CN112898884B - 一种耐磨聚脲涂料及其制备方法和应用 - Google Patents

一种耐磨聚脲涂料及其制备方法和应用 Download PDF

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Abstract

本申请涉及涂料领域，具体涉及一种耐磨聚脲涂料及其制备方法和应用。耐磨聚脲涂料包括A组分、B组分和C组分，所述A组分、B组分和C组分的质量比为(1.5‑2.5):(4‑6):(2.5‑3.5)，所述C组分为金刚砂粉和/或刚玉粉，按重量份计，所述A组分的制备原料包括醛酮树脂5‑20份、碳酸二甲酯5‑15份、颜料50‑70份、分散剂1‑5份、有机金属盐0.1‑0.5份；所述B组分为脂肪族聚异氰酸酯。本申请采用脂肪族聚异氰酸酯与空气中的水分反应产生氨基、氨基再与脂肪族聚异氰酸酯反应生成聚脲固化漆膜，聚脲的交联密度增大，提高了涂料的耐人工气候老化性和耐磨性。本申请制备的耐磨聚脲涂料，施工工序简单、对施工环境要求低，在使用过程中无开裂或剥落现象。

Description

一种耐磨聚脲涂料及其制备方法和应用
技术领域
本申请涉及涂料领域，具体涉及一种耐磨聚脲涂料及其制备方法和应用。
背景技术
随着现代科学技术的发展，人造卫星、宇宙飞船、高速列车、汽轮机的发动机的叶轮、舰船的螺旋桨、水轮发电机的叶片以及船舶的甲板、建筑物的地板、路标器等，都受到高速气流、砂石和水流的冲刷、机械力的作用，材料的磨损相当严重。耐磨涂料是一类具有特殊功能的新型功能涂料，具有较好的耐磨损性，可提高材料及机械设备的耐磨性、硬度和使用寿命。
目前常见的耐磨涂料为双组分聚氨酯涂料，异氰酸酯预聚物和含羟基树脂两组分直接固化形成聚氨酯，具有良好的机械性能、较高的固体含量，但存在施工工序复杂、对施工环境要求很高，且在使用过程中涂膜还会出现开裂或剥落的情况，会降低耐磨性效果。
针对上述相关技术，申请人认为亟需研发一种施工简单、在使用过程中涂膜不易开裂或剥落的高耐磨涂料。
发明内容
为改善双组分聚氨酯耐磨涂料在使用过程中涂膜易开裂或剥落的问题，本申请提供一种耐磨聚脲涂料及其制备方法和应用。
第一方面，本申请提供一种耐磨聚脲涂料，采用如下技术方案实现：
一种耐磨聚脲涂料，包括A组分、B组分和C组分，所述A组分、B组分和C组分的质量比为(1.5-2.5):(4-6):(2.5-3.5)，所述C组分为金刚砂粉和/或刚玉粉，按重量份计，所述A组分的制备原料包括醛酮树脂5-20份、碳酸二甲酯5-15份、颜料50-70份、分散剂1-5份、有机金属盐0.1-0.5份；所述B组分为脂肪族聚异氰酸酯。
通过采取上述技术方案，本申请不用异氰酸酯预聚物和含羟基树脂固化形成聚氨酯，而采用脂肪族聚异氰酸酯与空气中的水分反应产生氨基、氨基再与脂肪族聚异氰酸酯反应生成聚脲固化漆膜；醛酮树脂和碳酸二甲酯作为促进剂，加快了脂肪族聚异氰酸酯与空气中水分的反应速度，使聚脲的交联密度增大，提高了涂料的耐人工气候老化性和耐磨性。与双组份聚氨酯涂料相比，施工工序简单、对施工环境要求低，在使用过程中无开裂或剥落现象。
优选的，所述脂肪族聚异氰酸酯中NCO的含量为21.5-22.5wt％；更优选的，所述脂肪族聚异氰酸酯中NCO的含量为21.5-22.1wt％。
