一种聚氨酯涂料及其制备方法和应用与流程

1.本发明涉及聚氨酯涂料技术领域，更具体地，涉及一种聚氨酯涂料及其制备方法和应用。


背景技术：

2.实木家具是我国最古老、传统的家具形式。油漆在我国经上千年的使用历史，早在汉代，大漆已运用于木器家具的外表涂饰，对红木家具起到保护木材、美化外表和显示实木本身的纹路的作用。近代木器家具使用涂料，简称木器漆，不仅满足了一般维护家具的需求，并且有很多效果、纹理和色彩，给人们提供了更多的个性化选择。
3.目前实木家具，从实用型更多向新式的、高端的、价格偏贵的趋势发展。以实木为代替的仿古家具和新兴的新中式家具是目前的市场宠儿。大量运用到纹理唯美的木材，如黄花梨木、黑檀木、紫檀木、鸡翅木、乌金木等，木材色泽艳丽，纹理漂亮，高端奢华，是贵族的象征，有很高的观赏价值和收藏价值。此类木材密度大、稳定性高、收缩性小。如黑檀木气干密度达到1.01g/cm3，越南花梨木气干密度达到1.02g/cm3等，使用此类木材生产家具不需要过多考虑木器漆的填充和抗塌陷性能，甚至可以使用大自然生漆就可达到最佳性能表现，而且涂膜薄、气味低，但其弊端是价格长期居高不下，只能满足高端消费者。
4.随着市场大众消费者对纹理绚烂实木的需要，近年来更多的使用性价比高的来自非洲木材，有巴花、奥坎、鸡翅木、非洲柚木、非洲奥古曼、非洲沙比利、非洲樱桃木等。这些木材每种材质各具特色，风格不一，纹理清晰，结构细且均匀。但木材含水率较高、密度偏低、材质轻、收缩性大，其中近年常用的非洲樱桃木比重值0.64g/cm3，新鲜材含水率高于18％时，密度大于850kg/cm3，木材含水率12％时，密度约为690kg/cm3，收缩率近20％，非洲沙比利气干密度0.67g/cm3，而用量最大的非洲奥古曼气干密度仅为0.48g/cm3，如果仍然使用统一实木工艺涂饰，容易出现吸油性大，起泡以及后期收缩塌陷，如果使用较厚涂膜对木材进行保护，则会导致透明性差、气味大、易塌陷等问题。
5.其次是目前技术一般在牺牲透明性的基础上做到易填充。树木在生长时易小片状脱落而残留浅凹坑，细点状皮孔密集，加上纤维发达，易有长条深木纹，给现有涂料涂饰的中后期带来了很多问题。非洲木材表面构造较复杂，细胞种类较多且排列不规则，主要由导管、木纤维、木射线和轴向薄壁组织等组成。当木材的微观构造在光学显微镜放大的倍数为40-1600倍下所能观察到木材的细胞分为管胞、导管、木纤维、木射线、髓线等。多数非洲木材中的管胞间还有树脂管道，树脂管道富含多元酚类、萜类、脂类、黄酮类、木酚素等树胶，脂肪，树脂化合物等抽提物。这些化合物干燥后形成光滑张力低的表面，令涂膜难以湿润渗透而产生小孔洞，即使增加涂布量也只会让孔洞越堆越高，最终形成类似火山口影响美观；从非洲木材的超微观构造(利用电子显微镜放大倍数在1600倍以上，如扫描电子显微镜、分析电子显微镜和高分解能电子显微镜等观测到的木材细胞局部形态)可以看到，非洲木材穿孔丰富，相对于同类实木，木质更疏松。因此，基于非洲木材的特殊结构，使得涂层在填充上更加困难，这是现有聚氨脂涂料难以解决的问题。
6.针对以上非洲木材的涂饰过程，如果采用刮灰，可以得到较好的填充性，但影响透明性，如果采用无粉的聚氨酯涂料，透明性好，但填充性差，且需要多遍喷涂施工，影响环境和效益，而且非洲木材的木纹深、密度低，在喷涂时易产生气泡，影响到涂膜的平整度。
