Полиуретановые покрытия - что нужно знать?

Полиуретановые покрытия

Термин «полиуретановые краски (покрытия)» сначала обозначал системы красок, в которых для химического отверждения использовалась высокая реакционная способность изоцианатных групп, взаимодействующих с соединениями, содержащими подвижные водородные атомы. Однако в настоящее время этот термин включает в себя значительно большее количество различных пленкообразующих веществ. Количество полиуретанового сырья, используемого для производства покрытий, неуклонно возрастает и в настоящее время в мире объем его производства превышает 500.000 т в год. Все пленки, изготовленные на основе полиуретановых красок, имеют полимерную структуру со связями через уретановые, карбамидные, биуретовые или аллофанатные группы. Связи могут возникать во время отверждения краски в результате реакции полиаддитивности исходных продуктов, обладающих относительно небольшой молекулярной массой. Кроме того, краски могут содержать полимеры, обладающие большой молекулярной массой, заранее синтезированные путем соединения подходящих мономеров. Часто встречаются высокомолекулярные аддукты с избытком изоцианатных групп или аддукты, в которых отверждение происходит через окисление сопряженных двойных связей.

Среди других интересных с технической точки зрения покрытий можно отметить некоторые разновидности покрытий, в составе которых имеются блокированные реакционные группы, которые можно активировать путем нагревания или под воздействием атмосферной влаги. Микрокапсуляция полиизоцианатов все чаще используется как метод деактивации. В зависимости от химического состава полиуретановые краски разделяют на двухкомпонентные и однокомпонентные. Краски могут наноситься как в жидкой форме, так и в твердой. В жидкой форме такие смести наносятся как порошковые краски. Отверждение происходит при различных температурных условиях: обычная сушка – свыше 0 С, а горячая сушка – около 200 С.

Однокомпонентные системы

Отверждение атмосферным кислородом Систему «Уретановые масла» получают в результате реакции диизоцианатов (например, ТДИ или ИФДИ) с полиолами высыхающих или полувысыхающих масел. Структура «уретановых алкидов» аналогична структуре алкидных смол, в которых часть дикарбоновой кислоты заменена дииззоцианом. Уретановые масла и алкиды не содержат свободных изоцианатных групп. Сушка и образование пленки происходят в результате окислительного процесса, также, как и в алкидных смолах. Однако по сравнению с последними они сохнут быстрее, а образованные ими плёнки обладают более высокими механическими свойствами и большей устойчивостью к воздействию растворителей.

Отверждение атмосферной влагой.

Высокомолекулярные аддукты полиолов с избытком диизоцианата содержат реакционноспособные изоцианатные группы. Эти вещества используются для изготовления однокомпонентных полиуретановых красок, которые под действием атмосферной влаги структурируются с образованием кабамидных групп. При этом образуются лакокрасочные плёнки с хорошей устойчивостью к химическим и механическим воздействиям. В свободной продаже имеются как продукты, не содержащие растворитель, так и растворенные продукты, с содержанием изоцианата от 5 до 15% (в пересчете на сухую смолу). Продукты, содержащие свободные изоцианатные группы, реагируют с водой, поэтому содержащаяся в воздухе влага при попадании в пигментированные покрытия во время производственного процесса может негативно повлиять на сроки их хранения. Для предотвращения негативного эффекта, вызванного атмосферной влагой, применяются связывающие воду добавки.

Блокированные полиизоцианатные системы.

