• 主题：建筑涂料,耐久性和耐候性,聚氨酯

作者：Makoto Nakao，Covestro LLC，美国

介绍

双组分水性聚氨酯（2KWB PU）涂料已被公认为具有优异性能的涂料，其应用范围非常广泛。¹然而，它们需要引入固化剂作为第二组分以提供增强涂层性能所需的交联。众所周知，2KWB 涂料面临的几个挑战包括有限的适用期、增加的浪费、混合失败的潜在风险以及应用前的额外工艺步骤。因此，在某些市场，涂料配方设计师继续寻找性能与 2KWB 涂料相当的单组分水性 (1KWB) 涂料；例如，用于住宅乙烯基窗户市场的涂料。乙烯基窗户占美国住宅窗户市场销售的窗户的 70% 以上²几乎所有的都是白色的。消费者要求更多的颜色选择，为了满足这种需求，如今窗户制造商正在为越来越多的窗户涂漆。目前，2KWB 涂料是市场标准，但窗户制造商和施工商正在寻求高性能的 1KWB 涂料，这些涂料易于施工并提供与当今使用的 2KWB 涂料相当的性能。本文讨论了美国建筑制造商协会 (AAMA) 615-13 规范中定义的物理特性，即新开发的 1KPUR 分散体（以下称为“下一代 1KPUD”）³的物理特性，该分散体展示了与用于油漆的 2KWB 涂料相当的性能特性今天的住宅乙烯基窗户。

实验性的

为了将 1KWB PU 的性能提高到 2KWB PU 的水平，进行了密集开发计划。其目标是开发具有更高膜硬度（例如，> 2H 铅笔凿硬度）和具有优异耐化学性（例如，洗涤剂、硝酸和砂浆）的 1KWB PU。该研究检查了各种高分子量多元醇、不同的异氰酸酯单体、各种水平的硬嵌段含量、扩链剂、中和剂和增溶剂。

开发计划取得了成功，确定了具有与 2KWB PU 相当的性能的 1KWB PU 分散体。新型 1KWB PU 分散体 Next-gen 1KPUD 是使用预聚物混合工艺合成的。⁴此PUD 的主要属性列于表1 中。

与高性能PUD和2KWB PU系统的物理特性比较

将下一代 1KPUD 的物理特性与市售的高性能 PUD 和 2KWB PU 系统进行了比较。为此，每种 PUD 和 2KWB PU 系统均采用透明配方，以避免其他涂料成分的影响。本研究中使用的高性能 PUD 和 2KWB PU 系统的特性汇总在表 2 中。

所有系统都以 5 密耳的湿膜厚度涂在玻璃和铬酸盐铝板上。板在环境条件下干燥。除干燥时间外，所有测试均在环境条件下休息 7 天后进行。干燥时间由 Paul N. Gardner Co., Inc. 制造的干燥时间记录仪 (DT-5040) 测量。 为了评估薄膜硬度，通过 Erichsen 制造的摆锤阻尼测试仪 (Model 299/300) 测量摆锤硬度两合公司。耐化学性是通过在玻璃上对指定的化学品进行现场测试来测量的。还通过在指定时期内的点测试测量耐污性。通过将薄膜暴露于 38°C 和 100% 相对湿度 (RH) 下 168 小时并评估气泡来测量耐湿性。

美国建筑制造商协会的物理特性 615-13 性能评估

美国建筑制造商协会 (AAMA) 615-13 用下一代 1KPUD 配制的涂料的物理特性与三种不同的市售乙烯基窗户涂料进行了比较。其中两个是1KWB系统，另一个是2KWB系统。根据 AAMA 615-13 规范对每个系统进行物理性能测试。表 3显示了进行的所有测试的汇总。所有系统均以 1.5 密耳的目标干膜厚度喷涂在 PVC 板上。在进行性能测试的涂层应用之前，所有面板最初都用丙酮擦拭。

使面板在环境条件下快速干燥并在 50°C 下干燥 10 分钟。所有测试均在环境温度下额外休息 7 天后进行。表 4显示了用作本研究基本配方的通用配方。

加速老化

为了评估使用 Next-gen 1KPUD 配制的油漆的耐候性能，我们将其与使用市售 PUD 和 2KWB PU 配制的油漆进行了比较。进行了两项研究。最初，使用含有 UVA 和 HALS 的透明配方对 Next-gen 1KPUD 和市售 PUD（PUD-A 和 PUD-D）进行了比较。其次，将下一代 1KPUD 配制成白色颜料 1KWB PU 涂层，并与白色颜料 2KWB PU 涂层进行比较。表 5显示了用作基础配方的这些白色颜料配方。

所有系统均以 1.5 密耳的目标干膜厚度喷涂在铬化铝板上。使面板在环境条件下快速干燥，然后在 50°C 下干燥 10 分钟。在环境温度下额外休息 7 天后开始测试。根据 ASTM D6695（循环 1）在氙弧 Weather-Ometer Ci-65（美国阿特拉斯材料测试技术公司）和 QUV/se（美国 Q-Lab Corporation，美国）根据 ASTM D4587 进行加速老化试验（周期 2）。光泽保持率和颜色保持率的测量总时间为 2,000 小时。光泽保持率使用 BYK Gardner Corp. 制造的光泽计 (Micro-TRIgloss) 测定，Delta E 使用 X-Rite, Inc. 制造的分光光度计 (Color i7) 测定，如 ASTM D 2244 中所述。

