一种解决聚氨酯涂料体系中颜料沉降分层的新方法研究

□ 王书元1，叶 卫2
(1.华南理工大学材料科学与工程学院，广州 510640；2.中核深圳凯利集团公司,广东深圳 518033)

0 前 言
聚氨酯涂料产品经常会遇到因密度不同，在贮存过程组分发生沉降而分层的现象。这一情况通常不会影响涂料使用，但却对涂料质量的感观有影响，尤其在中、高档涂料产品中，涂料发生分层，对涂料的售价会产生很大影响。而且颜料加得越多，分层现象也就越快、越严重。试验研制开发成功了一种无毒保洁涂料。这是一种改性氨基甲酸酯类涂料，其中无机颜料含量很高，达到22%。该涂料经两年贮存观察，未发现沉降分层现象。能够在这么高的无机颜料填充比的情况下避免涂料分层，是因为采用了一种分散剂。这种分散剂与颜料分子和涂料中的树脂可发生化学键合，形成一种新的匀质微粒，使涂料在体系内部消除了不同比重物料的相界，从而达到整个涂料体系的稳定，不会产生分层。这种方法，也提高了涂料中无机颜料的填充比，从而使涂料遮盖力增加，改善了施工质量。

1 试验部分
1.1 原料
试验所用的原料有3种：TiO2、聚醚多元醇、氨基甲酸酯预聚体，其中TiO2是作为白色无机颜料使用。聚醚多元醇是作为分散剂使用。各种原料的规格如表1。

1.2 制备过程
将聚醚多元醇加热至95～120 ℃，按比例m(聚醚多元醇)∶m(TiO2)∶m(氨基甲酸酯预聚体)=1∶3∶3，放入TiO2和氨基甲酸酯预聚体，搅拌均匀，制成色浆冷却备用。将色浆与单组分氨基甲酸酯树脂按比例m(色浆)∶m(氨基甲酸酯树脂)=1∶3，在氮气保护下或真空条件下，搅拌均匀制成涂料，装入镀锌铁罐贮存。
1.3 涂料贮存沉降分层现象观察测试
参照GB/T6753.3-86《涂料贮存稳定性试验方法》分别取贮存0.5 a、1 a、1.5 a、2 a的样品进行观察测试。
1.4 涂料遮盖力测试
参照GB/T1726-79（89）《涂料遮盖力测定法》进行涂料遮盖力测试。
2 结果与讨论
2.1 分散剂的选择与比较
要使TiO2能很好地稳定分散在聚氨酯涂料体系中，其中关键是选择分散剂。若不加分散剂，直接将TiO2分散到聚氨酯树脂中，则好的高速搅拌机，也只能达到10 μm微粒的分散效果，不能避免颜料颗粒的凝聚现象。而且半年左右就会发生沉降分层现象。我们这种加分散剂的做法，可基本排除颜料颗粒的凝聚现象。这种方法，有点类似塑料加工中色母粒料的作用原理，但大不同之处在于分散剂除了要选择对颜料表面浸润效果要好之外，还要选择能发生化学键合反应的液体，同时与聚氨酯涂料树脂相容性也要好，好也能发生化学键合作用。经过选择比较，我们选择了聚醚多元醇[1]作分散剂，其中，能发生化学键合，是产生稳定的涂料体系关键的一个步骤。例如，甲苯与聚醚多元醇，两者对TiO2表面的浸润效果相近（甲苯甚至还稍好一点），两者在氨基甲酸酯预聚体中相溶效果也很好。但两者作分散剂，结果比较如表2。

2.2 分散剂化学键合机理探讨
在聚醚多元醇中，含有大量羟基“R—OH”，而TiO2的化学结构式为“O=Ti=O”，其中氧原子高度裸露，极易与羟基—OH形成氢键：
O=Ti=O…HO—R
因聚醚多元醇含有微弱的酸性，也极易使TiO2与R—OH形成钛酸酯结构：

这两种化学作用，从理论上来讲，远远大于TiO2颗粒之间的作用力，它促使聚醚多元醇进入TiO2颗粒的所有表面，从而使TiO2与聚醚多元醇形成一种类似于“匀相”的颗粒结构，这种结构很稳定。我们做了一个对比试验：将聚醚多元醇加TiO2按m(聚醚多元醇)∶m(TiO2) =1∶3做成色浆后，再按m(色浆)∶m(甲苯)=1∶1 000，充分搅匀，让TiO2沉淀下来，滤去含有溶出聚醚多元醇的甲苯液体，再重新加入等量甲苯，充分搅匀，反复3次，后在100 ℃条件下抽真空前3 h，发现与聚醚多元醇混合后的TiO2沉淀物比混合前的TiO2重11.7%，这就证明聚醚多元醇在TiO2上吸附非常牢，很难分离，已近似成为一种“均相”结构。这种聚醚多元醇与TiO2的键合物与氨基甲酸酯预聚体会发生加成反应。氨基甲酸酯预聚体中，含有“R'—N=C=O”结构，其反应为：


因电子诱导效应，产物中“—N—”的电负性极强所以和TiO2形成的氢键是强氢键。综上所述，因TiO2与聚醚多元醇，氢基甲酸酯有强烈的氢键作用，抵消了因密度不同而产生的沉降作用，可以使TiO2很好地悬浮在涂料体系中，形成一种类似“均相”的体系。
2.3 有化学键合作用分散剂的效果评价
（1）提高了颜料在涂料中的含量，使其遮盖力大为提高。通过检测，用这种方法配制的涂料，其遮盖力均在145 g/m2左右。
（2）为无挥发性溶剂的聚氨酯涂料生产打下了基础。正是在这一研究基础上，我们开发生产出了理论固含量达100%的聚氨酯涂料。
（3）提高了产品贮存期，提高了产品的质量。用这种方法配制的聚氨酯涂料，贮存2 a仍未见有沉降分层现象。
（4）这种方法具有推广价值，可为解决聚氨酯类涂料沉降分层问题提供一种新方法。
（5）这种方法提高了颜料的填充量，但涂料黏度增加不大，这也是这一方法的一大特点。
3 结 语
这一研究成果已应用到实际生产中，生产的无毒保洁涂料，正是应用了这种方法添加颜料，取得很好的效果。