Изоцианатные группы полиизоцианатов можно «блокировать» фенолом, оксимом, метилэтилкетона или малоновым эфиром. При нагревании эти вещества легко распадаются или преобразуются в другие вещества. Смеси блокированных полиизоцианатов с полиолами или полиаминами стабильны. Поэтому с их помощью можно изготавливать однокомпонентные отделочные покрытия, отверждаемые в процессе горячей сушки, которые при длительном хранении не меняют своих свойств. В свободной продаже доступны также уретановые смолы, отверждаемые горячей сушкой, которые содержат оба реакционноспособных компонента. В зависимости от блокирующего агента температура сушки варьируется от 120 до 220 С, но в определенных случаях, при использовании катализаторов (например, дибутилоловодилаурата), ее можно снизить до 10-20 С. Образующиеся пленки имеют очень хорошую устойчивость к механическому воздействию. Это свойство имеет особую важность для автомобильных покрытий, защищающих автомобиль от воздействия камней, для высококачественных покрытий промышленного назначения, для электрических изоляторов, покрытий для рулонного проката. Продукты, не содержащие растворитель, в жидком виде используются как толстослойные системы, а в твердой форме – как порошковые покрытия.

Микрокапсулированные полиизоцианатные системы.

Некоторые порошковые диизоцианаты или полиизоцианаты могут быть деактивированы, если они диспергированы в жидкой среде, не содержащей растворителя, и капсулированного своя можно использовать в качестве добавок диамины и полиамины; для этого необходимо около 1% изоцианатных групп. Так как при обычных условиях микрокапсулированные полиизоцианаты не структурируются с реакционноспособными группами, то при комнатной температуре они образуют стабильные покрытия разрушаются в результате растворителя; при этом происходит отверждение. Такие системы (например, созданные на основе диметризованных ТДИ) обычно используются в качестве грунтовочного слоя в покрытиях для автомобильных кузовов.

Системы, высушиваемые физическим способом.

Эти системы основаны на линейных или слабо разветвленных полиуретанах, не содержащих реакционноспособных групп, растворимых в органических растворителях. В качестве исходных изоцианатов используются МДИ и ИФДИ. Благодаря своей большой молекулярной массе эти полиуретановые смолы образуют сильновязкие растворы с относительно низким содержанием сухого остатка. Такие краски очень быстро сохнут, они очень гибкие, эластичные и обладают хорошей устойчивостью к воздействию слабых растворителей. Важной областью применения таких смол являются покрытия для гибких подложек, таких как кожзаменители и магнитные ленты.

Водные системы

Водные дисперсии полиуретанов, имеющие слабую поддержку ионных групп, тоже подвергаются процессу физического образования пленок. Пленкообразующие вещества, состоящие из полимерных цепей, соединенных между собой через уретановые и карбомидные группы, содержат основные или кислотные группы. Нейтрализация солями обеспечивает необходимую гидрофильность в том случае, если «самоэмульгирующие» свойства, возникающие в результате встраивания гидрофильных радикалов полиэфира, самостоятельно с этим не справляются. Особое место занимают анионные дисперсии на основе ИФДИ, НМДИ и ГДИ. Они широко используются в покрытиях промышленного назначения в качестве грунтовок для стекловолокна, или в качестве покрытий для кожи и кожзаменителей. Химическое структурообразование достигается при помощи водорастворимых меламиновых смол. Температура сушки составляет примерно 140С.

Системы с полиизоцианатами и блокированными реагентами.

Для получения однокомпонентных стабильных при хранении систем, вместо того чтобы блокировать изоцианатные группы, последние можно комбинировать со скрытыми реагентами. После нанесения покрытия на подложку, процесс отверждения происходит не под воздействием высокой температуры, а под воздействием атмосферной влаги, которая заставляет скрытые реагенты активизироваться образовывать реакционноспособные гидроксильные группы и аминогруппы.

Двухкомпонентные системы

Полиизоцианатные и полигидроксильные системы.

