双组分水性聚氨酯(2K WB PU)涂料技术自1990年以来就已经商业化，主要是为了解决当时溶剂型技术无法实现的减少VOC的要求而开发的。水性涂料的进步解决了水性涂料的许多固有缺陷，努力与传统的溶剂型双组分聚氨酯涂料的性能和应用范围相匹配。
然而，2K WB PU系统的一个缺点是难以克服的是干燥速度，特别是在高湿度条件下。当使用典型的聚酯多元醇作为体系的OH组分时，这一点尤其明显。丙烯酸多元醇在高湿度条件下不会因干燥时间过长而减慢，但其他性能如柔韧性、耐久性或耐化学性可能会受到影响。因此，研究合适的催化剂是否能改善2K WB聚氨酯涂料的干燥时间是很有意义的。
常见的聚氨酯催化剂如双月桂酸二丁锡(DBTDL)在水性体系中的性能下降，主要是由于在水基体中的不相容性和水解不稳定性。提高水解稳定性和水溶性是有效的水性聚氨酯催化剂的两个重要特征。除了这些特性之外，一种合适的水性聚氨酯涂层催化剂应提供所需的反应性和性能发展，以适应广泛的配方特性(化学、功能性、添加剂、固体百分比等)。理想情况下，一种有效的水性聚氨酯催化剂还应该促进在各种环境条件下的一致应用和性能属性，包括温度和相对湿度。
Reaxis开发了一种新的水溶性催化剂，具有优良的水解稳定性，并在各种环境条件下，与典型的聚氨酯催化剂相比，在2K WB PU配方中提供了更高的性能。本文将重点讨论货架期稳定性、罐期、干燥次数、耐溶剂性以及湿度对固化速率的影响。
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反应性和成膜
有两种方法可用于制备稳定的2K WB PU涂层配方。(2)第一种方法涉及使用亲水改性多元醇来提供乳化能力，允许使用典型的疏水多异氰酸酯。多元醇液滴通常要小得多，并且环绕在多异氰酸酯液滴周围，有助于分散它。乳化发生时，多元醇液滴包围较大的多异氰酸酯液滴，形成稳定的多异氰酸酯胶束。
此外，通过将亲水改性的多异氰酸酯混合到多元醇分散体中，可以制备出典型的2K WB PU涂层。多异氰酸盐可以在不借助多元醇的情况下形成胶束结构(图1)。随着配方年龄的增长，多异氰酸盐液滴和多元醇液滴开始聚合，粒径增大。这通常会导致初始粘度下降。由于这种降低，这些系统的罐寿命不是通过测量粘度随时间的增加来决定的，这是典型的溶剂型2K聚氨酯系统。
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一旦使用该配方，水开始蒸发，颗粒开始聚合并形成膜。(3)图2中的固化曲线是通过FT-IR跟踪水和异氰酸酯基团(NCO)的相对浓度生成的。资料显示，大部分水在头30分钟蒸发，60分钟后几乎所有的水都蒸发了。此时发生的主要反应是多醇羟基(OH)与多异氰酸酯NCO基团的反应。催化剂的反应性和选择性很重要，因为当配方在混合锅中，以及涂膜后的前30到60分钟，与水的竞争反应很重要。理想的催化剂是优先促进NCO与多元醇OH的反应，而不是与水的反应。过多的水与NCO反应会导致二氧化碳释放形成气泡。如果催化剂太活泼，在所有的水蒸发之前就会发生过多的交联，二氧化碳气泡被困会形成针孔。
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简单的FT-IR实验说明了使用催化剂的优越性。对有催化剂和无催化剂的固化膜的分析表明，固化完成度存在差异。两天后，使用新型Reaxis™C333催化剂固化的薄膜中看不到异氰酸酯峰。在无催化剂制备的薄膜中，异氰酸酯峰(2265 cm-1)仍然很容易看到，如图3所示。
实验
本研究使用了两种不同反应活性的聚酯/六亚甲基二异氰酸酯(HDI)配方。在本文中，这些配方将被定义如下:配方1由Bayer Bayhydrol®2591聚氨酯改性多元醇和Bayhydur®2487/1 -异氰酸酯组成。配方2由美国聚合物公司的W2K®2002聚酯多元醇和Bayhydur 302异氰酸酯组成。
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基于多元醇的羟基功能和主链结构，我们进一步将配方定义为高性能和标准性能。因此，配方1(羟基当量为436的四环功能性聚氨酯功能多元醇)被定义为高性能，而配方2(羟基当量为252的聚酯多元醇)被定义为标准性能。Bayhydrol 2591的当量重量为436,W2K 2002的当量重量为252。这些公式见表1和表2。催化剂的使用水平为0.2%的树脂固体。
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制备涂层时，将A组分(多元醇、催化剂、水、润湿添加剂)与B组分(异氰酸酯)混合1分钟。使用Binks虹吸式喷枪，喷枪的压力设置为50psi，每一层涂层都喷在铝基板上，干膜厚度为1.5-2.0密耳。根据所使用的测试方法的要求，将涂层风干一段特定的时间。astm定义的固定触摸，无尘，干硬，MEK双摩擦和铅笔硬度的方法在确定物理性能。
结果
物理性质对比物性结果表明，Reaxis C333配方提供了最短的干燥时间，从设置到接触到硬干。它们还产生了与其他催化剂相同的最终物理性质。当然，最终的物理性质是由所选原材料的性质决定的。188金宝搏bet官网C333帮助在最短的时间内实现了这些最终的属性。催化剂可以缩短获得最终性能所需的时间，但如果它们促进了不良的副反应，也可以降低最终的物理性能。因此，选择性是一个重要的特性。
