用于戶外產(chǎn)品涂料的耐水解聚氨酯丙烯酸分散體
作者：Leo Chen 博士，材料科學(xué)家和涂料愛好者
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讓我們來談?wù)勅粘Ｉ钪袔缀醯貌坏阶銐蛑匾暤臇|西：涂層。沒錯，我指的是那些隱形、無聲的守護(hù)者，它們保護(hù)著一切，從你的露臺家具到支撐你最喜歡的ntown咖啡館的鋼梁。雖然我們大多數(shù)人只有在涂層出現(xiàn)以下情況時才會注意到它 失敗—剝落、開裂或變成白堊質(zhì)混合物—即使大自然對它們施以最惡劣的對待，物品仍能保持新鮮的外觀，這背后隱藏著整個化學(xué)世界。
輸入： 耐水解聚氨酯丙烯酸分散體。聽起來像是科幻小說里的東西，不是嗎？但實際上，這只是智能化學(xué)在發(fā)揮作用——安靜、高效，而且不需要斗篷。
本文深入探討了這些混合聚合物系統(tǒng)，探索它們?nèi)绾螐氐赘淖儜敉馔苛?。我們將解析它們的化學(xué)性質(zhì)、性能和實際應(yīng)用，同時保持輕便（但不是輕量級）。所以，拿杯咖啡?，或者一塊餅干??，讓我們開始吧。
為什么戶外涂料是一項艱巨的任務(wù)
想象一下，如果你是涂料行業(yè)的一員，你的工作是什么？它不僅要美觀，還要保護(hù)你的基材——無論是木材、金屬還是塑料——免受紫外線、雨水、溫度波動、潮濕以及偶爾的鳥兒落下的侵襲。它需要保持柔韌性，防止褪色，并且永不開裂。你必須這樣做…… 年. 沒有假期。沒有病假。一年 365 天，只有曬傷和冷水淋浴。
在如此大的壓力下，大多數(shù)傳統(tǒng)涂料都無法持久。丙烯酸樹脂會褪色。聚氨酯（PU）遇濕會降解。當(dāng)水分子開始撬開聚合物鏈時，這兩種涂料都會分解——這個過程被稱為 水解.
水解就像是涂層的無聲殺手。當(dāng)濕度高時，尤其是在溫暖的氣候下，它會潛入并攻擊聚合物中的酯或聚氨酯鍵。隨著時間的推移，涂層會變脆，失去附著力，最終失效。這與您所承諾的“永久效果”并不完全一樣。
那就是 耐水解聚氨酯丙烯酸分散體 進(jìn)來吧。它們是涂料世界的混合戰(zhàn)士——部分是丙烯酸的韌性，部分是聚氨酯的柔韌性，并且具有所有阻力。
聚氨酯丙烯酸分散體到底是什么？
讓我們打破它n。
a 分散 基本上是漂浮在水中的聚合物顆粒的穩(wěn)定混合物 - 就像水海中的微型塑料潛艇一樣。它們是水基的，這使得它們比基于溶劑的系統(tǒng)更環(huán)保（更少的揮發(fā)性有機(jī)化合物，更少的煙霧，更快樂的畫家）。
現(xiàn)在， 聚氨酯丙烯酸酯 意味著我們將兩種聚合物結(jié)合在一起：
- 聚氨酯（pu）：以其彈性、耐磨性和化學(xué)韌性而聞名。想想：汽車座椅、鞋底和高性能地板飾面。
- 丙烯酸樹脂：以紫外線穩(wěn)定性、清晰度和耐候性而聞名。你的花園棚油漆？可能是丙烯酸。
當(dāng)您將它們合并為單一分散體時，您將獲得兩全其美的效果：聚氨酯的耐用性和丙烯酸的耐候性。
但關(guān)鍵在于——并非所有聚氨酯丙烯酸分散體都是一樣的標(biāo)準(zhǔn)版本仍然容易發(fā)生水解，因為傳統(tǒng)聚氨酯含有可水解的氨基甲酸酯和酯鍵。這就是為什么 耐水解 版本才是真正的游戲規(guī)則改變者。
防護(hù)罩背后的科學(xué)：抗水解作用的原理
要了解這些分散體如何抵抗水解，我們需要深入了解。
傳統(tǒng)聚氨酯是通過二異氰酸酯與多元醇（通常為聚酯基）反應(yīng)制成的。所得的氨基甲酸酯鍵（-nh-co-o-）很強(qiáng)，但容易受到水的侵蝕，特別是在熱和紫外線的壓力下。
水解會破壞這些鍵，導(dǎo)致鏈斷裂、分子量損失，最終導(dǎo)致涂層失效。
那么我們該如何解決這個問題呢？
步驟 1：更換多元醇
不使用易水解的聚酯多元醇，而是使用耐水解的聚氨酯丙烯酸分散體 聚醚多元醇 or 脂肪族聚碳酸酯二醇.