Эти системы по своей важности превосходит все остальные; к ним относятся традиционные полиуретановые краски. До нанесения покрытия основные пленкообразующие вещества (полиизоцианаты и полигидроксильные соединения) должны храниться раздельно. В состав таких красок, помимо полиолов, может входить множество других гидроксилсодержащих веществ, например: алкидные и эпоксидные смолы, касторовое масло, нитрат целлюлозы (см. также раздел 2.9.1). Соотношение основного вещества (гидроксильный компонент) и отверждающего (полиизоцианаты) вещества обычно варьируется от 1:1 до 10:1. Смешивание обоих компонентов до образования однородного состава происходит непосредственно перед нанесением. В промышленных условиях смешивание производиться автоматически, при помощи оборудования, предназначенного для нанесения двухкомпонентных систем. Двухкомпонентные полиуретановые краски можно наносить всеми традиционными способами, кроме окунания. Отверждение происходит при температуре окружающей среды, но при необходимости процесс можно ускорить путем повышения температуры. Горячая сушка не требуется, следовательно, экономится электроэнергия. Когда реагенты смешиваются в стехиометрических пропорциях, то реакция между изоцианатами и гидроксильными группами приводит к 100%-ному структурообразованию. Оптимальные лакокрасочные пленки обычно образуются в тех случаях, когда соотношение NCO: OH равно 1. Однако в отдельных случаях возникает необходимость в ином соотношении, например, в случае неполного или избыточного структурообразования. При использовании алифатических полиизоцианатов, как правило, требуется катализатор. К пленкообразующему веществу обычно добавляют небольшое количество (0,05-0,5%) третичных аминов или металлосодержащих соединений. В качестве альтернативы пленки краски можно отверждать в атмосфере, содержащей амины. Для красок, содержащих растворитель, используется сложные эфиры, кетоны и простые эфиры полиуретанов (то есть в случае отсутствия реакционноспособных веществ и при минимальном содержании воды 0,05%). В качестве разбавителей можно использовать ароматические углеводы. Все большую популярность приобретают двухкомпонентные краски с высоким содержанием твердых веществ. В составе таких красок содержание летучих компонентов достигает 30-40% масс., что обусловливает низкие выбросы растворителей в окружающую среду. Двухкомпонентные системы, не содержащие растворитель, обычно изготавливаются на основе МДИ и его гомологов и нуждаются в жидких реагирующих компонентах. В отличие от красок, содержащих растворитель, для красок без растворителей с высоким сухим остатком требуется особый подход. В этом случае необходимо, чтобы пигменты были обезвожены от находящейся на их поверхности адсорбированной воды. Для этих целей используются водопоглащающие вещества – молекулярные сита, к которым относятся цеолиты. Изготовление водных двухкомпонентных полиуретановых красок происходит путем комбинирования гидроксилсодержащих полиакрилатных дисперсий и водоэмульсионных слабо реакционноспособных алифатических полиизоцианатов. Химическое отверждение таких двухкомпонентных систем инициируется влагой, в результате чего такие соединения разлагаются с образованием реакционноспособных аминогрупп.

Свойства и применение

Полиуретановые покрытия обладают тремя главными достоинствами: высокой устойчивостью к механическому воздействию, прекрасной химстойкостью, а также (в случае применения алифатических полиизоцианатов) прекрасной светостойкостью и амосферостойкостью. Системы красок, отверждаемые при температуре окружающей среды, обладают великолепными свойствами. Их можно комбинировать и создавать различные рецептуры самыми разными способами. Можно создать покрытие с оптимальными свойствами, предназначенное для эксплуатации даже в экстремальных условиях. Благодаря широкому спектру свойств полиуретановые краски успешно используются практически во всех областях. Практический диапазон применения – от покрытий для бумаги до защитных покрытий оборудования на промышленных предприятиях. Главные области применения: производство транспортных средств (большегрузные автомобили, железнодорожные составы, самолёты, автомобильные отделочные покрытия и восстанавливающие покрытия), строительство (покрытия для паркета, пола и потолков, а также покрытия для наружных работ), производство красок промышленного назначения (для оборудования, механизмов, мебели), а также покрытия для стальных конструкций и гидравлических стальных механизмов. Особое внимание место полиуретановые краски занимают в секторе обработки поверхностей пластмасс.