一种轨道交通内饰用水性双组分聚氨酯面漆及其制备方法与流程

本发明涉及水性涂料领域，具体涉及一种轨道交通内饰用水性双组分聚氨酯面漆及其制备方法。

背景技术：

1、随着环保要求的日益提高和涂料水性化技术的进步，水性轨道交通涂料替代相应的溶剂型涂料，已日益成为涂料研究人员与涂装施工人员刻不容缓的重要课题。轨道交通车辆内饰底材主要为玻璃钢复合材料，涂装配套一般为环氧底漆和聚氨酯面漆。车辆内饰涂层中，湿碰湿2道底漆涂层的干膜总厚度为60～80μm，湿碰湿2道面漆涂层的干膜总厚度为40～60μm。作为车辆内饰涂层的外表面涂层，面漆既需具备优异的阻燃性、环保性，又务必赋予突出的耐划伤性与耐磨性；哑光砂纹质感，是当前最为通用的面漆漆膜效果，其中丙烯酸聚氨酯半光面漆、氟碳聚氨酯半光面漆是其中的难点且用量非常大。由于聚氨酯半光漆对光泽的特殊要求，干膜60°光泽主要在40～60之间，且往往要求控制在10～20单位值范围以内，研发难度较大，市场上大多数厂家的丙烯酸聚氨酯半光面漆的光泽均不太稳定。此类产品主要应用在动车、高铁列车、城轨列车、地铁列车电气柜及车内其他部件中，主要起装饰和防护作用。丙烯酸聚氨酯半光面漆一直是涂料中较难开发的一种产品，采用消光粉消光的丙烯酸聚氨酯面漆其光泽很不稳定；采用填料消光的溶剂型丙烯酸聚氨酯涂料由于pvc值太高而使得漆膜变脆，导致力学性能下降、耐候性能变差等多种严重后果。

2、有几种方法可以制备低光泽涂层。使用粉末磨料或砂纸对涂层表面进行后处理是获得低光泽表面的最古老方法。这种方法耗时且不方便。在过去十年中，低光泽通常是通过在涂料配方中添加大量颜料、填料或两者来粗化，从而降低表面光泽。含硅化合物和聚合物，如二氧化硅、硅酸盐、硅烷和经蜡处理的二氧化硅被广泛使用。硅藻土、粘土、沸石等填料也会降低涂料的光泽。添加这些额外的添加剂后，添加剂和散装树脂之间的不相容性很容易导致涂层表面出现脆性、粉末状或多种子外观。

3、而当前市场上供应的轨道交通内饰用水性聚氨酯面漆，普遍存在着因涂料细度不稳定引起漆膜表面存在粗糙颗粒，因漆膜光泽不稳定导致漆膜整体或局部位置的光泽偏高或偏低，因漆膜砂纹质感不稳定带来漆膜手感与外观纹理不达标，以及漆膜干燥速度、流平效果与消泡效果等性能随季节温度而波动等问题。现有市场上供应的带有阻燃功能的轨道交通水性聚氨酯面漆，普遍存在光泽不稳定、表面存在粗糙颗粒、表面气泡难以彻底消除、漆膜耐划伤性较差、耐磨性有待提高等问题，严重制约了轨道交通车辆内饰用涂料水性化的进程。为了获得低光泽的漆膜效果，必须对粗糙的表面进行处理，以某种方式产生的。常见的水性分散聚合物乳液成膜后表面平整，光泽高，因此由水性聚合物乳液制备表面粗糙的低光泽薄膜是一项非常具有挑战性的工作。

技术实现思路

1、本发明的目的在于提供一种轨道交通内饰用水性双组分聚氨酯面漆及其制备方法，通过改变丙烯酸单体的硬/软单体的重量比，可以微调膜表面的粗糙度。制备一种自消光乳液，与高光羟基丙烯酸树脂比例，制备具有光泽稳定性高、高装饰性，且综合性能优异的水性半光内饰面漆。