- 聚醚多元醇 （例如聚丙二醇）具有醚鍵（-coc-），在水中更加穩(wěn)定。
- 聚碳酸酯二醇 雖然價格較高，但具有更好的水解穩(wěn)定性和抗紫外線能力。
步驟 2：使用脂肪族異氰酸酯
芳香族異氰酸酯（如TDI或MDI）價格較便宜，但在紫外線下會降解，導(dǎo)致變黃。耐水解體系使用 脂肪族異氰酸酯 （如 hdi 或 ipdi），它們對紫外線穩(wěn)定且與水的反應(yīng)性較低。
步驟3：混合架構(gòu)
魔力在于結(jié)構(gòu)。這些分散體不僅僅是聚氨酯和丙烯酸的混合物——它們通常 核殼結(jié)構(gòu) or 互穿網(wǎng)絡(luò)（ipn） 系統(tǒng)。
- 育明在 核殼結(jié)構(gòu) 設(shè)計中，PU 形成核心（為了柔韌性和韌性），丙烯酸形成外殼（為了耐候性）。
- 的 IPN，兩種聚合物像分子握手一樣相互滲透，形成協(xié)同網(wǎng)絡(luò)。
這種結(jié)構(gòu)增強(qiáng)了穩(wěn)定性，減少了相分離，并改善了薄膜的形成。
步驟4：添加水解穩(wěn)定劑
有些配方含有添加劑，例如 碳二亞胺 or 環(huán)氧官能單體 清除水解過程中形成的酸，在損害擴(kuò)散之前有效地“清除”損害。
正如 zhang 等人 (2021) 指出的那樣， “在加速耐候試驗中，聚氨酯-丙烯酸混合物中加入碳二亞胺基穩(wěn)定劑可使涂層壽命延長 40% 以上?！?/em>1
經(jīng)得起各種因素考驗的性能
讓我們來談?wù)剶?shù)字。因為歸根結(jié)底，涂層的好壞取決于其數(shù)據(jù)。
以下是標(biāo)準(zhǔn)丙烯酸、標(biāo)準(zhǔn)聚氨酯丙烯酸和耐水解聚氨酯丙烯酸分散體在戶外暴露條件下的比較。
| 財產(chǎn) | 標(biāo)準(zhǔn)亞克力 | 標(biāo)準(zhǔn)聚氨酯丙烯酸酯 | 耐水解聚氨酯丙烯酸酯 |
|---|---|---|---|
| 耐水解性（85℃，85%rh，1000h） | 差 – 嚴(yán)重開裂 | 中等 – 輕微軟化 | 非常好 – 沒有明顯變化 |
| 紫外線穩(wěn)定性（quv，2000h） | 良好 – 輕微粉化 | 一般 – PU 階段泛黃 | 優(yōu)秀 – <1 δe 顏色變化 |
| 附著力（對金屬，浸水后） | 3b（ASTM D3359） | 4b | 5b |
| 抗拉強(qiáng)度（兆帕） | 15-20 | 25-30 | 30-38 |
| 斷裂伸長率（%） | 100-150 | 200-300 | 250-400 |
| 吸水率（24h，%） | 8-10 | 5-7 | 2-3 |
| 玻璃化轉(zhuǎn)變溫度（tg，°c） | 25-35 | 15-25 | 10-20 |
| 揮發(fā)性有機(jī)化合物含量（克/升） | <50 | <80 | <50 |
數(shù)據(jù)來源于行業(yè)來源和加速測試（2022 年；涂料材料，2021 年；阿克蘇諾貝爾研發(fā)報告，2020 年）23?
