用于硅PU塑胶地坪的水性双组分聚氨酯涂料的研制
用于硅PU塑胶地坪的水性双组分聚氨酯涂料的研制
史立平，孔志元，何庆迪，蔡青青 （ 中海油常州涂料化工研究院有限公司，江苏常州 213016）
0 引言
随着我国国民经济的发展，全民健身理念正日益深入人心，大到每个城市、小到每个社区或单位都会建造不同类型的运动场地，为健身和比赛提供便利。硅PU（有机硅改性聚氨酯的简称）塑胶地坪具有不易老化、开裂、鼓泡等优点，不会因气候等环境因素的改变而产生发硬、发软等现象，其具有独特的上硬下弹的弹性系统设计：上层的加强层保留足够的反弹承托，为运动中球的平稳、多向、快速移动的需求提供充足的物理基础保证，同时满足专业运动对球感的要求；下层的弹性层则通过回缩瞬间吸收冲击力，缓冲后的受压蓄势通过加强层形成向上的高回弹力，有效减缓地面对运动人员脚踝、关节、韧带的反作用力所造成的运动伤害，同时能够提高运动的效果。因此，硅PU 塑胶地坪成为市场上公认的最好的运动场地之一，自2005 年问世以来，市场推广非常迅速。
通常在硅PU 塑胶地坪表面施涂一层地坪面漆，可有效解决加强层的色差问题，并提高硅PU 塑胶地坪的耐候性、耐磨性、耐化学介质性等性能，大大改善硅PU 塑胶地坪的耐久性。目前，溶剂型双组分聚氨酯涂料是硅PU 塑胶地坪面漆的主流产品，其生产和施工过程中有大量的有机溶剂挥发，对环境及人体健康造成严重危害。近年来，水性双组分聚氨酯涂料技术的研发成为热点。它以水为分散介质，最大限度地减少了有机溶剂和有机污染物的排放，节约能源，具有不燃烧、气味小、操作加工方便等优点，同时，又兼具溶剂型双组分聚氨酯涂料的高性能，因此，研制用于硅PU 塑胶基材的水性双组分聚氨酯地坪涂料具有广阔的应用前景。
水性涂料中有机溶剂极少，对基材的浸润性及附着力较差，如何有效解决水性双组分聚氨酯涂料在硅PU 塑胶基材上的附着力及耐久性等问题是本研究的技术关键。
1 实验部分
1.1 主要原材料
羟基丙烯酸乳液，中海油常州涂料化工研究院有限公司；羟基丙烯酸水分散体、颜填料、分散剂、水性流变剂、增稠剂、消泡剂、增滑剂、润湿流平剂、杀菌剂、水可分散型异氰酸酯，均为市售工业品。
1.2 基本配方及制备工艺
用于硅PU 塑胶基材的水性双组分聚氨酯地坪涂料由两个组分组成：甲组分（
固化剂）为水可分散型异氰酸酯，乙组分为水性羟基丙烯酸树脂体系，配方见表1。色浆加在乙组分中，色浆的基本配方见表2。
水性羟基丙烯酸树脂体系的配方
色浆的基本配方
色浆制备：在一合适容器中加入配方量的去离子水、分散剂、消泡剂、各色颜料、填料、水性流变助剂，砂磨分散至浆料的细度≤ 25 μm，制得色浆。
配漆：在另一合适容器中加入水性羟基丙烯酸树脂、色浆，搅拌均匀后，加入成膜助剂、耐磨助剂、消泡剂、润湿流平剂、杀菌剂，搅拌均匀，然后慢慢加入增稠剂调节黏度，80 目绢网过滤，包装，即得乙组分。
1.3 涂膜制备
甲、乙组分按规定比例混合均匀后，加入一定量的去离子水调节至合适的施工黏度，刷涂或喷涂在硅PU 塑胶基材上，制备样板，所得的样板在标准状态下放置7 d 后测试性能。
2 结果与讨论
2.1 水性羟基丙烯酸树脂的选用
2.1.1 水性羟基丙烯酸树脂的选择
