随着可持续发展的要求在大多数建筑项目中变得越来越普遍，涂料技术被迫发展或消亡。由于其广泛可调的属性，聚氨酯涂料可以配方，以提供耐久性，可再生含量和VOC的要求，现在由许多绿色建筑指南规定。在耐久性方面，很少有涂层解决方案用于保护建筑环境中的混凝土，具有基于聚氨酯技术的长期、经过验证的性能。此外，随着VOC和室内空气污染物限制的缩减，聚氨酯涂料通过提高耐久性和更快的恢复服务时间来满足新法规，继续表现出色。

简介

关于建筑环境的宏观组成部分，如混凝土、金属、木材和照明，已经讨论了许多解决方案。然而，通过改善室内空气质量、照明效率、可再生成分、抗涂鸦性或主要设计组件的长期耐久性，有许多智能方法可以使涂料等次要组件极大地影响结构的整体可持续性。

由于环保意识的提高和聚合物行业对许多无处不在的工业、建筑和建筑产品的碳足迹量化的努力，水性涂料产品和植物性活性聚合物树脂越来越受欢迎。与溶剂型技术相比，早期水性聚氨酯涂料要求最终用户在物理性能上做出妥协。在过去，许多天然油基树脂或添加剂通常被称为天然油多元醇(NOPs)，用于取代石油衍生物，但通常至少会影响最终用途应用所需的一些理想特性。由于关注可持续性和绿色建筑实践，许多美国涂料配方商、最终用户和建筑业主都要求产品具有低VOC或100%固体，以及显著的可再生含量。

天然油多元醇涂料

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双组份水性聚氨酯涂料

几十年来，溶剂型聚氨酯涂料由于其优异的机械和风化性能，一直被认为是用于建筑、工业维护、腐蚀和建筑应用的高性能涂料的支柱。但是，政府、监管机构和可持续发展压力的增加，产生了对涂料技术的需求，该技术可以减少或消除VOC、HAPS、重金属和/或其他对环境有害的化合物。近十年来，第一代水性聚氨酯涂料被配制出来并推向市场。虽然可以用水取代部分VOC和溶剂，但许多涂料的助溶剂含量仍超过250克/升。此外，这些涂料在化学、耐磨和抗紫外线方面往往明显低于溶剂型聚氨酯标准。

这限制了它们在许多应用中的使用。与大多数新兴技术一样，学习曲线非常陡峭，第二代水性聚氨酯涂料的开发目标是达到或超过溶剂型聚氨酯涂料的期望特性，同时显著降低VOC和溶剂水平。这些第二代水性聚氨酯涂料已经实现了性能目标，是“真正的水性”——VOC水平为0- 20g /L。

天然油多元醇涂料

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实验
为了获得理想的涂料性能，配制了几种蓖麻油基树脂。所有这三种NOP产品都是通过蓖麻油的羟基改性而产生的。蓖麻油具有亚油酸、油酸和亚油酸官能团，可以进一步修饰形成功能活性的反应位点。将功能调整到2.0以上的期望点，以优化聚合，当与多异氰酸酯反应时，链终止最小化。改性蓖麻油的长(16+)碳链使聚合物具有独特的强疏水性。这种疏水特性有助于产品在现场应用过程中以及在聚合物完全固化成最终用途的保护涂层后抗大气水分。

一系列NOP多元醇树脂被创造出来，以帮助在建筑环境中使用的几种不同类型的涂料的配方。其中一个是为了最大限度地提高可再生含量，而其他几个则使配方师能够获得一系列硬度和粘度。表2总结了三种改性蓖麻油树脂的体积性能，可用于配制本文稍后描述的高性能涂料。

然后将这些树脂配制成地板和建筑涂料技术的指导配方，目标是获得以下属性:

• 100%固体配方，VOC接近零，HAPS或豁免溶剂;
• 不添加邻苯二甲酸盐、重金属或甲醛;
• 成品涂料应含有配方中按重量计35%的可再生成分>;而且
• 耐久性可与具有竞争力的石油基树脂系统相媲美。

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为了配制涂料，通常会使用额外的成分，如助流剂、除氧剂、填料和颜料，以最大限度地提高应用和最终使用所需的特性。因此，指导配方的开发通常包括树脂和这些其他所需成分(表3)。本研究范围内考虑的最终用途是自流平地坪涂料，因此针对这些特性开发了指导配方。树脂或多元醇共混物以逐步方式制备，以有效地将所需的添加剂和颜料分散到共混物中。真空溶解器已被证明是理想的，因为它们可以防止空气的掺入。

使用Desmophen®NOP多元醇、附加添加剂和硬化剂组合制备样品涂层。在这种情况下，硬化剂选择Desmodur®VL或VL 50反应性改性MDI异氰酸酯。所有薄膜的交联NCO/OH比例设置为1.10，树脂共混物与异氰酸酯的混合比例约为10:2.1(树脂共混物:硬化剂)。在23ºC下，所有共混物的工作时间或使用寿命约为30分钟。

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这些薄膜的厚度为1.5毫米，并在测试前至少固化7天。研究指出，在潮湿环境中固化MDI异氰酸酯基涂料时，薄膜没有表现出与环境湿度的常规反应，这种反应会导致气泡、水泡或鱼眼等缺陷。异氰酸酯基可与溶解或吸收的水反应生成尿素。这一过程会释放出二氧化碳气泡，这些气泡会被困在薄膜中，导致物理性能和美学性能下降。室温固化后，对试样进行物性测试。

