CN110437719A - 一种水性聚氨酯涂料及其制备方法与应用 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种水性聚氨酯涂料及其制备方法与应用，其中，所述水性聚氨酯涂料包括第一组分和第二组分；其中，按重量份计，所述第一组分包括：水性聚氨酯树脂60～85份，醚类5～10份，水4～10份，流平剂0.5～1份，催干剂0.05～0.15份，消泡剂0.3份，增稠剂0.8份，润湿剂0.5份；所述第二组分为含有异氰酸酯基的树脂；所述第一组分中所述水性聚氨酯树脂所含羟基与所述第二组分中含有异氰酸酯基的树脂所含异氰酸基的摩尔比为1:1.1～1.5。本发明所述水性聚氨酯涂料具有优异的柔韧性，耐磨性，耐化学品性，特别适合用作电子和电器产品塑胶外壳的喷涂用涂料。

Description

一种水性聚氨酯涂料及其制备方法与应用

技术领域

本发明涉及涂料领域，尤其涉及一种水性聚氨酯涂料及其制备方法与应用。

背景技术

目前，各种电子或电器产品，如数码相机、笔记本电脑、手机等已广泛应用于人们的生活中。这类产品的外壳大多由塑料和塑胶材料制成，其外壳在加工成型后都需要在表面喷涂保护和装饰用的涂料，由于传统的溶剂型涂料对人类自身以及生态环境所造成的严重威胁日渐凸显，绿色环保型水性聚氨酯PU涂料替代传统的溶剂型聚氨酯PU涂料的进程也将进一步加速。

在电子消费品涂料领域对柔韧性，耐磨性，耐化学品性要求特别严苛，也正因为如此，水性PU涂料具有其不可或缺性和广泛的市场应用前景。然而，现有用于电子和电器产品塑胶外壳的喷涂的涂料，存在施工性差，以及柔韧性，耐磨性，耐化学品的性不足的问题。

因此，现有技术还有待于改进和发展。

发明内容

鉴于上述现有技术的不足，本发明的目的在于提供一种水性聚氨酯涂料及其制备方法与应用，旨在解决现有用于电子和电器产品塑胶外壳的喷涂的涂料，存在柔韧性，耐磨性，耐化学品的性不足的问题。

一种水性聚氨酯涂料，其中，包括第一组分和第二组分；

其中，按重量份计，所述第一组分包括：

所述第二组分包括含有异氰酸酯基(-NCO)的树脂；

所述第一组分中所述水性聚氨酯树脂所含羟基(-OH)与所述第二组分中含有异氰酸酯基的树脂所含异氰酸基的摩尔比为1:1.1～1.5。

所述的水性聚氨酯涂料，其中，所述第一组分中所述水性聚氨酯树脂所含羟基与所述第二组分中含有异氰酸酯基的树脂所含异氰酸基的摩尔比为1：1.2。

所述的水性聚氨酯涂料，其中，按重量份计，所述第一组分包括：

所述的水性聚氨酯涂料，其中，所述水性聚氨酯树脂的羟值为100mgKOH/g。

所述的水性聚氨酯涂料，其中，所述水性聚氨酯树脂由羟值为100mgKOH/g的水性聚氨酯树脂和羟值为50mgKOH/g的水性聚氨酯树脂组成。

所述的水性聚氨酯涂料，其中，所述含有异氰酸酯基的树脂为聚异氰酸酯。

所述的水性聚氨酯涂料，其中，所述醚类为二乙二醇丁醚。

所述的水性聚氨酯涂料，其中，所述流平剂为丙烯酸酯，所述润湿剂为聚醚硅氧烷共聚物，所述增稠剂为缔合型聚氨酯，所述催干剂为甲基磺酸铋，所述消泡剂为聚醚硅氧烷共聚物。

一种如上所述水性聚氨酯涂料应用于塑胶外壳的喷涂用涂料。

一种如上所述水性聚氨酯涂料的制备方法，其中，包括以下步骤：

取水性聚氨酯，在搅拌条件下加入流平剂，分散5-10分钟后，加入醚类，然后搅拌5-10分钟，在搅拌条件下加入催干剂，增稠剂，分散15-20分钟，在搅拌条件下加入消泡剂，润湿剂，水，分散之后用网纱过滤即得成品。