水性羟基丙烯酸树脂是水性双组分聚氨酯涂料的主要成膜物质，对涂膜性能起决定性作用。目前用于制备硅PU 塑胶地坪面漆的水性羟基丙烯酸树脂主要有两大类：分散体型丙烯酸多元醇和乳液型丙烯酸多元醇。其中前者是在溶剂中由自由基聚合而成，然后再在水中分散，树脂的相对分子质量较小，对水可分散型异氰酸酯
固化剂的润湿分散性好，容易与
固化剂接触反应，涂膜的光泽度、丰满度好，但含有一定量的有机溶剂；后者采用乳液聚合法合成，相对分子质量大，涂膜丰满度稍差，但体系的VOC（挥发性有机化合物）含量低，施工固体分高，涂膜干燥快，并具有更为优异的柔韧性和耐候性，且加工成本低，具有较好的成本竞争优势。
用于硅PU 塑胶地坪的面漆常采用辊涂或无气喷涂法施工，施工场地通常处于户外，环境温度较高，而每道施涂的湿膜厚度往往超过100 μm，对比了由这两种水性羟基丙烯酸树脂配制的水性双组分聚氨酯地坪涂料在不同湿膜厚度下涂膜中针孔情况，即厚膜容忍性（见表3）。
不同水性羟基丙烯酸树脂的厚膜容忍性对比
由表3 可见：由羟基丙烯酸乳液制备的地坪涂料的厚膜容忍性明显好于羟基丙烯酸水分散体，这是由于水分散体树脂分子中大量的亲水基团与水之间存在较强的氢键作用，涂膜中的水挥发速度较慢，水可分散型异氰酸酯与涂膜中残存的水发生反应，产生大量的CO2，导致涂膜产生针孔。因此，本研究选用羟基丙烯酸乳液用于制备水性双组分聚氨酯地坪涂料。
2.1.2 羟基含量的影响
选用了不同羟基含量的羟基丙烯酸乳液产品，分别配制成水性双组分聚氨酯地坪涂料的乙组分，使用同一种甲组分交联固化，进行主要性能对比，结果见表4。
不同羟基含量的羟基丙烯酸乳液对涂膜性能的影响
由表4 可见：羟基丙烯酸乳液的羟基含量对涂膜的耐磨性、耐化学介质性等性能的影响不明显，但当乳液的羟基含量增大至3.3% 时，涂膜在硅PU塑胶基材上的附着力变差，这可能是由于羟基含量较高时，使得涂膜的交联密度增大，涂膜的内聚力过大，从而使硅PU 塑胶基材上的涂膜容易脱落。综合考虑，本研究选用羟基含量为1.3% 的羟基丙烯酸乳液。
2.2 水可分散型异氰酸酯的选用
2.2.1 水可分散型异氰酸酯的影响
作为水性双组分聚氨酯地坪涂料中的甲组分——水可分散型异氰酸酯
固化剂对涂膜的性能有重要影响。目前常用的
固化剂均为六亚甲基二异氰酸酯（HDI）类异氰酸酯通过内乳化亲水改性制得，在水中能很好地分散。本研究选取了四种水可分散型异氰酸酯A、B、C、D 进行试验，主要性能指标见表5。
水可分散型异氰酸酯的主要性能指标
以优选的羟基含量为1.3% 的羟基丙烯酸乳液制备水性双组分聚氨酯涂料的乙组分，以不同的水可分散型异氰酸酯作甲组分（
固化剂），n（—NCO）∶n（—OH）按1.5∶1 进行配比，分别制得样板，涂膜性能对比结果见表6。
不同水可分散型异氰酸酯对涂膜性能的影响
由表6 可见：由水可分散型异氰酸酯B、D 交联固化的涂膜的耐酸性、耐人工老化性等性能明显好于A、C。这是由于A 中含有一定量的溶剂，而C 因黏度较大，在水中难以直接分散，使用前须用一定量的溶剂稀释，以便降低黏度，改善其分散性，使用这两种
固化剂均增加了涂料体系的VOC（挥发性有机化合物）含量，对环境有一定污染和危害。而B、D 黏度较小，加入乙组分后非常容易分散均匀，且D 已大批量供应市场，因此本研究选用水可分散型异氰酸酯D作为甲组分（