7.由于市场近年流行这种以非洲木材为底材的家具做法，以突出木质纹理效果，但是，采用现有的涂料和工艺对非洲木材施工容易出现吸油性大、起泡和后期收缩塌陷等问题，很难兼顾涂膜的透明性、填充性和抗塌陷性。所以对涂料提出新的要求，亟需开发一种新涂料，应用于涂饰非洲木材，兼具透明，无味，抗塌陷性好，填充性好的特点。


技术实现要素：

8.本发明旨在至少解决上述现有技术中存在的技术问题之一。为此，本发明提出一种聚氨酯涂料及其制备方法和应用，所提供的聚氨酯涂料可以应用于非洲木材涂饰，兼具透明，无味，抗塌陷性好，填充性好的特点。
9.本发明的第一方面提供一种聚氨酯涂料。
10.具体地，一种聚氨酯涂料，包括甲组分和乙组分，所述甲组分包括高羟值醇酸树脂和填充粉，所述填充粉包括聚乙烯微蜡粉，所述高羟值醇酸树脂的羟值为160-180mgkoh/g；所述乙组分包括异氰酸酯固化剂，所述异氰酸酯固化剂的异氰酸酯基值为7-9。
11.本发明的甲组分含有高羟值醇酸树脂和聚乙烯微蜡粉，然后与乙组分中高nco(异氰酸酯基)值的异氰酸酯固化剂制得聚氨酯涂料，进一步在成膜过程中可以产生更密集的交联形成聚氨酯涂膜，提高涂膜的耐溶剂性和防塌陷性，显著地提升了涂膜的机械性能，特别是硬度和丰满度；且添加了聚乙烯微蜡粉使得成膜后收缩程度小，可以防止后期塌陷，同时还兼顾优异的填充性和透明度，成膜干性快，打磨性好，气味低，利用本发明的聚氨酯涂料对非洲木材的深木纹进行填充，既能起到有效填充，又不影响透明性，有效防止非洲底材的油脂和气泡逸出影响涂膜表面，涂膜透明性好，且无味；另外，本发明还添加了聚乙烯微蜡粉，其具有优良的耐化学性能，与醇酸树脂的相容性极佳，而传统聚氨酯涂料的透明底漆中采用透明粉、滑石粉、硅微粉等组分来增加木材填充性能，会影响涂膜的透明性以及打磨性。
12.优选地，所述醇酸树脂的羟值为168-170mgkoh/g。
13.优选地，所述异氰酸酯固化剂的异氰酸酯基值为8-9。
14.优选地，所述甲组分还包括助剂、第一稀释剂，按重量份计，所述甲组分包括：
[0015][0016]
优选地，所述聚乙烯微蜡粉(pe微蜡粉)的平均粒径为45-65um。所述pe微蜡粉是通过将聚乙烯进行蜡包裹处理制成超细改性的微粉化pe蜡。pe微蜡粉具有分布均匀、分散性好、防沉降性佳的特点，由于其结构和尺寸的稳定性好，可以控制收缩性，增加对底材的填充性及打磨性，使得涂料在成膜后收缩性小，防止后期塌陷。
[0017]
优选地，所述高羟值醇酸树脂的固含量为70％-80％。
[0018]
优选地，所述高羟值醇酸树脂的粘度为8000-10000mpa
·
s/25℃。
[0019]
优选地，所述填充粉还包括硬脂酸锌。
[0020]
优选地，所述助剂为消泡剂、防沉剂、催干剂、流平剂、分散剂的一种或几种。
[0021]
优选地，所述第一稀释剂为二甲苯、醋酸丁酯、丙二醇甲醚醋酸酯(pma)的一种或几种。
[0022]
优选地，所述多元酸酐为苯酐、顺丁烯二酸酐、间苯二甲酸酐、己二酸、癸二酸及其衍生物中的一种或几种。
[0023]
优选地，所述多元醇为三羟甲基丙烷、三羟甲基乙烷、季戊四醇、丙三醇、丙二醇、新戊二醇中的一种或几种。
[0024]
优选地，所述催化剂为氢氧化锂。
[0025]
优选地，所述回流溶剂为醋酸丁酯。
[0026]
优选地，所述第二稀释剂为醋酸丁酯、醋酸乙酯、pma的一种或几种。
[0027]
优选地，所述异氰酸酯固化剂为甲苯二异氰酸酯-三羟甲基丙烷聚合物和/或甲苯二异氰酸酯三聚体。
[0028]
优选地，所述乙组分的固含量为45％-65％。
[0029]
更优选地，所述乙组分的固含量为55％。
[0030]
优选地，所述乙组分的粘度为12-14s(涂-4杯)。
