刘湘，张静元，张津滔，陈万军，孙宏刚，曹皓，刘洋

（西南技术工程研究所，重庆 400039）

摘要：以水性羟基丙烯酸分散体与异氰酸酯固化剂为主要成膜物，复配防锈颜料与功能助剂，制备了底面合一高性能水性聚氨酯涂料。本研究讨论了水性羟基丙烯酸树脂分散体（以下简称羟丙树脂分散体）、异氰酸酯固化剂种类与用量、功能助剂、防锈颜料及耐腐蚀助剂对涂料性能的影响。结果表明，采用羟值为129 mg KOH/g 羟丙烯酸分散体与亲水改性IPDI固化剂作为成膜物，控制（-NCO）（/-OH）物质的量比为1.5，复配钼酸锌与离子交换填料作为防锈颜料，辅助有机耐腐蚀助剂，可制备兼具防腐性能与耐候性能的高性能底面合一水性聚氨酯涂料。该涂料可替代环氧底漆与聚氨酯面漆复合涂层，简化涂装工艺，提高涂装效率及能耗利用率。

关键词：水性羟基丙烯酸；功能助剂；底面合一；防腐涂层

 引言

水性聚氨酯涂层具有优良的装饰性能与较高的耐候性能^[1-2]，同大多数涂层具有良好的配套性能。在户外环境中，与水性环氧底漆配套，可赋予被保护基材持久稳定的耐蚀性，同时还可以满足 VOC 排放要求。然而，水性环氧底漆在常温环境中干燥时间长，不宜与水性聚氨酯面漆“湿碰湿”涂装，造成涂装效率低、能耗高等问题^[3]。因此，为简化涂装工艺，研制具有耐候性与耐蚀性一体化单一涂层，成为户外防护涂层体系发展的趋势。

本研究结合当前市场及客户需求^[4-6],利用聚氨酯涂层交联密度高、附着力良好的特点，研制了一种高性能底面合一水性聚氨酯涂层，讨论了水性羟丙树脂、异氰酸酯固化剂、功能助剂、防锈颜填料对漆膜性能的影响。制备出兼具防腐性能与耐候性能的水性聚氨酯涂料，实现了涂层的底面合一涂装，漆膜厚度 50~70 μm，耐盐雾性与耐候性可达到 480 h 以上。

 1 实验部分

1.1 主要原材料 

水性羟丙树脂 Houxian 5039A：广东花果山环保科技有限公司；PROSPERSE 800：陶氏化学；Antkote2042：万华化学集团股份有限公司；AH200：广东启润新材料有限公司；异氰酸酯固化剂 N3390：Bayhydur 401-70、MPA/X：科思创；OS-9030：广州冠志新材料科技有限公司；S-208：武汉仕全兴新材料股份有限公司；防锈颜料 AP-30、ZP-50、MX-150：广西科立方新材料有限公司；SW370：广州思维孚新材料有限公司；耐腐蚀助剂 A630：北京伯源化工有限公司；Raybo75：广州辰辉贸易有限公司；MP200：迈图高新材料；功能助剂 Tego810、Tego902W、Tego450：迪高；BYK011：毕克化学；MD20：重庆塞克思化工；KYC616：广州市晏古贸易有限公司。

1.2 仪器设备

电子天平（XPR5003SC）：梅特勒托利多；pH 测试仪（PHS-2F）：上海雷磁；高速分散机（BGD740）：标格达精密仪器；篮式砂磨机（BGD756）：标格达精密仪器；盐雾试验箱（Q-FOG）：Q-Lab 公司；紫外线老化试验箱（QUV/se）：Q-Lab 公司；涂-4#杯：上海天辰现代环境技术有限公司；涂层测厚仪（byko-test8500）：BYK 公司；光泽仪（YG268）：广东三恩时科技有限公司；耐磨测试仪（Taber1700）：美国泰伯尔公司。