固化剂）。
2.2.2 —NCO 与—OH 配比的影响
在水性双组分聚氨酯地坪涂料体系中，羟基丙烯酸树脂与水可分散型异氰酸酯间的反应是主反应，但是水可分散型异氰酸酯还会与水等物质发生副反应，尤其在施工环境温度较高而湿度较大的情况下，会消耗一定量的水可分散型异氰酸酯。为了确保涂料中羟基能完全反应，通常使用过量的水可分散型异氰酸酯。本试验选用优选的水可分散型异氰酸酯D作为
固化剂，按照n（—NCO）∶n（—OH）不同比例配制涂料，涂膜性能检测结果见表7。
表7 n（—NCO）∶ n（—OH）配比对涂膜性能的影响
表7 n（—NCO）∶ n（—OH）配比对涂膜性能的影响
由表7 可见：n（—NCO）∶n（—OH）配比对涂膜的耐水性、耐碱性及耐汽油性等性能影响不大。n（—NCO）∶n（—OH）配比过小，涂膜的交联密度过小，涂膜的耐酸性较差。当n（—NCO）∶n（—OH）配比过大时，不但增加了涂料的使用成本，而且涂膜在硅PU 塑胶基材上的附着力变差，这可能是由于过量的水可分散型异氰酸酯与水发生了反应，降低了涂膜性能。较适宜的n（—NCO）∶n（—OH）配比为1.2~1.6。
2.3 助剂的选用
与其他水性涂料体系一样，用于硅PU 塑胶地坪的水性双组分聚氨酯涂料需要加入多种助剂来改善涂料的性能。
2.3.1 耐磨助剂
硅PU 塑胶地坪在使用过程中不断受到运动人员鞋底的踩踏和磨擦，因此作为面涂的水性双组分聚氨酯地坪涂料必须具有优异的耐磨性，以提高地坪的使用耐久性。在涂料中直接添加耐磨助剂是提高涂层耐磨性最为简便的方法，其中蜡乳液是较为常用的一类耐磨助剂，易于在涂料中添加，且效果明显。本研究选用了几种高密度聚乙烯蜡乳液进行性能对比，结果见表8。
不同蜡乳液对涂膜性能的影响
由表8 可见：蜡乳液B、C 可明显改善涂膜的耐磨性，而蜡乳液C 还可以降低涂膜的光泽，因而可以降低涂料中的消光剂的添加量，而且又极易在乙组分中分散均匀，在贮存过程中不易发生沉降与结块，解决了常见消光粉在水性涂料中难以添加、分散及容易沉降结块等问题。本研究选用蜡乳液C 作为耐磨助剂。不同添加量蜡乳液C 对涂膜性能的影响见表9。
不同添加量蜡乳液C对涂膜性能的影响
由表9 可见：蜡乳液C 可以明显提高涂膜的耐磨性，但是其添加量过大时，涂膜在硅PU 塑胶基材上的附着力变差，因此蜡乳液C 的添加量为3% 即可。
2.3.2 流变助剂
用于篮球场、网球场等场合的硅PU 塑胶地坪，在涂装第一道面漆时，常常在面漆中按比例加入一定量的细石英砂，以提高整个涂层的摩擦因数。由于石英砂的密度较大，在尚未施涂的面漆中容易沉降，从而使涂膜中的石英砂分布不匀。为了解决石英砂的沉降问题，通常在面漆配方中添加一定量的纤维素类流变助剂，使涂料具有较大黏度和触变性，但此时施涂的涂膜不容易流平，影响了涂膜的装饰效果。添加流变助剂的另一个重要原因是可以改善水性涂料在干燥成膜时的浮色与发花现象。本研究使用了新型水性流变助剂，与常用的羟乙基纤维素流变助剂进行对比，见表10。
两种不同流变助剂对涂料性能的影响