有益效果：本发明通过选用优良的水性聚氨酯树脂以及其它组分，并经过大量试验与改进，将所述第一组分中所述水性聚氨酯树脂所含羟基与所述第二组分中含有异氰酸酯基的树脂所含异氰酸基的摩尔比控制在合适的范围，从而得到综合性能优的水性聚氨酯涂料。本发明所述水性聚氨酯涂料具有优异的柔韧性，耐磨性，耐化学品性。同时，本发明所述水性聚氨酯涂料解决了传统机壳涂料气味大，耐水差的问题。本发明所述水性聚氨酯涂料可用作电子和电器产品塑胶外壳的喷涂用涂料。

具体实施方式

本发明提供一种水性聚氨酯涂料及其制备方法与应用，为使本发明的目的、技术方案及效果更加清楚、明确，以下对本发明进一步详细说明。应当理解，此处所描述的具体实施例仅仅用以解释本发明，并不用于限定本发明。

一种水性聚氨酯涂料，其中，包括第一组分和第二组分；

其中，按重量份计，所述第一组分包括：

所述第二组分包括含有异氰酸酯基的树脂；

所述第一组分中所述水性聚氨酯树脂所含羟基与所述第二组分中含有异氰酸酯基的树脂所含异氰酸基的摩尔比为1:1.1～1.5。

本发明所所述水性聚氨酯涂料解决了传统机壳涂料气味大，耐水差的问题。本发明选用表现优良的水性聚氨酯树脂，并经过大量试验与改进，得到综合性能优的水性聚氨酯PU涂料，其具有优异的柔韧性，耐磨性，耐化学品性等优点。本发明的涂料可用作电子和电器产品塑胶外壳的喷涂用涂料。

本发明中所述水性聚氨酯树脂为含有羟基的水性聚氨酯树脂，可以是阴离子型水性聚氨酯或非离子型水性聚氨酯。本发明中流平剂、催干剂、消泡剂、增稠剂、润湿剂以及其含量通过大量实验测试确定的，能够极大改善水性聚氨酯涂料的产品性能。具体地，所述流平剂为丙烯酸酯，润湿剂为聚醚硅氧烷共聚物，增稠剂为缔合型聚氨酯，催干剂为甲基磺酸铋，消泡剂为聚醚硅氧烷共聚物。本发明中上述组分的选用很重要，能和其他成分搭配，进一步提升水性聚氨酯涂料的综合性能。

优选地，所述的水性聚氨酯涂料，其中，所述第一组分中所述水性聚氨酯树脂所含羟基与所述第二组分中含有异氰酸酯基的树脂所含异氰酸基的摩尔比为1：1.2。通过实验表明，所述第一组分中所述水性聚氨酯树脂所含羟基与所述第二组分中含有异氰酸酯基的树脂所含异氰酸基的摩尔比(以下简称羟基与异氰酸基的摩尔比)将会影响产品的附着力、硬度、柔韧性等性能。当羟基与异氰酸基的摩尔比为1：1.2时，产品的综合性能优异。

优选地，按重量份计，所述第一组分包括：

相对来说，上述水性聚氨酯涂料配方能够表现出最佳的产品性能。

优选地，所述水性聚氨酯树脂的羟值为100mgKOH/g，改善产品的柔韧性，耐磨性、固化性等。本发明所述羟值是指100g树脂中的羟基基团的物质的量。而通常工业上用的羟值是指羟值(Hydroxyl value)1g样品中的羟基所相当的氢氧化钾(KOH)的毫克数，以mgKOH/g表示。

更优选地，所述水性聚氨酯树脂由羟值为100mgKOH/g的水性聚氨酯树脂和羟值为50mgKOH/g的水性聚氨酯树脂组成。更优选地，85份的水性聚氨酯树脂中，70份的羟值为100mgKOH/g的水性聚氨酯树脂和15份羟值为50mgKOH/g的水性聚氨酯树脂或60份的羟值为100mgKOH/g的水性聚氨酯树脂25份羟值为50mgKOH/g的水性聚氨酯树脂。本发明通过中羟树脂搭配中高羟树脂，有利于提高水性聚氨酯涂料的干性，附着力等性能。