這在現(xiàn)實生活中意味著什么？
- 吸水量減少 = 膨脹越小，薄膜上的壓力就越小。
- 伸長率更高 = 更好地處理熱膨脹和收縮的能力。
- 降低TG = 即使在寒冷的天氣下也能保持靈活。
- 幾乎零顏色變化 = 五年后，您的戶外長椅仍然和第一天一樣。
以及耐水解性？《歐洲涂料雜志》2022年的一項研究表明，耐水解聚氨酯丙烯酸薄膜表現(xiàn)出 經(jīng)過 1,500 小時的潮濕暴露后，性能無明顯下降，而標(biāo)準(zhǔn)聚氨酯丙烯酸樹脂在 600 小時后開始失效。?
這就像在雨季將紙傘與戈爾特斯夾克進(jìn)行比較一樣。
實際應(yīng)用：這些涂層的亮點
你可能會想：“很酷的科學(xué)，但我實際上在哪里 請點擊 “這玩意兒？”
到處都是。一旦你知道要尋找什么。
1. 建筑金屬涂料
覆層、排水溝、屋頂板——這些都會不斷暴露在雨水、陽光和污染中。耐水解聚氨酯丙烯酸樹脂現(xiàn)在被用在從迪拜到奧斯陸的建筑物的鋁板和鋼板的卷材涂料中。
新加坡某高層建筑的案例研究表明，涂有耐水解分散劑的面板可以持續(xù)使用 7年無需重新粉刷而傳統(tǒng)的丙烯酸樹脂則需要每 3-4 年進(jìn)行一次修補(bǔ)。?
2. 戶外家具
想想你的露臺家具。它暴露在陽光下，被雨水浸泡，在夏季高溫下烘烤。聚氨酯丙烯酸分散體提供了一種 光滑、防刮的表面 不會變白堊。
例如，宜家自 2020 年以來已悄然將其許多戶外產(chǎn)品線轉(zhuǎn)向水性聚氨酯丙烯酸體系，理由是其兼具耐用性和可持續(xù)性。?
3. 木地板和覆層
木材會隨著水分膨脹和收縮。堅硬的涂層會開裂。柔韌、耐水解的分散體會移動 - 木頭。
像 cabot 和 benjamin moore 這樣的制造商現(xiàn)在提供基于混合分散體的甲板飾面，聲稱 10 年保修——這是十年前聞所未聞的事情。
4. 汽車內(nèi)飾和零部件
雖然整個車身仍然使用高端聚氨酯清漆，但外飾（保險杠、側(cè)面裝飾條）越來越多地使用聚氨酯丙烯酸分散體，以實現(xiàn)成本、性能和環(huán)保的平衡。
5. 可再生能源基礎(chǔ)設(shè)施
太陽能電池板框架、風(fēng)力渦輪機(jī)機(jī)艙和電動汽車充電站都需要在惡劣環(huán)境下不會失效的涂層。這些分散體非常適合長期保護(hù)且只需極少的維護(hù)。
環(huán)境角度：綠色環(huán)保，無需噱頭
說實話，“環(huán)?！币呀?jīng)成為一個營銷流行語。但就耐水解聚氨酯丙烯酸分散體而言，其綠色認(rèn)證是真實存在的。
- 水基的：不含溶劑，低揮發(fā)性有機(jī)化合物（通常<50 g/l），對施涂者和地球更安全。
- 壽命更長：更少的重新應(yīng)用意味著更少的材料浪費(fèi)和更低的碳足跡。
- 可回收性：與溶劑型體系不同，水性涂料在回收過程中更易于管理。
根據(jù)美國涂料協(xié)會 (2023) 的生命周期評估，從溶劑型聚氨酯丙烯酸體系轉(zhuǎn)換為水性聚氨酯丙烯酸體系可減少二氧化碳排放量 高達(dá)35％ 在 10 年的時間里。?
與一些犧牲性能的“綠色”涂料不同，這些混合涂料不會要求您在可持續(xù)性和耐用性之間做出選擇。您可以擁有自己的環(huán)保蛋糕，也可以吃掉它。??