通过采用上述技术方案，本申请通过调节脂肪族聚异氰酸酯的NCO值，可以控制涂料的耐磨性和涂膜抗划伤性，在一定范围内增大NCO值可以提高聚脲的交联密度，但NCO值较大且范围较宽，聚脲的交联结构不均一，从而降低聚脲涂料的耐磨性和涂膜抗划伤性。
优选的，所述刚玉粉是含量为99.6-99.8wt％的白刚玉微粉；更优选的，所述刚玉粉是含量为99.8wt％的白刚玉微粉。
通过采取上述技术方案，本申请采用纯度更高的白刚玉微粉作为耐磨填料，耐磨性得到明显提高。
优选的，所述颜料选自钛白粉、炭黑、柠檬黄、中铬黄中的一种或多种；更优选的，所述颜料为钛白粉、炭黑、柠檬黄和中铬黄的混合物；最优选的，所述钛白粉、炭黑、柠檬黄和中铬黄的质量比为1:(0.6-0.8):(0.1-0.2):(0.1-0.2)。
通过采用上述技术方案，采用钛白粉、炭黑、柠檬黄和中铬黄复配作为颜料，可以提高涂料的耐磨性、硬度、涂膜抗划伤性，且色差小。
优选的，所述炭黑的比表面积为110-120m2/g；更优选的，所述炭黑的比表面积为110m2/g。
通过采用上述技术方案，本申请采用比表面积为110-120m2/g的炭黑，分散性好、着色力强，且提高了颜料与醛酮树脂和碳酸二甲酯间的相容性，提高了涂料的耐磨性，降低了涂料的色差。
优选的，所述炭黑的DBP值为95-105cm3/100g；更优选的，所述炭黑的DBP值为100cm3/100g。
通过采用上述技术方案，本申请采用DBP值为100cm3/100g、比表面积为110m2/g的炭黑，在比表面积相同的情况下，炭黑聚集体之间的空隙体积最大，有利于碳酸二甲酯和含颜料亲和基团的高分子量嵌段共聚物溶液进入炭黑聚集体内，提高炭黑与醛酮树脂、聚脲之间的相容性，提高了涂料的耐磨性和涂膜抗划伤性，降低了涂料的色差。
优选的，所述分散剂为含颜料亲和基团的高分子量嵌段共聚物溶液；更优选的，所述含颜料亲和基团的高分子量嵌段共聚物溶液的酸值为9.5-10.5mgKOH/g且溶剂含有醋酸酯；最优选的，所述含颜料亲和基团的高分子量嵌段共聚物溶液的酸值为10mgKOH/g且溶剂含有醋酸丁酯和丙二醇甲醚醋酸酯。
通过采用上述技术方案，本申请采用含颜料亲和基团的高分子量嵌段共聚物溶液，提高了颜料的分散性，降低了涂料的色差，还能提高颜料、刚玉粉和醛酮树脂的相容性，进而提高涂料的耐磨性，尤其是酸值为10mgKOH/g、溶剂为质量比为1:1:1的二甲苯、醋酸丁酯、丙二醇甲醚醋酸酯的含颜料亲和基团的高分子量嵌段共聚物溶液，其与碳酸二甲酯共同作用，加快了脂肪族聚异氰酸酯与空气中水分的反应速度，使生成的聚脲交联密度增大，耐磨性进一步得到提高。
优选的，所述醛酮树脂的羟值为150-280mgKOH/g；更优选的，所述醛酮树脂的羟值为150-230mgKOH/g。
通过采用上述技术方案，本申请采用羟值为150-230mgKOH/g的醛酮树脂，其与酸值为10mgKOH/g的含颜料亲和基团的高分子量嵌段共聚物溶液共同作用，提高了颜料和刚玉粉的分散性、润湿性和附着力，使涂料的色差小，且提高了无机组分与有机组分之间的相容性，提高了涂料的耐磨性和涂膜抗划伤性。
第二方面，本申请提供一种耐磨聚脲涂料的制备方法，采用如下的技术方案：
一种耐磨聚脲涂料的制备方法，包括如下步骤：
S1：将醛酮树脂、碳酸二甲酯、分散剂、颜料、有机金属盐依次加入分散缸，分散30-90min，用三辊机研磨至细度小于30μm，过滤，出料，得A组分；