[0031]
更优选地，所述乙组分的粘度为13.2s(涂-4杯)。
[0032]
优选地，所述乙组分还包括第三稀释剂，按重量份计，所述乙组分包括：
[0033]
甲苯二异氰酸酯-三羟甲基丙烷聚合物(tdi-tmp聚合物)40-60份；
[0034]
甲苯二异氰酸酯三聚体(tdi三聚体)25-45份；
[0035]
第三稀释剂10-20份。
[0036]
优选地，所述第三稀释剂为醋酸乙酯和/或醋酸丁酯。
[0037]
优选地，按重量份计，所述乙组分还包括醋酸乙酯5-15份和醋酸丁酯4-6份。
[0038]
优选地，所述聚氨酯涂料还包括第四稀释剂。
[0039]
优选地，所述甲组分、乙组分和第四稀释剂的质量比为1：(0.1-1)：(0.2-0.4)。
[0040]
更优选地，所述甲组分、乙组分和第四稀释剂的质量比为1：0.5：0.3。
[0041]
本发明的第二方面提供一种聚氨酯涂料的制备方法。
[0042]
本发明保护上述聚氨酯涂料的制备方法，包括如下步骤：
[0043]
将各原料组分混合，制得所述聚氨酯涂料。
[0044]
优选地，所述甲组分的制备方法为：将高羟值醇酸树脂、填充粉、助剂、第三稀释剂按照配比混合，以1500r/min分散20min至细度《50μm制得甲组分。
[0045]
优选地，所述乙组分的制备方法为：将tdi-tmp聚合物、tdi三聚体和醋酸乙酯混合，然后用醋酸丁酯稀释制得乙组分。
[0046]
优选地，按重量份计，制备所述高羟值醇酸树脂的原料包括：
[0047][0048]
优选地，所述高羟值醇酸树脂的制备方法为采用多元酸酐和多元醇在催化剂的作用下发生酯化反应制得。
[0049]
优选地，所述高羟值醇酸树脂的制备方法，包括如下步骤：
[0050]
将多元酸酐、多元醇和回流溶剂依次加入反应釜中，通入n2气体，升温至120-140℃后加入催化剂，进行酯化反应，然后升温至220-230℃，保温反应至产物酸值≤11mgkoh/g以下，达到反应终点，降温至150-160℃，加入第三稀释剂制得高羟值醇酸树脂。
[0051]
优选地，所述的催化剂为氢氧化锂。
[0052]
优选地，所述酯化反应的温度为160-180℃，反应的时间为2-3h。
[0053]
优选地，所述升温的速率为9-11℃/h。
[0054]
本发明的第三方面提供一种聚氨酯涂料的应用。
[0055]
本发明保护上述聚氨酯涂料在木器涂饰中的应用。
[0056]
优选地，所述木器采用的木材为非洲木材。
[0057]
本发明的第三方面提供一种聚氨酯涂膜的应用。
[0058]
本发明保护上述一种聚氨酯涂膜，由上述聚氨酯涂料制得。
[0059]
优选地，将所述聚氨酯涂料喷涂于底材上，固化后，制得全透净味抗塌陷颗粒手感的聚氨酯涂膜。
[0060]
优选地，所述涂膜的厚度为140-160μm。
[0061]
更优选地，所述涂膜的厚度为150μm。
[0062]
优选地，所述固化的温度为25-30℃。
[0063]
优选地，所述喷涂为单次喷涂。
[0064]
优选地，所述喷涂使用的喷枪的口径为1.5mm。
[0065]
相对于现有技术，本发明的有益效果如下：
[0066]
(1)本发明提供的聚氨酯涂料包含甲组分和乙组分，且甲组分包括高羟值醇酸树脂和填充粉，填充粉包括聚乙烯微蜡粉，乙组分包括高异氰酸酯值的异氰酸酯固化剂，所制得的涂膜具有透明性好、无味、颗粒手感，抗塌陷性能好，两周基本不塌陷，厚度150μm的涂膜干燥时间不超过5.2h，涂膜综合性能优异，施工性好，厚涂不起气泡，涂膜后期不易收缩，解决了聚氨脂涂料干速慢、抗塌陷性差、气味大、不能兼具透明性好和填充性好的问题，本发明提供聚氨酯涂料可以应用于非洲木材的涂饰中，大大提高了非洲木材的使用率，同时也满足了多数中等消费都对品质的需要及高档实木效果的追求；