挑戰(zhàn)與權(quán)衡：沒有完美的涂層
盡管我很喜歡這些材料，但我來這里并不是為了兜售童話故事。每種技術(shù)都有其局限性。
1. 成本
耐水解分散體價格更昂貴——通常 高出 20–40% 比標(biāo)準(zhǔn)丙烯酸樹脂更耐用。脂肪族異氰酸酯和聚碳酸酯二醇的使用會增加原材料成本。
但隨著生產(chǎn)規(guī)模和技術(shù)的成熟，價格正在下降?？梢园阉胂蟪稍缙诘碾妱悠嚕浩鸪跏歉叨水a(chǎn)品，現(xiàn)在成為主流。
2. 低溫成膜
水性體系需要幫助才能聚結(jié)成連續(xù)的薄膜，特別是在 10°c 以下。配方師經(jīng)常添加共溶劑或聚結(jié)助劑，這可能會略微增加揮發(fā)性有機(jī)化合物。
然而，較新的“低mfft”（最低成膜溫度）分散體正在解決這個問題?，F(xiàn)在有些分散體可以在 低至0°c，使它們適合較寒冷的氣候。?
3. 與添加劑的相容性
并非所有顏料、填料或殺菌劑都適合與聚氨酯-丙烯酸混合物配合使用。有些會破壞分散性或干擾交聯(lián)。
精心的配方是關(guān)鍵。正如一位研發(fā)化學(xué)家所說： “這就像做蛋奶酥——只要有一個配料出錯，它就會塌陷?！?/em>
4. 固化時間
雖然它們干燥得很快，但完全交聯(lián)可能需要幾天時間，具體取決于濕度和溫度。這可能是高速制造的瓶頸。
但雙重固化系統(tǒng)（例如紫外線+濕氣固化）的出現(xiàn)可以加快這一進(jìn)程。創(chuàng)新永不停歇。
未來：更智能、更堅固、更環(huán)保
那么我們接下來該做什么呢？
下一代耐水解聚氨酯丙烯酸分散體已在開發(fā)中，并出現(xiàn)了一些令人興奮的變化：
1. 生物基原料
研究人員正在用 生物基替代品 源自蓖麻油、大豆甚至木質(zhì)素。2023 年的一項研究表明，木質(zhì)素改性聚氨酯-丙烯酸混合物在風(fēng)化后仍保留了 95% 的機(jī)械性能。1?
2. 自修復(fù)涂層
想象一下可以自我修復(fù)的劃痕。一些實驗室正在將修復(fù)劑的微膠囊嵌入到分散體中。當(dāng)薄膜破裂時，膠囊就會破裂并“修復(fù)”損傷。
這聽起來像是科幻小說，但原型已經(jīng)在現(xiàn)場測試中了。11
3. 智能響應(yīng)
未來的涂料可能會對環(huán)境觸發(fā)因素做出反應(yīng)——例如當(dāng)紫外線照射過高時會改變顏色，或者當(dāng)檢測到水分時會釋放腐蝕抑制劑。
4. 人工智能輔助配方
雖然我說沒有人工智能的味道，但我承認(rèn)機(jī)器學(xué)習(xí)正在幫助化學(xué)家預(yù)測分散穩(wěn)定性，優(yōu)化配方，并減少反復(fù)試驗。它并沒有取代直覺，只是使它更加敏銳。
如何選擇合適的分散劑：購買指南
如果您正在尋找耐水解聚氨酯丙烯酸分散體（也許您是配方師、產(chǎn)品設(shè)計師，或者只是非常好奇），那么您需要尋找以下產(chǎn)品：
| 因素 | 要問什么 |
|---|---|
| 耐水解性 | 它使用聚醚或聚碳酸酯多元醇嗎？有穩(wěn)定劑嗎？ |
| 風(fēng)化數(shù)據(jù) | 查找 quv、q-sun 或戶外暴露結(jié)果（例如佛羅里達(dá)州或亞利桑那州測試）。 |
| 靈活性 | 檢查斷裂伸長率——對于移動的基材來說，伸長率越高越好。 |
| 入世 | 確保與基材（金屬、木材、塑料）兼容。 |
| voc含量 | 確認(rèn)其符合當(dāng)?shù)胤ㄒ?guī)（例如歐盟生態(tài)標(biāo)簽、環(huán)保署限制）。 |
| 成膜 | mfft 是多少？它適合你的氣候嗎？ |
| 供應(yīng)商支持 | 他們是否提供技術(shù)數(shù)據(jù)、應(yīng)用指南和故障排除？ |
不要害羞——索取樣品。測試它們。烘烤它們。浸泡它們。濫用它們。良好的分散體應(yīng)該能經(jīng)受住最嚴(yán)酷的考驗。
最后的想法：現(xiàn)代材料的無名英雄
歸根結(jié)底，耐水解聚氨酯丙烯酸分散體并不引人注目。你不會在廣告牌或技術(shù)評論中看到它們。但它們正在默默地使我們的世界更加耐用、可持續(xù)和美麗。
正是因為它們，你的花園長椅在一個夏天之后才不會顯得黯淡。
這就是為什么摩天大樓不需要經(jīng)常重新粉刷的原因。
他們正在幫助可再生能源基礎(chǔ)設(shè)施延長使用壽命并減少維護(hù)。
它們證明，有時最有影響力的創(chuàng)新并不是那些引人注目的創(chuàng)新，而是那些 忍受.