S2：将A组分、B组分和C组分按比例混合，得耐磨聚脲涂料。
通过采用上述技术方案，本申请制备耐磨聚脲涂料的工艺简单，条件温和，且采用依次加入醛酮树脂、碳酸二甲酯、分散剂、颜料、有机金属盐的方式，使体系的分散性和相容性都得到明显的提高，再用三辊机研磨至细度小于30μm，进一步提高了耐磨填料和颜料的均一性，提高了涂料的耐磨性，降低了涂料的色差。
第三方面，本申请提供一种耐磨聚脲涂料在钢铁、电力、化工、电子耐磨零部件和家居耐磨产品中的应用。
综上所述，本申请具有以下有益效果：
1、本申请不用异氰酸酯预聚物和含羟基树脂固化形成聚氨酯，而采用脂肪族聚异氰酸酯与空气中的水分反应产生氨基、氨基再与脂肪族聚异氰酸酯反应生成聚脲固化漆膜，醛酮树脂和碳酸二甲酯作为促进剂，加快了脂肪族聚异氰酸酯与空气中水分的反应速度，使聚脲的交联密度增大，提高了涂料的耐人工气候老化性和耐磨性。与双组份聚氨酯涂料相比，本申请制备的耐磨聚脲涂料，施工工序简单、对施工环境要求低，在使用过程中还不会出现开裂或剥落现象。
2、本申请采用NCO的含量为21.5-22.1wt％的脂肪族聚异氰酸酯，提高了涂料的耐磨性和涂膜抗划伤性。
3、本申请采用钛白粉、炭黑、柠檬黄和中铬黄复配作为颜料，尤其是比表面积为110-120m2/g、DBP值为95-105cm3/100g的炭黑，提高了炭黑与醛酮树脂、聚脲之间的相容性，进而提高了涂料的耐磨性和涂膜抗划伤性，降低了涂料的色差。
4、本申请采用含颜料亲和基团的高分子量嵌段共聚物溶液，提高了颜料的分散性，降低了涂料的色差，还能提高颜料、刚玉粉和醛酮树脂的相容性，其与碳酸二甲酯共同作用，加快了脂肪族聚异氰酸酯与空气中水分的反应速度，使生成的聚脲交联密度增大，耐磨性进一步得到提高。
具体实施方式
为改善双组分聚氨酯耐磨涂料在使用过程中涂膜易开裂或剥落的问题，本申请人在研究过程中发现，聚脲可以代替聚氨酯，即，不采用含羟基树脂与异氰酸酯直接固化，而使用异氰酸酯和空气中的水分反应，形成聚脲涂膜，具有无溶剂、固化快、对湿度及温度不敏感、施工周期短，但其存在涂膜硬度不够高、耐磨性差、耐化学性差等缺点。而加入耐磨填料金刚砂粉或刚玉粉，使涂膜的耐磨性能和硬度大大提高，但是耐磨填料分散性差，且耐磨填料与聚脲的相容性差，存在韧性低的缺点，易产生裂纹，且颜料分散性差，色差大。本申请就是在此基础上得出的。
以下结合实施例和对比例对本申请作进一步详细说明。
本申请实施例和对比例使用的原料均可通过市售获得，若无特殊说明，本申请各实施例和对比例中使用的原料来源于下表1，下表1中没提及的原料均购买自国药集团化学试剂有限公司。
表1
Figure BDA0002915467080000041
Figure BDA0002915467080000051
实施例
实施例1-23提供了一种耐磨聚脲涂料，以下以实施例1为例进行说明。
实施例1提供的一种耐磨聚脲涂料，其制备步骤为：
S1：将5g醛酮树脂、5g碳酸二甲酯、1g分散剂、50g颜料、0.1g有机金属盐依次加入分散缸，分散60min，用SG405三辊研磨机研磨至细度为25μm，过滤，出料，得A组分；
S2：将A组分、脂肪族聚异氰酸酯和刚玉粉按质量比为1.5:4:2.5混合，得耐磨聚脲涂料；
其中，所述醛酮树脂的牌号为KT-80(羟值≥60mgKOH/g)；