由表10 可见：使用新型水性流变助剂，其恰当的触变性可有效改善涂膜的浮色与发花，不影响涂膜的流平性，并能防止面漆中的石英砂在施工过程中沉降，使其在涂膜中能分布均匀，而且对涂膜耐水性的影响远比常用的羟乙基纤维素要轻微得多。
2.3.3 其他助剂
润湿流平剂改善了水性双组分聚氨酯地坪涂料对硅PU 塑胶基材的润湿性，提高了附着力。在选用润湿流平剂时，也应考虑其易起泡的特性。通过比较试验，BYK-346、BYK-348 等润湿流平剂的综合性能较为优异。
此外，消泡剂的作用是防止和消除水性双组分聚氨酯地坪涂料在生产过程中和施工时产生气泡，也有助于消除地坪涂料在固化过程中水可分散型异氰酸酯与水反应所产生的CO2。在本研究体系中，聚醚改性有机硅类消泡剂较为适宜，通过比较试验，选用BYK-028、BYK-093 等消泡剂。
3 性能指标
用于硅PU 塑胶地坪的水性双组分聚氨酯涂料的各项性能指标检测结果见表11。
水性双组分聚氨酯地坪涂料的性能指标检测结果
4 硅PU塑胶地坪的施工工艺
硅PU 塑胶地坪共涂覆四层涂层，由下至上依次
为底漆、弹性层、加强层、面漆。配套涂层体系见图1。
硅PU塑胶地坪配套涂层体系示意图
硅PU 塑胶地坪的施工工艺：基础基材处理—切割伸缩缝—防水底漆施工—填充伸缩缝—弹性层施工—加强层施工—水性双组分聚氨酯面漆施工—划线—验收。
底漆渗透进基础基材的微细孔内，固化后起加固基材表面作用，并提高整个涂层体系在基材上的附着力，应避免在烈日下或基础建材温度较高情况下施工（无雾、无雨天的早上或傍晚较适宜），以保证底漆的渗透性。弹性层、加强层为单组分含硅聚氨酯吸水固化材料，用齿刮板直接涂刮于基面，每道涂刮厚度不能超过2.5 mm，每道涂刮时间间隔以前一道已干燥固化为准，且应避免在高温烈日下施工，施工后应保持2~3 h 不受猛烈阳光照射，否则会因表面成型太快而造成表面鼓泡。水性双组分聚氨酯地坪面漆应在较低的湿度且温度不宜过高的环境下进行施工。根据要求严格控制涂料各组分的配比，同时应在尽可能短的时间内施涂完毕；若辊涂施工，应采用十字交叉法，可有效改善涂膜的颜色外观及膜厚的均一性；每道面漆施工间隔应在6 h 以上。
5 结语
（1） 选用羟基含量为1.3% 的羟基丙烯酸乳液制备水性双组分聚氨酯涂料的乙组分，其适宜的羟基含量使涂膜具有适当的交联密度，从而使涂膜的附着力、硬度及耐化学介质性等性能间取得平衡，避免因羟基含量过低而影响涂膜的硬度、耐化学介质性，又防止因羟基含量过高导致涂膜的内应力较大，使涂膜在硅PU 塑胶基材上的附着力下降。
（2） 选用从市场上容易购得的水可分散型异氰酸酯D 作为甲组分（
固化剂），它不含挥发性有机溶剂，黏度较小，在乙组分中极易分散，适宜的n（—NCO）∶n（—OH）配比为1.2~1.6，涂膜固化后具有优异的综合性能。
（3） 选用蜡乳液C 可以明显改善涂膜的耐磨性，并降低涂膜的光泽，且其在乙组分中容易添加，在贮存过程中不易发生沉降结块。
（4） 使用新型水性流变助剂，可以有效改善涂料的浮色与发花和施工性，不影响涂膜的流平性，并能防止石英砂在施工过程中沉降，使其在涂膜中分布均匀，对涂膜的耐水性影响远比常用的羟乙基纤维素轻微得多。
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