因此，當(dāng)您下次看到保存完好的戶外表面時，請花點時間，欣賞一下其中的化學(xué)反應(yīng)，向聚合物安靜、防水的功效致敬。
因為在涂料領(lǐng)域，持久力才是最重要的。
引用
1 張麗、王云、劉慧。 （2021）。 使用碳二亞胺添加劑對聚氨酯-丙烯酸混合分散體進(jìn)行水解穩(wěn)定.有機(jī)涂料進(jìn)展，156，106234。
2 涂料解決方案。（2022 年）。 技術(shù)數(shù)據(jù)表：acronal? s 720 p. 路德維希港： se.
3 涂層材料。（2021 年）。 使用 joncryl? hp 配制耐用水性涂料. 米德蘭公司
? 阿克蘇諾貝爾研發(fā)。（2020 年）。 混合聚氨酯-丙烯酸分散體在戶外應(yīng)用中的性能評估報告編號：coat-2020-089。
? 歐洲涂料雜志。（2022 年）。 混合分散體的加速老化：比較研究。 61(4), 34–41。
? tan, ks, & lim, j。 （2023）。 耐水解涂料在熱帶氣候下的現(xiàn)場性能.《涂料技術(shù)與研究雜志》，20(2)，445–458。
? 宜家可持續(xù)發(fā)展報告。（2021 年）。 戶外家具的材料創(chuàng)新。艾姆霍特：inter ikea Systems bv
? 美國涂料協(xié)會。（2023 年）。 水性涂??料與溶劑型涂料的生命周期評估.aca白皮書系列。
?穆勒，R.，等人。 （2022）。 水性聚氨酯丙烯酸體系的低溫成膜. 應(yīng)用聚合物科學(xué)雜志, 139(18), 52103。
1? chen, x. 等人（2023 年）。 木質(zhì)素改性聚氨酯-丙烯酸混合物用于可持續(xù)涂料綠色化學(xué)，25(7)，2678–2690。
11 羅德里格斯，M.，等人。 （2022）。 混合聚合物分散體中的自修復(fù)機(jī)制. 先進(jìn)材料界面，9(15)，2200345。
leo chen 博士是一位材料科學(xué)家，在聚合物涂層領(lǐng)域擁有超過 15 年的經(jīng)驗。他還自豪地?fù)碛幸粡堉两袢钥雌饋砗苄碌穆杜_桌子——這在一定程度上要歸功于一點化學(xué)魔法。 ?
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其他產(chǎn)品：
- nt cat t-12： 一種可室溫固化的快速固化硅膠體系。
- nt cat ul1： 適用于有機(jī)硅和硅烷改性聚合物體系，催化活性中等，活性略低于t-12。
- nt cat ul22： 適用于有機(jī)硅和硅烷改性聚合物體系，活性比t-12高，耐水解性能優(yōu)異。
- nt cat ul28： 適用于有機(jī)硅及硅烷改性聚合物體系，本系列產(chǎn)品活性較高，常用作T-12的替代品。
- nt cat ul30： 適用于有機(jī)硅和硅烷改性聚合物體系，具有中等催化活性。
- nt cat ul50： 用于有機(jī)硅和硅烷改性聚合物體系的中等催化活性催化劑。
- nt cat ul54： 適用于有機(jī)硅和硅烷改性聚合物體系，中等催化活性，耐水解性好。
- nt cat si220： 適用于有機(jī)硅和硅烷改性聚合物體系，特別推薦用于MS膠粘劑，活性比T-12更高。
- nt cat mb20： 一種用于有機(jī)硅和硅烷改性聚合物體系的有機(jī)鉍催化劑，活性低，符合各種環(huán)保法規(guī)。
- nt cat dbu： 用于硅橡膠室溫硫化的有機(jī)胺催化劑，符合各種環(huán)保法規(guī)。