[0067]
(2)本发明提供的聚氨酯涂料可以在生产上实现单次喷涂即得有效涂膜，相对于现有的多次薄喷工艺，可以缩短生产周期，提高工作效率，性能上能兼顾透明性、填充性以
及抗塌陷性特点，适应市场的需要，由此可见，本发明的在经济效益和市场需要上都有不错的价值；而且制备方法比较简单，性价比高。
具体实施方式
[0068]
为了让本领域技术人员更加清楚明白本发明所述技术方案，现列举以下实施例进行说明。需要指出的是，以下实施例对本发明要求的保护范围不构成限制作用。
[0069]
以下实施例中所用的原料、试剂或装置如无特殊说明，均可从常规商业途径得到，或者可以通过现有已知方法得到。
[0070]
以下各实施例和对比例中使用的原料，若无特殊说明，所有原料均可来源于市售：
[0071]
透明粉购用佛山猴圣化工有限公司，型号为1250目tm系列优质透明粉；
[0072]
滑石粉购用桂林桂广滑石开发有限公司，型号为1250目超细滑石粉；
[0073]
pe微蜡粉购用南雄市三拓化学工业有限公司，型号为236f；
[0074]
硬脂酸锌购用新加坡三益，型号为plb；
[0075]
防沉剂购用德国海名斯德谦，型号为sd-1；
[0076]
分散剂购自德国巴斯夫，型号为efka4010；
[0077]
催干剂购用美国赢创(气体)公司，型号为t-12；
[0078]
消泡剂为三化助剂，型号为ac-300；
[0079]
流平剂购自德国毕克化学，型号为byk-323。
[0080]
制备高羟值醇酸树脂
[0081]
实施例1聚氨酯涂料的甲组分采用编号为a3的高羟值醇酸树脂，对比例1-2采用编号为a1-a2的高羟值醇酸树脂，编号为a1-a3的高羟值醇酸树脂按照表1的配方制备：
[0082]
表1高羟值醇酸树脂的配方表(单位：重量份)
[0083]
高羟值醇酸树脂的编号a1a2a3苯酐 18.235.5间苯二甲酸酐36.620.3 新戊二醇12.52221.2三羟甲基丙烷13.7 20季戊四醇1015.2 氢氧化锂0.10.10.1醋酸丁酯20.31915.3回流溶剂7.85.27.9固含量72％75％78％
[0084]
按照表1中的配方依次加入多元酸酐、多元醇、回流溶剂，通入n2气体升温至130℃后加入氢氧化锂，升至170℃回流酯化2.5h后，以10℃/h升温至225℃，保温反应至产物酸值≤11mgkoh/g以下达到反应终点，降温至155℃，加入醋酸丁酯兑稀调节粘度至8600mpa
·
s/25℃，制得高羟值醇酸树脂，所制得的编号为a1-a3的高羟值醇酸树脂的固含量分别为72％、75％、78％。
[0085]
编号a1-a3的高羟值醇酸树脂的基本性能测试结果如下表2所示：
[0086]
表2编号a1-a3的高羟值醇酸树脂的基本性能测试结果
[0087][0088]
其中，表2中的测试标准为：
[0089]
《gb/t 1721-2008清漆、清油及稀释剂外观和透明度测定法》；
[0090]
《gb/t 1722-1992清漆、清油及稀释剂颜色测定法标准》；
[0091]
《gb/t 1723-1993涂料粘度测定法》；
[0092]
《gb/t 1724-2019色漆、清漆和印刷油墨研磨细度的测定》；
[0093]
《gb/t 1725-2007色漆、清漆和塑料-不挥发物的测定》；