优选地，所述含有异氰酸酯基的树脂为聚异氰酸酯。异氰酸酯是异氰酸的各种酯的总称，包括单异氰酸酯R－N＝C＝O和二异氰酸酯O＝C＝N－R－N＝C＝O及多异氰酸酯等。更优选地，二异氰酸酯包括甲苯二异氰酸酯(TDI)、异佛尔酮二异氰酸酯(IPDI)、二苯基甲烷二异氰酸酯(MDI)、二环己基甲烷二异氰酸酯(HMDI)、六亚甲基二异氰酸酯(HDI)、赖氨酸二异氰酸酯(LDI)。

优选地，所述醚类为二乙二醇丁醚。本发明通过试验证明二乙二醇丁醚是本发明较佳的溶剂，其有较高的沸点，与其他组分相溶性好。

优选地，所述水性聚氨酯树脂的固体含量都等于或大于40％，所述第二组分为含有聚异氰酸酯基团的树脂，溶剂为水和醚类溶剂的混合物而成。

一种如上所述水性聚氨酯涂料应用于塑胶外壳的喷涂用涂料。本发明所述水性聚氨酯涂料具有附着力高、硬度高、柔韧性好、耐磨性好、耐化学品性好的特点，特别适合用作塑胶外壳的涂料。

一种如上所述水性聚氨酯涂料的制备方法，其中，包括以下步骤：

取水性聚氨酯树脂，在搅拌条件下加入流平剂，分散5-10分钟后，加入醚类，然后搅拌5-10分钟，在搅拌条件下加入催干剂，增稠剂，分散15-20分钟，在搅拌条件下加入消泡剂，润湿剂，水，分散之后用网纱过滤即得成品。优选地，网纱过滤中网纱为200-400目的网纱。本发明通过采用所述水性聚氨酯涂料的制备方法，具有工艺简单，且通过合理控制各组分添加顺序以搅拌速度等工艺参数，有利于制备的产品稳定性好。

下面通过具体的实施例对本发明的技术方案进行说明。

实施例1

水性聚氨酯涂料的制备方法如下：

取水性聚氨酯树脂80g，羟值为100mgKOH/g，在1000转/分钟搅拌的条件下加入流平剂BYK-381(德国毕克流平剂，离子型聚丙烯酸酯，型号BYK-381，简写为流平剂BYK-381)0.5g，加入二乙二醇丁醚(BDG)溶剂6g，然后搅拌10分钟，在搅拌条件下加入催干剂甲基磺酸铋0.1g，增稠剂BYK425(德国毕克增稠剂，缔合型聚氨酯，型号BYK425，简写为增稠剂BYK425)0.8g，分散15-20分钟，在750转/分钟搅拌条件下加入消泡剂TEGO902W(德国迪高消泡剂，聚醚硅氧烷共聚合物乳液，型号TEGO902W，简写为消泡剂TEGO902W)0.3g，润湿剂TEGO270(德国迪高润湿剂，聚醚硅氧烷共聚物，型号TEGO270，简写为润湿剂TEGO270)0.5g，水6.8g，分散5-10分钟之后用300目网纱过滤即得成品。

本发明所述流平剂为丙烯酸酯，优选德国毕克BYK-381型流平剂。传统的有机硅流平剂对添加量精确性要求极为严苛，如果添加量不精确，很容易引起后期涂膜有针孔现象，而且有机硅流平剂和醋酸丁酸纤维素会影响漆膜层间附着力。在试验过程中，发明人发现丙烯酸酯的操控性比有机硅好，产品稳定性好，不会有这些隐患，并且BYK-381粘度适中，便于添加。

所述润湿剂为聚醚硅氧烷共聚物，优选德国迪高TEGO-270型润湿剂。发明人发现聚醚硅氧烷共聚物类的润湿剂不仅有丙烯酸脂类的润湿剂的润湿功能，更重要的它具有一定的抑泡、破泡功能。