所述碳酸二甲酯为工业级碳酸二甲酯(CAS号：616-38-6)；
所述分散剂为分散剂5040；
所述颜料由锐钛型钛白粉BA01-4、炭黑MA-11(比表面积为92m2/g、DBP吸收量为64cm3/100g)、501柠檬黄和103中铬黄按质量比为1:0.6:0.1:0.1混合而成；
所述有机金属盐为二月桂酸二丁基锡HG-011(CAS号：77-58-7)；
所述脂肪族聚异氰酸酯的牌号为N-75(NCO含量为16.2-16.8wt％)；
所述刚玉粉为刚玉微粉W7。
实施例2-5同实施例1，不同之处仅在于：所述耐磨聚脲涂料制备原料的质量不同，具体见表2。
表2
Figure BDA0002915467080000052
Figure BDA0002915467080000061
实施例6，同实施例5，不同之处仅在于：所述二月桂酸二丁基锡HG-0111替换为辛酸亚锡T-9(CAS号：301-10-0)。
实施例7，同实施例5，不同之处仅在于：所述刚玉微粉W7替换为金刚砂微粉W14。
实施例8，同实施例5，不同之处仅在于：所述锐钛型钛白粉BA01-4替换为金红石型钛白粉R930-4。
实施例9，同实施例5，不同之处仅在于：所述锐钛型钛白粉BA01-4替换为钛白粉R996。
实施例10，同实施例9，不同之处仅在于：所述炭黑MA-11替换为炭黑MA-8(比表面积为120m2/g、DBP吸收量为57cm3/100g)。
实施例11，同实施例9，不同之处仅在于：所述炭黑MA-11替换为炭黑MA-7(比表面积为133m2/g、DBP吸收量为66cm3/100g)。
实施例12，同实施例9，不同之处仅在于：所述炭黑MA-11替换为炭黑MA-100(比表面积为110m2/g、DBP吸收量为100cm3/100g)。
实施例13，同实施例12，不同之处仅在于：所述颜料由钛白粉R996、炭黑MA-100、501柠檬黄和103中铬黄按质量比为1:0.8:0.2:0.2混合而成。
实施例14，同实施例12，不同之处仅在于：所述颜料由钛白粉R996、炭黑MA-100、501柠檬黄和103中铬黄按质量比为1:0.7:0.15:0.15混合而成。
实施例15，同实施例12，不同之处仅在于：所述颜料由钛白粉R996、炭黑MA-100、501柠檬黄和103中铬黄按质量比为1:0:0.15:0.15混合而成。
实施例16，同实施例12，不同之处仅在于：所述颜料由钛白粉R996、炭黑MA-100、501柠檬黄和103中铬黄按质量比为0:0.7:0.15:0.15混合而成。
实施例17，同实施例14，不同之处仅在于：所述分散剂5040替换为
Figure BDA0002915467080000062
(酸值为9mgKOH/g)。
实施例18，同实施例14，不同之处仅在于：所述分散剂5040替换为DISPERBYK-190(酸值为10mgKOH/g，溶剂为水)。
实施例19，同实施例14，不同之处仅在于：所述分散剂5040替换为DISPERBYK-163(酸值为10mgKOH/g，溶剂为质量比为1:1:1的二甲苯、醋酸丁酯、丙二醇甲醚醋酸酯)。
实施例20，同实施例19，不同之处仅在于：所述脂肪族聚异氰酸酯N-75替换为脂肪族聚异氰酸酯HDI Basonat HI100(NCO含量为21.5-22.5wt％)。