2、为实现上述目的，本发明提供如下技术方案：

3、第一方面，本发明提供了一种轨道交通内饰用水性双组分聚氨酯面漆，包括水性聚氨酯-丙烯酸乳液和水性聚氨酯内饰面漆，所述水性聚氨酯-丙烯酸乳液由合成的水性聚氨酯(wpu)与丙烯酸单体(ac)共聚，制成涂料；所述水性聚氨酯内饰面漆包括基漆(a组分)和固化剂(b组分)，基漆为水性聚氨酯内饰面漆，固化剂为水性聚氨酯面漆固化剂，将基漆与固化剂按照–nco和–oh物质的量比质量比进行配比混合制成水性双组分聚氨酯面漆。

4、作为本发明的进一步方案，所述水性聚氨酯乳液(wpu)包括以下组分：

5、异佛尔酮二异氰酸酯(ipdi)，作为反应基团，用于延长聚氨酯链段长度；

6、聚四氢呋喃醚二醇(ptmeg)，作为软段形成的聚醚多元醇，用于增强聚氨酯链柔韧性；

7、二月桂酸二丁基锡(dbtdl)，作为催化剂，用于加速异氰酸酯和多元醇之间的聚合反应；

8、2,2-二羟甲基丙酸(dmpa)，作为水性聚氨酯中的内含水分散剂，用于提供羧酸基团以增强水分散性；

9、丙烯酸羟丙酯(hpa)，作为端羟基单体，与异氰酸酯反应，提供交联点和羟基团，用于后续的中和反应；

10、三乙胺(tea)，作为中和剂，用于中和dmpa的羧酸基团，形成可在水中分散的盐；

11、去离子水，作为分散介质，用于将反应产物转化为乳液形式；

12、氮气，用于提供惰性气氛，防止原料和产品因接触空气中的湿气或氧气而降解。

13、作为本发明的进一步方案，所述水性聚氨酯-丙烯酸乳液(wpua)包括制备的水性聚氨酯乳液(wpu)组分，水性聚氨酯乳液(wpu)作为基础乳液，通过进一步的共聚合引入丙烯酸单体，提高聚合物的性能；所述水性聚氨酯-丙烯酸乳液(wpua)还包括：