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表3表明，在强韧多元醇条件下，所有催化剂的性能基本相同，但C333的干硬时间最好。我们将多元醇的稳健性定义为在所有其他条件相同的情况下，在配方中提供更好的最终薄膜性能的倾向。表4显示，C333的使用使得不太稳定的多元醇体系的性能发展更快。
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C333催化剂的一个重要优点是它既可溶于有机相，也可溶于水相。这使得该催化剂与大多数体系兼容，并确保在配方中均匀分布。这有助于确保涂层的均匀固化。
保质期稳定
为2K WB PU系统的A和B组分建立合适的货架寿命稳定性是非常重要的。当催化剂被添加到A侧时，通常可以看到最佳的稳定性。在B侧使用催化剂(NCO)可在一定条件下生成副产物，如双缩脲、异戊酸酯、异氰脲酸酯和脲。此外，在A侧使用催化剂避免了水/NCO反应的催化，如果混合物在静置时吸水。
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设计了一些催化剂用于多异氰酸酯基质(B侧);然而，这并不是常见的做法。如前所述，如果微量水分进入多异氰酸盐成分，这可能会导致许多问题。我们没有观察到老化与非老化的B侧配方在性能上的任何差异，除了C333系统保留铅笔硬度最好。只要B侧不受潮，C333在任何一侧都显示出最佳的通用性。
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贮存期
在水性涂料中，罐寿命通常不是用粘度增加来衡量的，因为在老化过程中通常会遇到粘度下降的情况。水性涂料罐寿命的典型测量包括在指定的老化时间后的物理性能的测定。
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即使C333促进了最终性能的实现，它仍然允许一个合理的工作时间(至少2小时)后，混合的a和B面。由于在锅中发生了一些反应，干燥时间减少了，但最终性能不变。然而，如表8和表10所示，老化后c333基体系的铅笔硬度与其他催化剂相比差异更明显。
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在可变湿度下的涂层性能
C333催化剂提供了强大的固化在广泛的湿度条件下。高湿度往往导致水性涂料干燥缓慢。当使用C333时，涂层的干燥时间和最终物理性能相对没有变化。这对终端用户是有利的，因为它允许在更广泛的条件下进行涂层应用。例如，在温度和湿度不可控制的高湿度和/或热的外部环境中，可以实现一致的应用。
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异氰酸酯/水反应对异氰酸酯/羟基反应的选择性
利用FT-IR研究了C333促进异氰酸酯与水反应的相对选择性。将多异氰酸酯与共反应物在0.8摩尔浓度的二丙二醇二甲醚中混合。以反应物固体为基础，在200 ppm的金属浓度下使用催化剂。
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NCO吸光度的峰高绘制为负的自然对数(-Ln)与时间的关系，以分钟为单位。然后比较各样地的斜率以确定相对速率。从图4可以看出，1-丁醇与一个脂肪族初级NCO基团的反应速度是水与NCO基团反应速度的6.7倍。这对2K水性聚氨酯涂料的配方非常有利，因为它有助于防止起泡，这可能导致薄膜外观不良。Seneker和Potter报告了DBTDL的选择性约为2。
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由图5可知，DBTDL催化的水与NCO的反应速度是C333催化的1.45倍。
摘要和结论
Reaxis C333是一种水溶性，水解稳定的催化剂，可在各种温度和湿度条件下为2K WB PU配方提供快速干燥时间和非常好的物理性能。许多2K WB PU系统在较高的湿度下干燥时间较慢，物理性能下降，因此使用C333提供了更广泛的应用范围。
C333的独特之处在于它既可溶于水介质，也可溶于有机介质，因此提供了非常广泛的配方范围，并允许在液体涂层中均匀分布，从而使整个膜的固化反应均匀。
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C333的鲁棒性是由含有该催化剂的2K WB PU配方的物理性能和干燥次数在老化后保持不变的事实证明的。此外，这些配方的罐寿命和货架稳定性都很好。
FT-IR证实，与DBTDL相比，C333在促进带羟基的异氰酸酯与水的反应方面具有更好的选择性。这是一个非常重要的优势，比典型的催化剂配方的2K WB聚氨酯涂料，因为它有助于防止发泡，这有助于优化膜的外观。
需要进一步的实验来更好地定义和理解C333在2K WB聚氨酯系统和相关涂料技术中使用的优势。这项初步研究提供了值得进一步研究的有前景的数据。
欲了解更多信息，请致电800/426.7273联系Reaxis Inc.或访问www.reaxis.com。
这篇论文在2010年聚氨酯技术会议上发表，该会议由美国化学委员会聚氨酯工业中心赞助，并与UTECH北美合作，在德克萨斯州休斯顿举行。
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