实施例21，同实施例19，不同之处仅在于：所述脂肪族聚异氰酸酯N-75替换为脂肪族聚异氰酸酯
Figure BDA0002915467080000072
N3300(NCO含量为21.5-22.1wt％)。
实施例22，同实施例21，不同之处仅在于：所述醛酮树脂KT-80替换为醛酮树脂WHR-120(羟值为210-280mgKOH/g)。
实施例23，同实施例21，不同之处仅在于：所述醛酮树脂KT-80替换为醛酮树脂HHR-120(羟值为150-230mgKOH/g)。
对比例
对比例1
对比例1，同实施例1，不同之处仅在于：所述醛酮树脂KT-80替换为羟基丙烯酸树脂FX-9040。
对比例2，同实施例1，不同之处仅在于：所述碳酸二甲酯替换为六亚甲基二异氰酸酯(CAS号：822-06-0)。
对比例3，同实施例1，不同之处仅在于：所述脂肪族聚异氰酸酯N-75替换为芳香族聚异氰酸酯Desmodur IL1351BA。
性能检测试验
针对本申请实施例1-23和对比例1-3提供的耐磨聚脲涂料，进行如下的性能检测。
1、耐磨性：按照GB/T 1768-2006的标准，测试实施例1-23和对比例1-3所述耐磨聚脲涂料的耐磨性(700g，500r)，测试结果见表3。
2、铅笔硬度：按照GB/T 6739-1996的标准，测试实施例1-23和对比例1-3所述耐磨聚脲涂料的铅笔硬度，测试结果见表3。
3、涂膜抗划伤性：按照ASTM D 5178-98-2002的标准，测试实施例1-23和对比例1-3所述耐磨聚脲涂料的涂膜抗划伤性，记录刚开始出现划伤的载荷(kg)，测试结果见表3。
表3
Figure BDA0002915467080000071
Figure BDA0002915467080000081
4、耐人工气候老化性：按照GB/T 1865-2009的标准，测试实施例1-23和对比例1-3所述耐磨聚脲涂料的耐人工气候老化性，观察有无起泡、开裂、剥落、粉化现象，测试结果见表4。
5、色差：将实施例1-23和对比例1-3所述耐磨聚脲涂料在25℃均放置1天和30天后，分别涂布在地板上(涂布量5g/m2)，自然风干，使用便携式色差仪一台(柯尼卡美能达公司生产型号为CM-2600D)测试放置30天与放置1天之间的色差值，测试结果见表4。
表4
Figure BDA0002915467080000082
Figure BDA0002915467080000091
以下结合表3和表4提供的检测数据，详细说明本申请。
从本申请实施例1-5和对比例1-3可知，本申请醛酮树脂与碳酸二甲酯、脂肪族聚异氰酸酯共同作用，不采用羟基丙烯酸树脂，而采用脂肪族聚异氰酸酯与空气中的水分反应产生氨基，氨基继续与脂肪族聚异氰酸酯反应生成聚脲，交联密度大，不仅耐人工气候老化性得到明显提高，且涂膜抗划伤性和硬度也得到较大的提高。
从本申请实施例5、8-9可知，钛白粉R996与锐钛型钛白粉BA01-4、金红石型钛白粉R930-4相比，钛白粉R996对应涂料的耐磨性更高、色差更小。
从本申请实施例9-12可知，炭黑的比表面积和DBP吸收量对涂料的色差、耐磨性、涂膜抗划伤性的影响较大，其中比表面积为110m2/g、DBP吸收量为100cm3/100g的炭黑MA-11对应的色差更小、耐磨性和涂膜抗划伤性更好。