所述增稠剂包括缔合型聚氨酯，优选德国毕克BYK-425型增稠剂。在试验过程中，发现缔合型聚氨酯型增稠剂对涂料酸碱值的敏感性好，而且增稠效果好，使用量基本为聚丙烯酸酯类型增稠剂用量的一半即可达到相同的效果。

所述消泡剂为有机硅消泡剂，优选德国迪高TEGO902型消泡剂和/或TEGO805W型消泡剂。涂料在生产过程中的高速分散容易产生气泡，有机硅比聚醚型消泡剂的破泡效果好。

对比1-1

水性聚氨酯涂料的制备方法如下：

由第一组分和第二组分组成，其中所述第一组分中水性聚氨酯树脂所含-OH与所述第二组分中聚异氰酸酯所含-NCO的摩尔比为1:1.1。

第一组分为按照实施例1的制备方法制备得到。

第二组分分别为日本DIC burnock生产的聚异氰酸酯DNW-5500，拜耳公司生产的聚异氰酸酯3100，拜耳公司生产的聚异氰酸酯2655。在制备过程，第二组分的添加量可通过如下经验公式得到，固化剂用量＝水性聚氨酯树脂重量×水性聚氨酯树脂羟值×42/561/第二组分NCO含量。

附着测试

用百格刀，刀口宽度约为10mm～12mm，每1mm～1.2mm为间隔，共有10格，直线划下时会出现10条间隔相同的直线刀痕，于直线刀痕的垂直位置划下，便成为10*10的100格的正方形，百格刀划下去的时候应该割到见到底材，不可只割在涂料上，否则测试便不成立。

当百格刀划完之后，还必须用胶带测试会不会脱落，首先，胶带贴于百格位置，以手指压下将胶带紧密贴附，再以瞬间的力道将胶带撕起，目视素材上的涂料是否有脱落现象此外，胶带并非随便一种都可以，以JIS标准而言，是必须指定厂牌与型号的。例如3M的Transparent Tape 600，此种胶带宽度为3/4inch，长度有1296inch和2592inch两种。