双组份水性聚氨酯涂料

实验
由于几种水性树脂具有理想的物理特性(表5)，本文考虑了它们在施工环境中的使用。这些特性包括:

• 接近零VOC配方，具有优异的耐磨性、化学性和耐候性;
• 在有其他行业或建筑人员在场的现场使用时无异味;


• 可调的光泽水平，从高光哑光;而且


• 可作为自流平高可再生含量地坪涂料的面漆。

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与自流平nop基涂料的开发和测试类似，这些标准将是本研究的目标。

使用两种拜耳水性树脂和必要的添加剂制备指导配方(表6)。光泽度随配方中使用的树脂而变化，而不是使用平坦助剂。采用亲水性HDI三聚体Bayhydur®XP 2547作为固化剂，NCO:OH比例为3:1。这种过标度可以用脂肪族异氰酸酯来完成，而不会形成有害的气泡指导配方涂料在大约4-6密耳的湿密耳中使用，每层的干密耳厚度约为2-3密耳。涂料的干燥时间从哑光配方的2小时到光泽配方的约6小时不等。注意到，随着配方变得不那么光滑，即在配方中使用更多的Bayhydrol A 2546，干燥时间缩短了。与Bayhydrol A 2542树脂相比，Bayhydrol A 2546树脂是一种更快的固化树脂。

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讨论
根据所观察到的优异的耐磨性、耐化学性和耐候性数据，针对建筑环境中的几个涂料使用领域进行了进一步的测试。这些包括用于工业、商业和装饰地板的脂肪族轻质和耐候性面漆，以及抗涂鸦的墙壁涂料。

在过去的几年里，越来越多的趋势是在建筑物的内部建造中推广绿色技术。主要的焦点是由于封闭空间而可能在空气中积聚的有毒物质的释放。室内环境空气质量指南已写入众多第三方认证，如Green Seal、GreenGuard等。例如，绿色印章GS-11引用限制和排除某些化合物，如甲醛和挥发性有机化合物，用于建筑物的内部表面，正在考虑LEED认证这些趋势的证据主要体现在三个方面:通过国家AIM规则制定更严格的联邦VOC法规，加强对影响消费者的环境问题的沟通和认识，以及提高建筑居住者和商人对溶剂气味的敏感性。加州对VOC法规的修改预计将被其他州采用。2006年，加利福尼亚州的部分地区对住宅地板应用规定了50克/升的限制，对商业地板应用规定了100克/升的限制。这些限制严重限制了可以在地板市场上使用的涂层系统。

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对于作为面漆使用的地坪涂料，为了具有美观和耐用的表面处理，需要几个理想的物理性能。在考虑耐久性时，耐磨性是一个关键参数。耐化学性也在耐久性方面发挥了作用，因为许多工业地板应用可能会接触到常见的化学物质，如汽油、制动液、溶剂、酸和碱以及染色剂。面漆的另一个理想特性是能够应用地板系统，而不会产生可能破坏邻近区域生产或其他活动的难闻气味。测试结果表明，2K水性涂料导向配方满足了所需的物理性能和特性，同时大大降低了VOC、HAPS和溶剂含量(表7)。特别是，光泽和哑光导向配方具有非常低的磨损和气味，同时对许多普遍存在的工业和商业化学品表现出优异的抗性。

这些类型的2K水性涂料的另一个应用领域是抗涂鸦涂料。这类涂料与地坪涂料一样受到严格的审查和严格的VOC规定。除了前面介绍的地板面漆的驱动因素外，抗涂鸦涂料通常还有一个额外的要求——能够在保持涂料所需的优异耐化学性的同时调整光泽水平。建筑外部的混凝土和钢材被建筑师视为一个不可或缺的设计元素。建筑师设想了建筑的某种外观，并不想通过添加保护涂层来改变这种外观。因此，在建筑物外部使用其他抗涂鸦涂料会改变涂覆区域的外观或光泽水平，因此一直存在阻力。通常，不受欢迎的特征是暴露的建筑混凝土上的光洁度明显较高。在表6中定义的拜耳哑光配方的情况下，通过使用Bayhydrol a 2546树脂而不是溶剂和压平添加剂来实现非常低光泽的哑光完成这使得涂层保留了优异的抗涂鸦性，对混凝土的美学几乎没有影响。这是在使用VOC含量低于15 g/L的涂料时实现的。

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进一步研究了光泽等级的调节能力，发现通过改变两种Bayhydrol水性树脂的比例，可以达到许多光泽等级(图1)。趋势线显示，60º的光泽等级从大约90下降到近5是可以实现的，并且在这两者之间的所有级别都是可预测的。这种改变光泽等级的能力在地板行业也有实用价值，因为光泽稍低的面漆可以很好地隐藏底层地板基材的缺陷。

结论

聚氨酯涂料解决方案已经在各种建筑需求中证明了长期性能。随着可持续发展的指导方针收紧，并排除了无法适应的技术，这类产品的用途有所增加。随着VOC和耐久性在绿色建筑倡议中占据越来越大的比重，高性能涂料解决方案正被指定为整体可持续建筑设计中不可或缺的智能组件。

确认

作者向在研究和总结这些独特技术期间参与测试、数据创建和一般咨询的各种个人表示感谢:Terry Wayt、Kathy Allen、Pete Schmitt、Karl Heinz-Wuehrer。

本文代表聚氨酯工业中心(CPI)在马里兰州华盛顿堡举行的聚氨酯2009技术会议上发表。