[0094]
《hg2-569-1977涂料酸价测定法》。
[0095]
由上表2的测试结果可知，编号a1-a3的高羟值醇酸树脂透明、无机械杂质，固含量分别为72％、75％、78％，羟值分别为105mgkoh/g、138mgkoh/g、168mgkoh/g。
[0096]
实施例1和对比例1-5
[0097]
1、制备甲组分
[0098]
实施例1、对比例1-5的区别在于甲组分不同，实施例1、对比例1-5分别采用以下表3的原料及其配比制备甲组分。
[0099]
表3实施例1-3的甲组分配方质量比表(单位：重量份)
[0100]
[0101][0102]
按照表3将上述制备的高羟值醇酸树脂、填充粉、助剂、醋酸丁酯在1500r/min高速分散，分散20min，至细度《50μm即得甲组分。
[0103]
2、制备乙组分
[0104]
乙组分的原料包括：
[0105][0106]
在醋酸乙酯稀释剂中加入tdi-tmp聚合物和tdi三聚体，混合均匀，用醋酸丁酯稀释剂兑稀制得乙组分，其中乙组分的固含量为45％，粘度为13.2s(涂-4杯)，异氰酸酯固化剂的nco值为8。
[0107]
对比例6
[0108]
本对比例与实施例1的区别在于，异氰酸酯固化剂的nco值为5.0。
[0109]
应用例
[0110]
将上述制得的甲组分和乙组分，采用醋酸丁酯作为稀释剂，并且按照甲组分：乙组分：醋酸丁酯的质量比＝1：0.5：0.3混合后进行施工，在做好前处理的非洲木材奥古曼作为底材进行喷涂，使用1.5mm口径喷枪均匀喷涂4枪，厚度达到150μm进行常温固化，在温度为25℃-30℃，湿度为60％-85％的条件下干燥24小时后进行测试，测试结果见表4。
[0111]
产品效果测试
[0112]
实施例1、对比例4和对比例5制得的聚氨酯涂料施工在非洲木材奥古曼上形成涂
膜后，进行测试，结果如下表4所示：
[0113]
表4不同配方制成涂膜的性能测试结果
[0114][0115]
其中上表4中的测试标准按照《gb/t 23997-2009室内装饰装修用溶剂型聚氨酯木器涂料》、《gb/t 1728-2020涂膜、腻子膜干燥时间测定法》、《gb/t 1770-2008涂膜、腻子膜打磨性测定法》。
[0116]
由上表4可知，实施例1采用编号a3的高羟值醇酸树脂(羟值168mgkoh/g)制得的涂膜，由于高羟值醇酸树脂与高nco值的异氰酸酯固化剂反应交联性好，两周后不塌陷，抗塌陷性最佳，且其干速快，丰满度好，填充性高，粘度低，湿润入孔性好，综合性能最优。对比例1不加聚乙烯微蜡粉，填充性和打磨性差，无颗粒手感，两周后有轻微塌陷；对比例2单独使用透明粉作为填充粉，打磨性和透明度差；对比例3单独使用滑石粉作为填充粉，透明性差和入孔性差；对比例4-5分别采用编号a1-a2的羟值105gkoh/g、138gkoh/g的醇酸树脂，施工两周后涂膜都有不同程度塌陷；对比例6的nco值为5.0，两周塌陷20％，有轻微气味。
[0117]
由以上测试结果可知，本发明实施例1采用了编号a3的配方制得高羟值醇酸树脂，固含量为78％，粘度为8600mpa
·
s/25℃，羟值为168mgkoh/g，同时还添加pe微蜡粉，保证涂膜透明性的同时还有效地提高了对木材管道的填充性能，为最佳的聚氨酯涂料制备方案。本发明所制得的涂料适用于非洲木材，透明度高、净味效果好，可以实现两周内不塌陷，颗粒填充性好，涂膜综合性能优异，施工性好，厚涂不起气泡，涂膜后期不易收缩，而且制备方法比较简单，性价比高。