结果和讨论

与高性能PUD和2KWB PU的物理特性比较

将下一代 1KPUD 的物理特性与市售的 1K PUD 和 2KWB PU 系统进行了比较。耐化学性和耐污性测试的结果总结在表6中。与市售的 1K PUD 相比，下一代 1KPUD 显示出优异的耐化学性和耐污性。它的性能甚至优于以高硬度和物理性能着称的聚碳酸酯基树脂 PUD-D。此外，其耐化学性和耐溶剂性甚至与交联的 2KWB PU 涂层 (PAC-A+PIC-B) 相匹配。

大多数涂布机都需要快速干燥性能和薄膜硬度发展，以确保高生产率；因此，对每种配方的干燥时间和柯尼希摆硬度发展进行了评估。这些结果总结在表7中。下一代 1KPUD 显示出所有测试系统中最快的干硬时间。该结果与 PUD 较高的_Tg  （表 2）及其主链中的高分子量多元醇一致。2KWB 系统依赖于其异氰酸酯和多元醇组分之间的化学反应，在环境干燥条件下表现出预期的缓慢干燥时间。

耐湿性是了解涂层因水而降解的另一个关键物理特性。为了评估耐水性，在暴露于湿气后测量薄膜上的气泡形成。结果总结在表8中。众所周知，基于聚碳酸酯二醇的 PUD 由于更好的水解稳定性而具有良好的耐水性。尽管下一代 1KPUD 不是基于聚碳酸酯的，但它与经过测试的基于聚碳酸酯的 PUD PUD​​-D 的耐湿性相匹配。它的性能甚至优于所评估的两个 2KWB PU 系统。

AAMA 615-13 性能评估的物理特性

由于下一代 1KPUD 显示出比不同类型的市售 1K PUD 更好的物理性能，并且在我们最初的研究中与 2KWB 系统的性能相匹配，因此提高了测试标准。根据严格的 AAMA 615-13 测试协议，将使用 Next-gen 1KPUD 配制的棕色着色 1KWB 涂料与三种不同的商用乙烯基窗漆进行了比较。根据 AAMA 615-13 的物理性能测试结果总结在表 9 中。总体而言，使用下一代 1KPUD 配制的涂料通过了所有 AAMA 615-13 物理性能要求，并且表现与 2KWB 商业系统一样好。

使用 Next-gen 1KPUD 配制的涂层最值得注意的结果是其高铅笔凿孔硬度。与 AAMA 规范（最小 B）相比，对于乙烯基窗户应用的涂料施涂者和窗户制造商非常需要提高薄膜硬度。他们希望避免在包装、运输和现场安装窗户过程中的潜在损坏。正如预期的那样，商用 2KWB 涂料的铅笔硬度比其他商用 1KWB 涂料高得多。2KWB PU 的交联结构赋予薄膜以 1KWB PU 所缺乏的韧性。令人惊讶的是，下一代 1KPUD 与 2KWB 系统的薄膜硬度相匹配，同时也缺乏这种交联结构。

加速老化性能

为了了解长期耐候性能，使用两种协议将下一代 1KPUD 与市售的高性能 1K PUD 和 2KWB PU 系统进行了比较。首先，为了将下一代 1KPUD 的耐候性与市售的高性能 1K PUD 进行比较，按照 ASTM D4587 C2 将薄膜暴露于 QUV-A。结果如图 1 所示。 Next-gen 1KPUD 在 2000 小时后保持 100% 保光性，而 PUD-D（聚碳酸酯基 PUD）在 1000 小时后开始降低光泽，PUD-A（聚酯基 PUD）开始仅在 750 小时后更快地降低光泽。

其次，为了将下一代 1KPUD 的耐候性能与 2KWB PU 涂层进行比较，它采用白色颜料配制以匹配 2KWB PU 涂层。氙弧老化试验的结果总结在图2中。

用 Next-gen 1KPUD 配制的白色颜料涂层比 2KWB PU 涂层耐候性更好。配制的 Next-gen 1KPUD 涂层在 2000 小时后仍保持其光泽和颜色，而 2KWB PU 涂层仅在 250 小时后光泽逐渐降低。总体而言，下一代 1KPUD 的耐候性能优于评估的高性能商业 PUD 和 2KWB PU 涂层。

结论

下一代 1K PUD 是一种新型 1K PU 分散体，其性能优于市售的 1K PUD，其耐化学性和耐污性超过了它们的耐腐蚀性，甚至与交联 2KWB 涂料的性能相匹配。此外，下一代 1KPUD 表现出比 2KWB 涂料更快的干燥时间，这将提高涂料应用过程中的生产率。使用 Next-gen 1KPUD 配制的涂层通过了所有 AAMA 615-13 物理性能要求。此外，它的薄膜硬度与交联的 2KWB 涂层相匹配。最后，在 QUV-A 和氙弧暴露下的加速老化测试表明，使用 Next-gen 1KPUD 配制的涂层将优于已评估的市售 1K PUD 和 2KWB 涂层。

致谢

作者要感谢 Lyubov Gindin、Stephanie Goldfein、Natalee Smith、Tom Durkin 和 Phil Jones 对本文的贡献，并感谢 Ron Konitsney、Tina Kasardo 和 Derick Henderson 准备油漆配方并进行本文所述的研究.

参考

1. Wicks, ZW, Wicks, DA 和 Rosthauser, JW，“两包水性聚氨酯系统”，Prog。组织。外套。, 44 , 161-183 (2002)。
2. 美国建筑制造商协会 (AAMA) 2016/2017 美国国家统计审查和预测，2017 年 3 月。
3. 美国建筑制造商协会 (AAMA) 615-13 塑料型材上高性能有机涂层的自愿规范、性能要求和测试程序。
4. Dieterich, D.，“聚氨酯的水性乳液、分散体和溶液；合成与特性，” Prog. 组织。外套。, 9, 281-340 (1981)。

于 2018 年 4 月 9 日至 11 日在印第安纳波利斯举行的美国涂料大会上发表。