14、乳化剂，用于帮助丙烯酸单体在水基环境中形成稳定的乳液，以便于进一步的聚合反应；

15、去离子水，作为反应介质和稀释剂，用于调整乳液的浓度；

16、丙烯酸单体，用于赋予聚合物链柔韧性、低温性能、硬度和耐化学性；

17、过硫酸钾(kps)，作为引发剂，开始自由基聚合反应，催化丙烯酸单体的聚合；

18、氮气，用于维持惰性气氛，防止由于氧气的存在而导致的聚合反应不受控或反应物的氧化。

19、作为本发明的进一步方案，丙烯酸单体包括：

20、软段单体，软段单体为2-乙基己基丙烯酸(2-eha)或丁基丙烯酸(ba)，用于赋予聚合物链柔韧性和低温性能。

21、硬段单体，硬段单体为苯乙烯(st)或甲基丙烯酸甲酯(mma)，用于提供硬度和耐化学性。

22、作为本发明的进一步方案，水性聚氨酯内饰面漆(a组分)，包括以下组分：

23、水性聚氨酯乳液(wpua3、万华2025、万华2035、湛新6515、万华2702、万华2042)，作为成膜物质，是涂料的基础，为涂层提供基本的成膜性能。

24、二甲基乙醇胺(dmea)，用作中和剂，帮助乳化和稳定乳液。

25、乙二醇丁醚(bcs)，作为溶剂，帮助其他成分混合，调节涂料成膜过程中的干燥速度。

26、二丙二醇甲醚(dpm)，作为溶剂，帮助其他成分混合均匀，并调整涂料的干燥速率。

27、二丙二醇丁醚，作为成膜助剂，降低成膜温度，提升成膜物质的成膜性，帮助形成均匀涂层。

28、润湿剂，降低涂料体系表面张力，改善涂料对底材的润湿性。

29、消泡剂，减少或消除涂料制备或喷涂混合过程中产生的气泡。

30、流平剂，提升漆膜的流平性，用来改善涂层表面的光滑性和均匀性。

31、钛白浆，提供遮盖力，是涂料中的主要颜料。

32、增稠剂r299，用来调整涂料的粘度，确保涂料储存过程中的稳定性。

33、去离子水，作为溶剂，调节涂料的粘度。

34、作为本发明的进一步方案，水性聚氨酯面漆固化剂(b组分)，包括以下质量分数的组分：

35、丙二醇二醋酸酯(pgda)：29.5％

36、脱水剂(ti):0.5％

37、拜耳xp 2655(异氰酸酯固化剂)：70％。

38、第二方面，本发明还提供了一种轨道交通内饰用水性双组分聚氨酯面漆的制备方法，包括水性聚氨酯-丙烯酸乳液(wpua)的制备以及水性聚氨酯内饰面漆的制备，其中，水性聚氨酯-丙烯酸乳液(wpua)的制备包括水性聚氨酯乳液(wpu)的制备、水性聚氨酯-丙烯酸乳液(wpua)的制备以及涂料的制备；水性聚氨酯内饰面漆的制备包括水性聚氨酯内饰面漆(a组分)的制备以及水性聚氨酯面漆固化剂(b组分)的制备。

39、作为本发明的进一步方案，水性聚氨酯乳液(wpu)的制备，包括以下步骤：

40、步骤1.在一个500ml的四口圆底烧瓶中，配备机械搅拌器、温度计、带干燥管的冷凝器，并在氮气氛围下操作。

41、步骤2.向烧瓶中加入100mmol的异佛尔酮二异氰酸酯(ipdi)和40mmol的聚四氢呋喃醚二醇(ptmeg)。

42、步骤3.加入0.05wt％的二月桂酸二丁基锡(dbtdl)作为催化剂。

43、步骤4.将温度设定至60℃，在150r/min的搅拌速度下反应2小时。

44、步骤5.温度提升至75℃，加入19.4mmol的2,2-二羟甲基丙酸(dmpa)和一定量的dbtdl，继续反应3小时。

45、步骤6.降温至65℃，加入92.3mmol的丙烯酸羟丙酯(hpa)，继续反应2小时。

46、步骤7.进一步降温至45℃，加入19.4mmol的三乙胺(tea)，搅拌30分钟，进行羧基的中和反应。

47、步骤8.加入适量去离子水，持续搅拌1小时，冷却至室温，得到水性聚氨酯乳液(wpu)。

48、作为本发明的进一步方案，水性聚氨酯-丙烯酸乳液(wpua)的制备，包括以下步骤：

49、步骤1.在一个500ml的四口圆底烧瓶中，同样配备机械搅拌器、温度计、冷凝器，并在氮气氛围下操作。

50、步骤2.按化学计量比，加入wpu分散液、乳化剂和一定量的去离子水。

51、步骤3.将烧瓶加热至45℃，在150r/min的搅拌速度下搅拌30分钟。

52、步骤4.添加不同重量比的软段(2-eha:ba＝1:2)和硬段(st:mma＝0.35:0.65)的丙烯酸单体。

53、步骤5.升温至75℃，将溶解了过硫酸钾(kps)的去离子水缓慢滴加到烧瓶中，持续2.5小时。

54、步骤6.在75℃下继续反应1小时，得到wpua乳液。

55、作为本发明的进一步方案，涂料的制备，包括以下步骤：

56、步骤1.将wpu和wpua乳液在搅拌下依次加入二丙二醇丁醚(dpnb)、润湿剂、消泡剂、防闪锈剂fa179、钛白浆和增稠剂r299等。

57、步骤2.搅拌均匀，确保所有成分充分混合。

58、步骤3.使用150mm的线棒，通过刮涂的方式在玻璃板上制备漆膜。

59、作为本发明的进一步方案，水性聚氨酯内饰面漆由两个基漆(a组分)和固化剂(b组分)组分构成，其中，水性聚氨酯内饰面漆(a组分)的制备，包括以下步骤：

60、步骤1.按照指定配方，准确称量两种乳液，并将其加入到分散容器中。

61、步骤2.将分散容器固定在高速分散机上，在500r/min转速下依次加入二甲基乙醇胺(dmea)、乙二醇丁醚(bcs)、二丙二醇甲醚(dpm)和二丙二醇丁醚(dpnb)，分散10-20分钟。