从本申请实施例12-16可知，采用钛白粉R996、炭黑MA-100、501柠檬黄和103中铬黄复配作为颜料，可以大大提高涂料的耐磨性、硬度、涂膜抗划伤性，且色差小。
从本申请实施例14、17-19可知，分散剂的种类对颜料和刚玉粉的分散效果有较大的影响，采用含颜料亲和基团的高分子量嵌段共聚物溶液，可以提高颜料的分散性，降低涂料的色差，提高颜料、刚玉粉和醛酮树脂的相容性，提高涂料耐磨性，尤其是酸值为10mgKOH/g、溶剂为质量比为1:1:1的二甲苯、醋酸丁酯、丙二醇甲醚醋酸酯的DISPERBYK-163，其与碳酸二甲酯共同作用，加快了脂肪族聚异氰酸酯与空气中水分的反应速度，使生成的聚脲交联密度增大，耐磨性进一步得到提高。
从本申请实施例19-21可知，脂肪族聚异氰酸酯的NCO值对涂料的耐磨性和涂膜抗划伤性有影响，在一定范围内增大NCO值可以提高聚脲的交联密度，但NCO值较大且范围较宽，聚脲的交联结构不均一，会降低聚脲涂料的耐磨性和涂膜抗划伤性。
从本申请实施例21-23可知，醛酮树脂的羟值大小对脂肪族聚异氰酸酯与空气中水分的反应速度有影响，也对颜料和刚玉粉与醛酮树脂的相容性有影响，其中，羟值为150-230mgKOH/g的醛酮树脂HHR-120可以提高颜料润湿性和附着力，使涂料的色差小。
本具体实施例仅仅是对本申请的解释，其并不是对本申请的限制，本领域技术人员在阅读完本说明书后可以根据需要对本实施例做出没有创造性贡献的修改，但只要在本申请的权利要求范围内都受到专利法的保护。

Claims (8)

1.一种耐磨聚脲涂料，包括A组分、B组分和C组分，所述A组分、B组分和C组分的质量比为(1.5-2.5):(4-6):(2.5-3.5)，所述C组分为金刚砂粉和/或刚玉粉，其特征在于，按重量份计，所述A组分的制备原料包括醛酮树脂5-20份、碳酸二甲酯5-15份、颜料50-70份、分散剂1-5份、有机金属盐0.1-0.5份；所述B组分为脂肪族聚异氰酸酯；
所述醛酮树脂的羟值为150-280mgKOH/g；
所述耐磨聚脲涂料的制备方法，包括如下步骤：
S1：将醛酮树脂、碳酸二甲酯、分散剂、颜料、有机金属盐依次加入分散缸，分散30-90min，用三辊机研磨至细度小于30μm，过滤，出料，得A组分；
S2：将A组分、B组分和C组分按比例混合，得耐磨聚脲涂料。
2.根据权利要求1所述的一种耐磨聚脲涂料，其特征在于，所述脂肪族聚异氰酸酯中NCO的含量为21.5-22.5wt%。
3.根据权利要求1所述的一种耐磨聚脲涂料，其特征在于，所述刚玉粉是含量为99.6-99.8wt%的白刚玉微粉。
4.根据权利要求1所述的一种耐磨聚脲涂料，其特征在于，所述颜料选自钛白粉、炭黑、柠檬黄、中铬黄中的一种或多种。
5.根据权利要求4所述的一种耐磨聚脲涂料，其特征在于，所述炭黑的比表面积为110-120m2/g。
6.根据权利要求5所述的一种耐磨聚脲涂料，其特征在于，所述炭黑的DBP值为95-105cm3/100g。
7.根据权利要求1所述的一种耐磨聚脲涂料，其特征在于，所述分散剂为含颜料亲和基团的高分子量嵌段共聚物溶液。
8.权利要求1-7中任一项所述的一种耐磨聚脲涂料在钢铁、电力、化工、电子耐磨零部件和家居耐磨产品中的应用。
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