为正确的应用选择正确的金属涂层

通过Alan Cain, Chemline, Inc.小组组长/研究化学家

金属使各种各样的产品成为可能，例如工业生产设备、汽车、飞机或消费电子产品。然而，金属所受的腐蚀是一个问题。预防措施，如正确的涂层，可以延缓或消除腐蚀。

全球每年的腐蚀成本相当于全球国内生产总值的3%到4%，或超过3万亿美元。历史上，在非关键行业，腐蚀被视为一个维修和维护问题。然而，最近的预防措施显著降低了腐蚀成本。这些措施包括适当的材料选择，仔细的部件设计和腐蚀控制。

活跃的腐蚀控制涉及使用牺牲材料(通常是锌)参与腐蚀反应，而不是金属基板。被动的保护涉及阻止腐蚀性试剂和水到达金属基板表面的屏障材料的应用。这些涂层和薄膜通常还提供额外的保护，防止冲击、磨损和其他机械损伤。

由于金属的使用非常广泛，金属种类的范围也很广，因此对性能的期望差别很大，可接受的成本/结余比率也是如此。不同的涂装工艺满足不同的要求;为应用选择最佳的涂层技术是具有挑战性的。这里有一些指导方针。

传统技术:环氧树脂
防护性能公认的涂料技术主要有两类:环氧树脂和聚氨酯类型的系统，其中包括聚氨酯、聚氨酯和这两种化学物质的混合。

环氧树脂被广泛用于工厂应用的金属防腐涂层，因为它们对金属具有良好的附着力，并具有高的耐湿性、耐化学腐蚀性和耐冲击性。它们继续被广泛用作多涂层系统的底漆(有时是富锌底漆)，包括那些具有不同表面涂层化学成分的系统(用于轻型应用的丙烯酸，环氧树脂，硅酮，聚氨酯和用于中型到重型应用的聚氨酯)。目前使用的大多数环氧涂料都是高固体或100%固体配方，符合挥发性有机化合物(VOCs)排放的严格环境法规。

然而，环氧涂料的局限性推动了对替代腐蚀控制技术的兴趣。特别是，环氧涂料不是很灵活，在涉及基材移动、高磨损或严重冲击的应用中可能会开裂。它们在低温下也表现不好(变脆)，并且随着时间的推移在外部应用中由于暴露在紫外线辐射下降解而变黄。

由于这些原因，聚氨酯和衍生物涂层技术越来越多地用于OEM金属应用的腐蚀控制涂层，因为它们具有更大的灵活性，结合高附着力和高耐潮湿、化学攻击和冲击。

聚氨酯和聚氨酯的化学
异氰酸酯被用于合成聚氨酯和聚脲树脂。聚氨酯是二异氰酸酯(或多异氰酸酯)与多元醇反应生成的，而聚氨酯是与胺反应生成的。在杂化体系中，异氰酸酯与胺和多元醇的混合物反应。对于许多聚氨酯(除了湿固化体系，例如)，需要催化剂来确保异氰酸酯和多元醇组分的快速反应。另一方面，异氰酸酯与胺反应迅速，因此聚氨酯的形成不需要催化剂。

各种异氰酸酯、多元醇和胺类反应物可用于合成聚氨酯、聚氨酯和杂化聚氨酯。异氰酸酯可以是脂肪族或芳香族。芳香化合物(如二苯基甲烷二异氰酸酯(MDI)和甲苯二异氰酸酯(TDI))含有能吸收紫外线辐射的键，这导致它们的分解和涂层的不希望的黄变。因此，脂肪族异氰酸酯(如六亚甲基二异氰酸酯(HDI)和异氟尔酮二异氰酸酯(IPDI))不具有这些键，通常被用于合成用于外部涂料配方的聚氨酯/聚脲粘合剂。

聚醚、聚酯和聚碳酸酯是聚氨酯和混合聚合物生产中最广泛使用的多元醇类型。在某些情况下，多元醇包含不止一种类型的键。特殊的多元醇，如聚己内酯，在某些应用中是首选的。多元醇链的长度对涂层的硬度(短)和柔韧性(长)有显著影响，而多元醇的类型则影响化学和防潮性等性能。

用于制备纯聚氨酯和杂化物的二胺通常是多胺。通常使用两种不同的类型:端胺聚合物树脂，通常是聚热胺，和端胺扩链剂，通常是纯多胺。伯胺和仲胺都可以使用，仲胺反应较慢。杂化物可以通过异氰酸酯与多元醇和二胺的物理混合物反应形成，或者通过在多胺(通常是扩链剂)中加入羟基形成。