表1，附着测试评价标准

硬度测试

铅笔硬度测试仪，采用三菱铅笔，荷重500克砝码，划5条，划伤小于等于2条为OK。

柔韧性测试

喷涂后，采用圆柱弯折60厘米，以不开裂为OK。

耐磨测试

RCA为纸袋耐磨测试，荷重175克砝码，每5次观察一下漆膜，直到漆膜出现破损，记录数值。

活化期测试

活化期测试把第一组分，第二组分和水加到一起混合均匀后，常温放置，记录初始时间，一直到焦化时间。

耐化学性测试

耐化学性测试为55度烘烤48小时，表面无明显变化为优，轻微变色为良，明显变色为差。

实验结果如表2所示

表2，第二组分对比产品性能的影响

第二组分

附着

硬度

外观

柔韧性

RCA/次

活化期

耐化学性

DNW-5500

4B

F

优

良

大于100

小于2H

优

拜耳3100

4B

HB

优

优

大于100

4H

优

拜耳2655

4B

F

优

良

大于100

4H

优

对比例1-2

由第一组分和第二组分组成，第二组分为拜耳生产的2655型聚异氰酸酯，第一组分所含-OH与第二组分所含-NCO的摩尔比为1/1.1，1/1.2，1/1.5。

实验结果如表3所示

表3，不同-OH与所含-NCO的摩尔比对产品性能的影响

摩尔比

附着

硬度

外观

柔韧性

RCA/次

活化期

耐化学性

-OH/NCO＝1/1.1

4B

HB-F

优

优

大于100

4H

良

-OH/NCO＝1/1.2

4B

F

优

优

大于100

4H

优

-OH/NCO＝1/1.5

4B

F

优

良

大于100

4H

优

对比例1-3

按照实施例的制备方法制备水性聚氨酯涂料，其中，与实施例1的区别仅在于：BYK-333型流平剂替换为BYK381。

成膜后的外观，不如实施例1，流平性不如实施例1，相应的表面抗化伤都有所损失。虽然流平剂BYK-333价格高，但是流平剂BYK381效果不理想。

对比例1-4

按照实施例的制备方法制备水性聚氨酯涂料，其中，与实施例1的区别仅在于：TEGO902W型消泡剂替换为SN-1370消泡剂。

较实施例1而言更，本对比例所述水性聚氨酯涂料易产生少许泡沫，导致其成膜后的外观不如实施例1，流平性不如实施例1。

实施例2

本实施例所述喷涂用水性聚氨酯PU涂料，由第一组分和第二组分组成，第一组分所含-OH与第二组分所含-NCO的摩尔比为1/1.2；

所述喷涂用水性聚氨酯PU涂料的制备方法如下：

取水性聚氨酯树脂70g，其羟值为100mgKOH/g水性聚氨酯树脂15g，其羟值为50mgKOH/g，在1000转/分钟搅拌的过程中加入流平剂BYK-3810.5g，加入BDG溶剂6g，然后搅拌10分钟，在搅拌中加入催干剂甲基磺酸铋0.1g，增稠剂BYK425 0.8g，分散18分钟，在800转/分钟搅拌下加入消泡剂TEGO902W 0.3g，润湿剂TEGO270 0.5g，水6.8g，分散10分钟之后用300目网纱过滤即得成品。

对比例2-1

对比第二组分为日本DIC burnock生产的聚异氰酸酯DNW-5500，拜耳3100，拜耳2655等，实验结果如下表

附着

硬度

外观

柔韧性

RCA/次

活化期

耐化学性

DNW-5500

5B

F

优

良

大于100

小于2H

优

拜耳3100

4B

HB

优

优

大于100

4H

良

拜耳2655

4B

F

优

良

大于100

4H

优

对比例2-2

按照实施例2的制备方法制备水性聚氨酯涂料，其中，与实施例2的区别仅在于：BYK-425型增稠剂替换为DOW的TT-935增稠剂。

试验发现，增稠剂TT-935的使用量为1g方能达到与实施例2相同的粘度。容易出现增稠过快的情况，与实施例2相比，成膜后的成膜后的流平性变差。可以看出，不同增稠剂，做出的产品有差异，要得到性能优的产品需要有大量的实验数据。对本发明来说，所述BYK-425型增稠剂是一种优良的增稠剂。

对比例2-3

按照实施例2的制备方法制备水性聚氨酯涂料，其中，与实施例2的区别仅在于：用PMA代替去离子水。VOC排放明显增高。

与实施例2相比，对比例2-3所得产品的VOC排放明显增高。失光率、黄变率、流平性明显更高，说明将本发明的水性聚氨酯PU涂料的耐老化性能和成膜外观都显著优于溶剂型的PU塑胶涂料，而且更环保。

对比例2-4

按照实施例2的制备方法制备水性聚氨酯涂料，其中，与实施例2的区别仅在于：TEGO-270型润湿剂替换为BYK-346润湿剂。

润湿效果不如实施例2，较实施例2更易产生少许泡沫，成膜后的流平性能也有所降低。

实施例3

本实施例所述喷涂用水性聚氨酯PU涂料，由第一组分和第二组分组成，第一组分所含-OH与第二组分所含-NCO的摩尔比为1/1.2；其中，所述水性聚氨酯树脂由羟值为100mgKOH/g的水性聚氨酯树脂和羟值为50mgKOH/g的水性聚氨酯树脂。

所述喷涂用水性聚氨酯PU涂料的制备方法如下：

取水性聚氨酯树脂60g，其羟值为100mgKOH/g，水性聚氨酯树脂B 25g，其羟值为50mgKOH/g，在1000转/分钟搅拌的过程中加入流平剂BYK-381 0.5g，加入BDG溶剂6g，然后搅拌10分钟，在搅拌中加入催干剂甲基磺酸铋0.1g，增稠剂BYK425 0.8g，分散15-20分钟，在500-800转/分钟搅拌下加入消泡剂TEGO902W 0.3g，润湿剂TEGO270 0.5g，水6.8g，分散10分钟之后用300目网纱过滤即得成品。

对比例3-1

按照实施例3的制备方法制备水性聚氨酯涂料，其中，与实施例3的区别仅在于：所述水性聚氨酯树脂中，羟值为100mgKOH/g的水性聚氨酯树脂的固含量为35wt％，羟值为50mgKOH/g的水性聚氨酯树脂的固含量为35wt％。