62、步骤3.接着依次加入润湿剂、消泡剂、流平剂和钛白浆，继续分散10-20分钟。

63、步骤4.通过加入增稠剂和去离子水调整涂料的粘度至70～80ku(斯托默粘度计单位)。

64、步骤5.使150目的滤布过滤制得的液体，然后包装，即得到水性聚氨酯内饰面漆的a组分。

65、作为本发明的进一步方案，水性聚氨酯面漆固化剂(b组分)的制备，包括以下步骤：

66、步骤1.确保操作环境洁净，湿度控制在40％以下。

67、步骤2.向容器中加入丙二醇二丙酸酯(pgda)和脱水剂(ti)。

68、步骤3.接着向容器中加入异氰酸酯固化剂，充分搅拌使其均匀。

69、步骤4.使用300目的滤布过滤制得的液体，然后包装，即得到水性聚氨酯面漆的b组分。

70、作为本发明的进一步方案，水性聚氨酯内饰面漆制备时，还包括配比混合和施工，步骤为：

71、步骤1.将a组分(主漆)与b组分(固化剂)按照一定的--nco和--oh摩尔当量比进行配比混合，可以手工或机械搅拌均匀。

72、步骤2.加入去离子水，稀释至可施工粘度(25-30秒，用涂-4粘度杯测量)。

73、步骤3.静置5分钟后，即可开始涂装施工。

74、作为本发明的进一步方案，水性聚氨酯内饰面漆喷涂前的基材处理，包括：使用320目砂纸对碳钢板基材进行打磨处理；用高压空气吹扫和干净的抹布擦拭，确保基材表面无灰尘、油污等。

75、水性聚氨酯内饰面漆喷涂和干燥时，包括：

76、1.在表面处理干净的碳钢板基材上，按照湿碰湿工艺进行2遍喷涂。

77、2.喷涂环境的常温应控制在20～30℃。

78、3.喷完两道面漆后，在常温下干燥10分钟。

79、4.然后将涂装过的物品置入恒温为(60±2)℃的烘房中，烘烤60～90分钟，以确保固化。

80、5.最终，确保干膜总厚度达到40～60微米。

81、与现有技术相比，本发明的种轨道交通内饰用水性双组分聚氨酯面漆及其制备方法具有以下有益效果：

82、本发明的一种轨道交通内饰用水性双组分聚氨酯面漆及其制备方法，通过在成膜过程中形成粗糙表面来制备低光泽涂层。wpua膜的低光泽效果是由乳液本身产生的，另外，通过改变丙烯酸单体的硬/软单体的重量比，可以微调膜表面的粗糙度，从而可以满足不同光泽涂料的要求。总体而言，所得wpua乳液可提供具有良好硬度、良好粘附强度，在低光泽水性涂料的应用中显示出巨大优势。之后通过调节自消光水性聚氨酯-丙烯酸酯(wpua)乳液，与高光羟基丙烯酸树脂比例，制备具有光泽稳定性高、高装饰性，且综合性能优异的水性半光内饰面漆，以解决现有半光内饰面漆的光泽稳定性差、流平差的问题。

83、本发明制备时通过在水性聚氨酯结构中引入丙烯酸软段和硬段，使得成膜过程中形成粗糙表面来制备低光泽涂层，之后将所制备的低光泽的水性聚氨酯-丙烯酸酯(wpua)乳液，与高光羟基丙烯酸树脂进行复配实验制备双组分内饰用聚氨酯面漆。该方法制备简单，制备得到的半光面漆的光泽稳定性好，对应的漆膜的装饰性好、综合性能优异。