商业化,使其能够应用于汽车修补底漆,陶氏还在开发应用于面漆的基于丙烯酸树脂的系统,可提供优良的抗紫外性,而且在固化速度和可适用期方面也拥有显著的优势。表4所示为基于初始测试的配方详情和涂层特性。

表4  用 PARALOID™ Edge 非异氰酸酯聚氨酯技术配制的基于丙烯酸树脂的双组份聚氨酯涂料的配方详情和涂料特性。

配方

透明涂层

丙烯酸氨基甲酸酯

1

2

氨基甲酸酯 Tg ()

4

23

PTSA 催化剂(基于树脂固体的重量 %)

0.6

0.6

料特性2

薄膜厚度(微米)

62.5

50

光泽度 (60°)

103

88

铅笔硬度

HB

H

Konig摆杆硬度  [sec]

71

131

划格法附着力(0-5B  级)

5B

3B

耐甲乙酮擦拭(双摩擦数),25%  的薄膜损失

>100

>100

抗冲击性,(面冲)(英寸-磅)

70

30

芯轴弯曲,0.5’’(通过/失败)

P

F

典型特性,不应被视作产品规格。

无需等待,避免浪费

是选择更长的可适用期还是更快的固化时间,一直是室温固化双组份聚氨酯体系面临的问题。在汽车修补中,使用者为了维持可行的可适用期有时不得不接受次优的干燥时间。PARALOID™ Edge 非异氰酸酯聚氨酯技术是一种室温固化、无异氰酸酯*的涂料技术,可将可适用期与固化速度相分离。在汽车修补中,该技术可为终端用户提供适用的解决方案,加快周期循环,有助于提高效益并减少浪费,同时提供更高的环保、健康和安全性。

详细信息,请访问 www.dow.com/coatingmaterials。

*不含异氰酸酯

参考文献

1Snyder, Jesse.  “Flat December fails to tarnish ‘another great year for auto sales’,” (www.autonews.com), January 3, 2014

2 Automotive Aftermarket Industry Association, Digital 2013 Collision Repair Trends.

3 Center for the Polyurethanes Industry 2012 End-Use Market Survey

4 “Aliphatic Diisocyanates Explained, Fast Facts and Figures,” American Chemistry Association

5 Wall, C.A., Richards, B.M. and Bradlee, C., “The Ecological and Economic Benefits of UV-Curing Technology,” RadTech Report, March/April 2004.

 ™ 陶氏化学公司(简称“DOW”)或其附属公司的商标



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