与实施例3相比，产品成膜后光泽较暗、耐化学性较差，耐磨性差。

对比例3-2

按照实施例3的制备方法制备水性聚氨酯涂料，其中，与实施例3的区别仅在于：所述水性聚氨酯树脂中，羟值为100mgKOH/g的水性聚氨酯树脂的固含量为45wt％，羟值为50mgKOH/g的水性聚氨酯树脂的固含量为35wt％。

按照实施例3的制备方法制备水性聚氨酯涂料，其中，与实施例3相比，产品成膜后光泽较暗、耐化学性较差，耐磨性差，但与3-1相比，产品成膜后光泽较优、耐化学性较优，耐磨性优。

实施例3所制备的水性聚氨酯涂料的理化指标见表4。

表4，实施例3所制备的水性聚氨酯涂料的理化指标

附着

硬度

外观

柔韧性

RCA/次

活化期

耐化学性

拜耳2655

5B

F

优

优

大于100

6H

优

综合比较，实施例3为最理想效果，有良好的流平，优异的耐磨可以在各个方面满足终端客户的高品质要求，优异的重涂，满足了日益提高的品质要求，耐化学品方面也能满足了市场的需求。

综上所述，本发明所提供的聚水性聚氨酯涂料，解决了传统机壳涂料气味大，重涂差的问题，并且比传统涂料有更好的耐水性。本发明选用优良的聚水性聚氨酯树脂，并经过大量试验与改进，得到综合性能优的水性聚氨酯PU涂料。

本发明的涂料可用作电子和电器产品塑胶外壳的喷涂用涂料，其具有优异的耐化性，重涂好等优点。

应当理解的是，本发明的应用不限于上述的举例，对本领域普通技术人员来说，可以根据上述说明加以改进或变换，所有这些改进和变换都应属于本发明所附权利要求的保护范围。

Claims (10)

1.一种水性聚氨酯涂料，其特征在于，包括第一组分和第二组分；其中，按重量份计，所述第一组分包括：

所述第二组分包括含有异氰酸酯基的树脂；

所述第一组分中所述水性聚氨酯树脂所含羟基与所述第二组分中含有异氰酸酯基的树脂所含异氰酸基的摩尔比为1:1.1～1.5。

2.根据权利要求1所述的水性聚氨酯涂料，其特征在于，所述第一组分中所述水性聚氨酯树脂所含羟基与所述第二组分中含有异氰酸酯基的树脂所含异氰酸基的摩尔比为1：1.2。

3.根据权利要求1所述的水性聚氨酯涂料，其特征在于，按重量份计，所述第一组分包括：

4.根据权利要求1所述的水性聚氨酯涂料，其特征在于，所述水性聚氨酯树脂的羟值为100mgKOH/g。

5.根据权利要求1所述的水性聚氨酯涂料，其特征在于，所述水性聚氨酯树脂由羟值为100mgKOH/g的水性聚氨酯树脂和羟值为50mgKOH/g的水性聚氨酯树脂组成。

6.根据权利要求5所述的水性聚氨酯涂料，其特征在于，所述含有异氰酸酯基的树脂为聚异氰酸酯。

7.根据权利要求1所述的水性聚氨酯涂料，其特征在于，所述醚类为二乙二醇丁醚。

8.根据权利要求2或3所述的水性聚氨酯涂料，其特征在于，所述流平剂为丙烯酸酯，所述润湿剂为聚醚硅氧烷共聚物，所述增稠剂为缔合型聚氨酯，所述催干剂为甲基磺酸铋，所述消泡剂为聚醚硅氧烷共聚物。

9.一种如权利要求1-8任一所述水性聚氨酯涂料用作塑胶外壳的喷涂用涂料。

10.一种如权利要求1-8任一所述水性聚氨酯涂料的制备方法，其特征在于，包括以下步骤：

取水性聚氨酯树脂，在搅拌条件下加入流平剂，分散5-10分钟后，加入醚类，然后搅拌5-10分钟，在搅拌条件下加入催干剂，增稠剂，分散15-20分钟，在搅拌条件下加入消泡剂，润湿剂，水，分散之后用网纱过滤即得成品。