1.3 涂料制备

按照表 1 配方，将去离子水、润湿分散剂、消泡剂、pH 调节剂加入烧杯中，高速搅拌 15 min，然后依次加入钛白粉、炭黑、填料和防锈颜料，高速搅拌10~15 min，用砂磨机研磨至细度≤25 μm，制得水性色浆。

将色浆转移至干净烧杯中，低速搅拌下加入 pH 调节剂，调整至 pH 值为 8~9，搅拌状态下依次加入 9~ 15 项原料，过滤即得水洗聚氨酯涂料 A 组分。 

另取干净烧杯，加入助溶剂与脱水剂，低速搅拌 30 min，然后加入异氰酸酯固化剂，搅拌 15 min 即得水性聚氨酯涂料 B 组分。

1.4 性能测试 

漆膜附着力按照 GB/T 1720—2022《漆膜划圈试 验》进行测定；铅笔硬度按照 GB/T 6739—2022《色漆和清漆铅笔法测定漆膜硬度》进行测定；耐冲击性按照 GB/T 1732—2020《漆膜耐冲击测定法》进行测定；光泽按照 GB/T 9754—2007《色漆和清漆不含金属颜料的色漆漆膜的 20°、60°和 85°镜面光泽的测定》进行测定；耐水性按照 GB/T 1733—1993《漆膜耐水性测定法》进行测定；耐酸碱性按照 GB/T 9274—1988《色漆和清漆耐液体介质的测定》进行测定；耐盐雾性按照 GB/T 1771—2007《色漆和清漆耐中性盐雾性能的测定》进行测定；耐候性按照 GB/T 1865—2009《色漆和清漆人工气候老化和人工辐射曝露滤过的氙弧辐射》进行测定，耐磨性按照 GB/T 1768—2006《色漆和清漆耐磨性的测定旋转橡胶砂轮法》进行测定。

2 结果与讨论

2.1 水性羟丙树脂对漆膜性能的影响 

水性羟基丙烯酸树脂作为聚氨酯涂层的主要成膜物之一，对涂层性能具有重要影响，常见的乳液主要有一级分散体与二级分散体两种形态，一级分散体相对分子质量大，干燥速度快，VOC含量低，但其交联密度低，漆膜致密性差，同时乳液中的表面活性剂在成膜过程中容易迁移至涂层表面，使漆膜的硬度及耐性变差；二级分散体粒径小，光泽高，较高的羟值可以实现致密的交联网络，提高了面漆的耐磨及耐液体介质性能，更适用于高性能底面合一涂层的制备。本研究选择了4款具有代表性的乳液进行试验考察，结果如表 2 所示。

由表 2 可知，Antkote2042 的羟值较高，具有最高的光泽及硬度，较高的交联密度使其同时具有较好的耐水及耐酸碱性能，但高羟值也导致其漆膜脆硬，抗冲击性能较差；AH200 属于中低羟值分散体，其干燥速度较快，颜料润湿性好，但较低的交联密度使其耐水及酸碱性能较差；PROSPERSE 800 与 Houxian 5039A 树脂性能均衡且两款树脂性能较为接近，均具有较好的硬度、抗冲击、耐磨及耐酸碱性能，但Houxian 5039A 较 PROSPERSE 800 光泽高，具有更好的装饰性能，因此，本研究选择 Houxian 5039A 树脂做为涂层成膜物。

2.2 异氰酸酯固化剂及其用量对漆膜性能的影响

水性聚氨酯中常用的固化剂主要以低黏度疏水型异氰酸酯和亲水型自乳化异氰酸酯为主。低黏度疏水型异氰酸酯耐水性能好，水油通用且成本低；亲水型自乳化异氰酸酯包括非离子型及离子型两种。非离子型通过将含有环氧乙烷或环氧丙烷等聚醚类亲水结构引入多异氰酸酯中，使其达到一定的亲水性能，同时聚醚结构可以提供较好的柔韧及挠曲性能； 离子型固化剂主要为阴离子磺酸盐型，其官能度相对较高，交联密度大。本实验选取了 4 款不同的固化剂 与 Houxian 5039A 水性羟丙树脂进行配套试验，实验结果如表 3 所示。