聚氨酯
传统的溶剂型、双组分(2K)涂料体系中，聚氨酯也可作为1K水性PU分散体、2K水性体系和高固体和100%固体2K配方。最初的水基系统表现不如溶剂型系统，也存在应用问题。然而，聚氨酯技术的进步已经导致了许多聚氨酯分散体的发展，它们的应用性能接近于溶剂型体系。100%固体体系最初也存在应用困难，但应用技术和设备的进步再次克服了这些挑战。

PU膜形成过程中发生的交联赋予这些涂层特定的性能。它们表现出优异的光泽和保色性(对于色素配方;透明的表面涂层也是可能的)，结合良好的耐化学和防潮性，甚至是薄膜构建，这是至关重要的应用程序的重量是一个问题(如汽车和航空航天工业)。脂肪族PUs也抵抗紫外线的外部应用。聚氨酯涂料的力学性能包括高冲击性、耐磨性和耐划伤性。

因为聚氨酯由两种不同的成分组成——多异氰酸酯和多元醇部分——它们的性能可以通过选择不同的异氰酸酯和多元醇组成部分来调节。因此，有可能实现从非常灵活(弹性)到非常刚性的PU涂层。此外，PU涂料可以与独特的灵活性/伸长率和线束相结合，这是环氧丙烯酸体系无法实现的。它们对不同的基材(包括金属)也有很好的粘附性。因此，一条产品线通常可以用于多种应用，这可以降低库存的持有成本。此外，对于轻型到中型的应用，聚氨酯可以作为单一的、直接对金属的涂层，不需要底漆，这也降低了材料和人工成本。

聚氨酯涂料固化相当快，即使在较低的温度下，但大多数都需要催化剂。唯一的例外是湿气固化系统，在这种系统中，空气中的水充当催化剂。这些系统适合在潮湿的条件下使用。另一方面，由于需要催化剂，大多数100%固体PU涂料比其他技术(包括环氧树脂、聚氨酯和PU/聚脲混合涂料)对水分更敏感(容易起泡)。溶剂型PU涂层通常使用传统的无气喷雾器作为薄膜(< 5 mil干膜厚度)，而100%固体系统可以应用在较厚的薄膜构建(> 20 mil干膜厚度)，但需要使用多组分喷雾技术，在喷涂前自动混合树脂和催化剂组分。操作这种复杂的设备需要训练有素/有执照的应用程序。

聚氨酯涂料的OEM应用覆盖了广泛的行业。工厂应用的溶剂型体系(包括高固体配方)广泛应用于家具、橱柜和地板行业。聚氨酯涂料在一定程度上也用于汽车工业的车身底、内部和外部(底漆、基础漆、面漆)应用，以及卡车床衬垫(工厂应用和售后市场)。所有类型的PU涂料发现在一般工业金属，重型设备和塑料底漆，面漆和透明涂层应用中使用。直接接触金属的刚性PU系统用于OEM管道涂层和钢储罐应用，而弹性系统作为泡沫硬涂层应用于建筑装饰的防水和耐久性，主题娱乐应用，偶尔建筑面板。

聚脲弹性体
聚脲涂料是100%固体，零voc配方，固化迅速(只需30秒)，不需要催化剂或加热，即使在低温(零下20℃)。由于尿素连接的性质，它们对水分不敏感;即使在有液态水存在的情况下，聚氨酯应用在基材上也不会起泡。与聚氨酯一样，聚脲膜中交联网络的形成赋予了优异的机械性能，但聚氨酯中改进的硬块/软块分割导致硬度/刚度、撕裂和耐磨、耐候、热冲击和冲击性能增强。尿素连接还有助于增强耐化学和耐水性。异氰酸酯和端胺多元醇段的组合提供了具有吸引力的灵活性和硬度的组合。

与聚氨酯不同，聚氨酯可以应用于非常高的薄膜构建。因此，它们不仅可以作为保护涂层层，而且还有助于基材的结构完整性。它们附着在一系列基材上，包括混凝土、金属、木材、复合材料、泡沫等。

