聚氨酯涂料成膜过程中的固化交联机理

一、交联反应  聚氨酯涂料中，固化剂主要提供能够常温固化交联、成膜的物质基础。异氰酸酯基团和羟基基团的交联反应是主反应，促使漆膜逐步干燥。

二、与水的反应  除了上述主要的交联反应之外，木用聚氨酯涂料由于受施工环境、底材的影响还有可能发生其他的副反应，主要是异氰酸酯与水以及多酚的反应。

水分的来源有以下几种。

• 空气中的水分，特别是在潮湿天气下，其影响更为严重。
• 涂料中的水分，包括溶剂中含有的微量水分、生产过程中带人的水分。
• 底材中的水分 底材特别是木材本身都会有一定的游离水。
• 施工设备中带来的水分 例如喷涂所用的压缩空气中也会含有一定的水分。

异氰酸酯与水的反应分两步进行，第一步是水与NCO基团的反应，生成的中间产物是胺，第二步是生成的胺与NCO基团继续反应，并最终生成脲。由于胺与NCO的反应速率很快，所以起决定作用的是反应的第一步。

从它们的反应示意式中，可以得出如下结论。① 1mol水分子与2mol的异氰酸酯反应，考虑到两者分子量的差异，可以认为少量的水参与反应将会导致固化剂的较大损失。

②异氰酸酯与水反应，最终生成脲，同时产生二氧化碳气体。如果生成的二氧化碳不能及时从漆膜中逸出，会导致针孔、暗泡、气泡等漆膜弊病。对于聚氨酯涂料而言，良好的消泡、脱泡能力是非常重要的，特别是在湿度高的环境下施工更要注意水分的不良影响。

三、其他副反应  对于木用涂料而言，底材中还会含有酚类物质，木材的处理过程中也有可能会带入其他活性物质，都会与聚氨酯固化剂中的异氰酸酯基团反应，消耗有效的NCO基团，对漆膜的效果产生不利的影响，主要是附着力、透明度、抗开裂性以及黄变等。

四、交联反应特点  与加成物固化剂的合成相比，成膜过程中的交联反应具有如下的特点:

① 交联反应发生的温度较低，都是在常温或低温烘烤下进行(<50℃);

② 交联反应进行时，溶剂含量逐渐降低，漆膜的固含量越来越高;

③ 交联反应与外部环境接触多，受外界的影响大，例如湿度、温度等;

④ 交联反应发生时，分子量提高非常迅速。

以上特点决定聚氨酯漆膜中羟基组分和异氰酸酯组分的反应是不完全的，漆膜中既有残留的羟基，同时残留的NCO基团也会存在很长一段时间，据红外光谱的跟踪检测，即使在干燥 30 天后，漆膜中残留的 NCO 基团仍然显示较强的吸收峰。

五、漆膜干燥固化过程  聚氨酯漆膜的固化大致可以分为三个阶段，第一阶段是伴随大量溶剂的挥发，部分异氰酸酯基团与羟基树脂的交联，即表干阶段，通常15~60min;第二阶段以异氰酸酯基团和羟基树脂的交联为主，伴随部分溶剂的挥发，即实干阶段，通常4~48h;第三阶段是漆膜的充分固化交联阶段，漆膜达到完全干燥并表现出最佳性能。这一阶段持续的时间比较长，通常需要3个月以上时间。第一阶段以溶剂挥发为主，第二阶段以液相-液相交联反应向液相-固相、固相-固相交联反应的转变为主，第三阶段以固相-固相的交联反应为主。由于受分子运动的影响，固相-固相反应进行得很缓慢。为使漆膜达到最佳的交联密度，漆膜的表干时间不宜太快，否则交联密度降低，影响性能。因此，在设定一个固化剂的配方时，必须考虑以下因素。

•  施工环境的温度、湿度。
•  溶剂体系对漆膜固化的影响。
•  加成物和三聚体固化特点的差异。

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