由表 3 可知，N3390 与 OS-9030 固化剂均拥有较好的耐酸碱及耐盐雾性能，但其光泽及硬度较低。主要是因为 N3390 作为为疏水型油性固化剂，与水性乳液的混溶性能较差；OS-3090 作为有机硅改性异氰酸酯，有机硅基团的引入提高漆膜疏水性能的同时也降低了其与乳液的混溶性能，因此两种固化剂均很难与乳液形成均匀致密的漆膜，导致漆膜光泽下降、硬度较低；S-208 为亲水型 HDI 固化剂，与乳液的混溶性能较好，漆膜均匀致密，制备的漆膜光泽与硬度均较高，但亲水性磺酸基团的引入也会使漆膜耐水性能下降，使漆膜发白；Bayhydur 401-70 MPA/X 为亲水改性 IPDI 型固化剂，与羟丙树脂的混溶性较好，漆膜光泽较高，IPDI 的环状结构也比 HDI 更容易形成氢键，在外力作用下能够更好的吸收能量，并在外力消失后及时恢复，因此具有更好的耐磨性及韧性。同时，IPDI 的环状结构比 HDI 的长链结构能够提供更好的刚性，使漆膜硬度提高，具有更好的防护性能。因此，本实验选择 Bayhydur 401-70 MPA/X 作为高性能底面合一水性聚氨酯涂料中的固化剂。

聚氨酯涂料依靠固化剂组分提供（-NCO）与主体树脂中的（-OH）反应交联成膜。理论情况下，（-NCO）/（-OH）物质的量比约为 1，但在水性体系中，水以及配方中的 pH 调节剂等物质均会消耗一定的（-NCO）。为确定（-NCO）（/ -OH）最佳物质的量比，本实验评估了不同（-NCO）（/-OH）物质的量比对涂层性能的影响，结果如表4所示。 

由表 4 可知，当（-NCO）（/-OH）物质的量比较低时，漆膜干燥速度快但硬度低，未参与反应的（-OH）较多，使漆膜耐水性能差。随着（-NCO）（/-OH）物质的量比提高，更多的交联基团参与反应，漆膜致密性提高，溶剂及水分挥发阻力增大，漆膜干燥速度有所下降，但得益于漆膜交联密度的提升，漆膜硬度与光泽逐渐提高，耐水性能明显改善。当（-NCO）（/-OH）物质的量比＞1.5 时，漆膜干燥速度再次由慢变快，可能是由于过量的固化剂自交联趋势加剧，相对分子质量迅速提升，提高了漆膜表干速度，同时随着固化剂用量增加，与主体树脂的混溶性下降，以及聚脲等不溶性副产物的产生，使涂层光泽降低。

试验表明，增加固化剂用量还会导致体系黏度快速升高，使湿膜无法充分流平，造成干膜光泽下降。此外，副反应产生的二氧化碳无法及时排出，漆膜起泡倾向增加，破坏漆膜完整性。综合考虑，当（-NCO）（/-OH）物质的量比 1.5 时，漆膜综合性能较好。

2.3 功能助剂对漆膜性能的影响 

由于异氰酸酯与水反应的存在，水性聚氨酯拥有较为明显的起泡倾向，同时水性聚氨酯为非均相体系，配方中存在着大量的分散剂，表面活性剂等稳泡成分，导致其消泡难度较大。使用消泡剂，流平剂等表面功能助剂是解决此类漆膜缺陷的较好方式，消泡剂可以提高湿膜的脱泡与破泡能力，流平剂可以延长湿膜开放时间，消除气泡破裂后的针孔鱼眼缩孔等缺陷，使漆膜外观得以改善。本研究评估了一系列消泡剂与流平剂的组合情况，试验情况如表 5 所示。