然而，使用聚氨酯也存在一些挑战。最初引入时，聚氨酯经常存在基材润湿、涂层间粘附和表面缺陷等问题。原材料和应用设备的发展帮助克服了这些缺点。即便如此，适当的混合对于最佳的薄膜形成和附着力是至关重要的。与100%固体pu一样，聚氨酯的应用需要高压、多组分喷雾器，需要对喷雾器进行培训，以确保操作人员了解如何确定最佳的混合和喷雾条件。聚脲弹性体通常不适合需要薄涂层(< 5 mil)的应用。

一般来说，聚脲涂料是快速固化应用的首选面漆(周转时间快)，涂层基板将暴露在极端条件下，外观不是关键问题。此外，它们还用于较薄的面漆(PU或其他)可能被损坏的应用，导致潜在的腐蚀和降解问题。在延伸率和抗冲击性很重要的应用中，聚氨酯也经常被选择来取代环氧树脂，因为环氧树脂在这种情况下经常开裂和分层。例子包括OEM防水应用和铁路和驳船涂料。一般情况下，聚氨酯由于对水分和温度不敏感，在现场经常使用。现场应用包括屋顶、管道和油罐涂层、卡车床衬垫、大型油罐衬垫(货船线、散装运输货车)、停车场甲板、桥梁和海上保护。

聚天冬氨酸酯聚脲涂料是一种基于异氰酸酯与脂肪族聚天冬氨酸酯(脂肪族二胺)反应的新技术。这些涂料通常比聚氨酯固化更慢，可以应用在更薄的薄膜建筑。和聚氨酯一样，它们是用传统的无空气喷雾器喷洒的。因此，它们通常用于可以使用pu的相同应用程序中。

混血儿，两者兼得
氨基和端羟基多元醇的混合物的使用创造了更多的机会来微调杂化涂料的性能。通过选择不同的异氰酸酯、聚氰胺和多元醇，不仅可以调整涂层的外观、硬度/柔韧性和机械性能，还可以调整其反应性。通过控制固化时间，可以形成光滑到有纹理的薄膜，具有所需的表面外观，并结合聚氨酯的更高性能。

混合剂通常是100%固体配方，可快速固化(需要催化剂)，并可应用于高膜构建。它们有良好的伸长率和柔韧性，并具有优异的耐化学和溶剂性，耐磨损和冲击。和聚氨酯一样，它们可以在低温下使用。然而，与聚氨酯相比，混合涂料的应用不那么复杂(更容易撞击混合)，尽管仍然需要多组分喷涂设备和涂抹者培训。

聚氨酯/聚脲混合涂料的可定制性使其应用于聚氨酯的高性能和有吸引力的饰面都是需要的各种应用。因此，它们通常比聚氨酯更受青睐，因为混合涂料可以满足这些要求，仍然提供快速周转时间，而且比纯聚脲涂料成本更低。最常见的OEM应用是腐蚀控制和防水应用，不需要高性能的聚氨酯，混合动力在性价比的基础上提供更有吸引力的解决方案。在某些情况下，混合材料是首选，因为它们提供了一组独特的性能，这是纯PU或聚脲体系无法实现的。混合材料还可用于混凝土和土工布的二次围堵应用。

做出正确的选择
有聚氨酯，聚脲和PU/聚脲混合涂层技术可用于几乎每一个OEM涂料应用。这些化学品提供了一系列适用于不同应用条件和性能需求的性能。在为特定的应用选择保护涂层时要考虑的因素包括:基材类型、应用技术、涂层必须执行的条件、固化时间、所需的薄膜厚度和性能要求(附着力、外观、机械和阻力性能)。

在选择涂层技术时，成本显然也是一个关键因素。聚氨酯涂料是最便宜的，聚氨酯涂料是最贵的，混合涂料介于两者之间。聚氨酯通常被认为是成本和性能之间的最佳折衷方案。另一方面，与聚氨酯相比，混合型聚氨酯的优势达到了聚氨酯的80%，而额外成本约为聚氨酯的50%。

薄膜聚氨酯适用于要求性能和高质量表面处理的应用。在要求较低的应用中，它们可以作为单层涂层(例如，直接到金属)，但当涂层基板必须保护免受更极端的条件时，通常用作面漆。

聚氨酯可以在极端温度和高湿度等恶劣条件下喷涂，通常用于室外或现场应用。聚氨酯和混合材料需要催化剂才能固化，不适合在这里使用。较便宜的混合材料更适合OEM应用，其中不需要聚氨酯的高性能固化性能，但需要类似的应用膜性能。

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