由表 5 可知，各种类型的消泡剂与流平剂单独使用时均无法达到较好的效果，将 Tego810、BYK011 两种消泡剂与 KYC616 流平剂组合使用可以达到最好的消泡效果。Tego810 消泡剂作为常规有机硅消泡剂浓缩液，能够快速脱泡，消除喷涂过程中因为空气雾化引起的气泡；BYK011 为新型聚合物消泡剂，与体系的表面张力差异较小，与体系的相容性较好，作用时间较长，有利于聚氨酯中反应型气泡的脱除。两种消泡剂组合使用，保证了漆膜干燥过程中全程消泡剂的高效作用，KYC616 为非硅聚合物流平剂，其稳泡倾向较有机硅消泡剂更低，有利于漆膜破泡后的流平。

2.4 防锈颜料及耐腐蚀助剂对漆膜性能的影响 

防锈颜填料^[7-8]是制备耐蚀性涂层不可或缺的一部分。利用其物理防锈颜料与化学防锈颜料机理，可显著提高涂层的防腐性能。常用的防锈颜料如氧化铁红，云母粉，铝粉，玻璃鳞片、铅系颜料、铬系颜料、磷酸/钼酸盐颜料、离子交换型颜料等。本研究重点评估了磷酸盐防锈颜料，钼酸盐防锈颜料，离子交换型防锈颜料等新型环保防锈颜料对涂层耐盐雾性能的影响，结果如表 6 所示。

由表 6 可知，三聚磷酸铝与磷酸锌为环保型防锈 颜料的代表，其离子活性较低，无法在涂覆初期形成 有效的钝化膜，综合性能较差。钼酸锌其离子活性较 磷酸盐系颜料高，能够在涂覆初期形成较致密的钝化 膜，综合性能较好，但其在后期腐蚀介质到达漆膜与基材界面时候抗渗透压性能较差，容易导致漆膜起泡。离子交换型防锈颜料主要依靠离子置换作用拦截腐蚀性离子，并释出相应的钙离子和稀土离子，当此过程持续进行时，钙离子层和稀土离子层就堆积在金属与涂层界面上，起到阻隔作用，同时，增强涂层附着力，降低了漆膜起泡的风险。将钼酸锌与离子交换助剂配合使用，利用二者的协同性能优势，制备的涂层性能最好。

防锈颜填料的持续水解作用可以为涂层提供长效的防护作用，但起效慢，无法在涂覆初期对基材起到有效的保护作用，同时，防锈颜料的水解还会导致漆膜渗透压升高，引起涂层湿附着力下降，导致涂层起泡脱落。而液体有机耐腐蚀助剂^[9] 可在体系中充分溶解分散，与防锈颜料产生良好的协同作用，提高漆膜的耐腐蚀性能。常见的有机耐腐蚀助剂有吸附型的磺酸铵盐，羧酸铵盐以及提高湿附着力的硅烷偶联剂等。本实验选择了 3 款具有代表性的有机耐腐蚀助剂进行评估，结果如表 7 所示。 

由表 7 可知，耐腐蚀助剂的加入均可以在一定程度提高漆膜的耐盐雾性能，其中 RATBO-75 的效果最好，RAYBO -75 为磺酸铵盐型耐盐雾助剂，可在金属基材表面形成“伞”状防护，具有强力隔阻、提高附着力和耐腐蚀的三重功效。

2.5 性能指标

经配方优化后，高性能底面合一水性聚氨酯涂料技术指标情况见表 8 所示。

3 结语

本研究制备了一种高性能水性聚氨酯涂料，其耐蚀性与耐候性均达到 480 h 以上，可满足底面合一涂装要求。该涂料选用中高羟值丙烯酸分散体与亲水改性 IPD 作为成膜物，控制（-NCO）（/-OH）物质的量比为 1.5，选用钼酸锌与有机硅离子交换填料作为防锈颜料，并搭配磺酸铵盐型耐盐雾助剂，同时，配方采用有机硅消泡剂、非硅消泡剂与非硅流平剂等功能助剂复配，改善水性聚氨酯产品施工中的微泡、痱子、缩孔及针眼等不良外观，使漆膜具备良好的保护性能及装饰性能。

来源：《涂层与防护》2026 年1月第47卷第1期