摘要：制备了一种弹性聚氨酯固化剂(EPU固化剂)，讨论了多元醇用量、氟树脂的品种和用量、配漆物质的量之比等对涂层性能的影响，与传统HDI三聚体和市售弹性聚氨酯固化剂固化的涂层相比，在耐候性、耐磨性、力学性能、水解稳定性以及与复合材料底材附着力等方面具有明显优势。对风电叶片用涂料的要求和EPU固化剂用于风电叶片保护涂料的可行性做了分析。

关键词：弹性聚氨酯固化剂；氟树脂；耐磨涂料；高耐候性；风电叶片

0·引言

自1937年德国Otto Bayer博士首次以将异氰酸酯合成出具有实用价值的工业化聚氨酯高分子化合物以来，聚氨酯树脂以其优异的化学性能和物理机械性能得到了广泛的应用，目前其产量已经成为仅次于醇酸涂料和酚醛涂料之后的第三大涂料产品［1-2］。其中，弹性聚氨酯涂料是比较特殊的一类，其原材料品种繁多，理化力学性能的可调节范围很大，最突出的特点是具有类似橡胶的高弹性、高强度、高耐磨、高抗裂和高抗冲性能。

随着高分子科学和合成技术的发展，对聚氨酯树脂的研究已达到了分子设计水平，可以根据需要进行结构设计，在保留聚氨酯树脂优异性能的同时，引入其他功能基团并赋予各种不同的性能，以满足不同的使用需要。氟树脂因具有优异综合性能，尤其是含羟基、可溶性氟树脂的出现，给氟树脂带来了巨大的应用空间，用氟树脂对聚氨酯树脂进行化学改性，可以兼具两种树脂的优点，弥补相互的不足，从而达到提升产品品质，拓宽聚氨酯树脂使用范围的目的。

本文以耐候性脂肪族共聚酯和羟基氟树脂为主要原料，与异佛尔酮二异氰酸酯(IPDI)反应，合成了一种高耐候耐磨弹性聚氨酯固化剂(EPU固化剂)，可以与高耐候性丙烯酸、聚酯、有机硅等羟基组分配合，制备出性能优异的涂料产品。

1·试验部分

1.1原材料

脂肪族共聚酯：自制；氟树脂：RF-101，阜新氟化学有限公司；三羟甲基丙烷(TMP)：工业品，瑞典；异佛尔酮二异氰酸酯(IPDI)：≥99.8%，工业品，德国拜耳公司；阻聚剂：自制。

羟基树脂：PE-6，自制，不挥发分70%，羟值=120mgKOH/g；钛白粉：R902，杜邦公司；催干剂：辛酸亚锡，AR；分散剂等其他助剂：常州恩科化工有限公司；丙二醇甲醚醋酸酯(PMA)：工业品，江苏华伦；醋酸丁酯：工业品。

1.2 EPU固化剂的制备

将计量的脂肪族共聚酯、TMP、RF-101和PMA、醋酸丁酯投入带温度计、搅拌器、回流冷凝器的反应设备中，开动搅拌，升至回流状态，回流脱水后降温至70℃以下，搅拌加入IPDI，保持搅拌0.5℃后，升温至90℃保温反应至NCO达到理论值，加入阻聚剂，搅拌0.5℃后，降温至60℃以下，过滤出料。

1.3涂料的制备

按配方在PE-6树脂中加入颜填料、助剂和混合溶剂，研磨至细度合格，加入其他助剂，调整不挥发分合格，过滤包装。

按n(—NCO)∶n(—OH)=1.2∶1配漆，采用喷涂法制备涂层，无特殊说明，涂层在常温24 h后进行性能测试。

1.4测试方法和设备

颜色外观：目测；干燥时间：按GB/T 1728—79(89)规定的方法进行；附着力：按GB/T 5210—2006规定的方法进行；剥离强度：按GB/T 2792—1998规定的方法进行；耐热性：按GB/T 1735—79(89)规定的方法进行；耐低温性：按QJ 990.5—86规定的方法进行；吹沙试验：按GJB 150.12—86规定的方法进行；断裂伸长率、抗拉强度：按GB/T 528—1998规定的方法进行，干膜厚度1.0±0.1 mm，裁成哑铃形试片，在XL-500拉力试验机上测试，速度为500mm/min；水解稳定性：按GB/T 1690—82进行，将试样条浸于100℃去离子水中，保持48 h后晾干，在XL-500拉力试验机上测试断裂伸长率和抗拉强度，测试结果与未经浸水处理的样品进行比较，以保持率来表征涂层的水解稳定性；硬度：按GB/T 531—1999规定的方法进行；耐磨性：按GB/T 1768—2006规定的方法进行，1000 g/1000r；天然曝晒：按GB/T 9276—1996规定的方法进行，评级按GB/T 1766—2008规定的进行；水接触角：CAD型接触角测量仪。

耐热性、耐低温性底材采用冷轧钢板，规格：120 mm×200 mm×2 mm；耐磨性底材在规定的铝板上进行；其余底材均为环氧玻璃钢板。

2·结果与讨论

2.1多元醇用量对涂层性能的影响

弹性聚氨酯的分子链一般有“软段”和“硬段”组成［3］，软硬比例以及原材料种类会直接影响弹性聚氨酯涂料的力学性能、表面性能和理化性能等。在合成弹性固化剂时，软段的原料主要是含端羟基的线性聚醚或/和聚酯，硬段的原料主要是二异氰酸酯和小分子多元醇，其中多元醇的用量对涂层的干性、力学性能、表面硬度、耐磨性等影响较大。本文考察了以三羟甲基丙烷为多元醇的用量对涂层性能的影响，结果见表1。

由表1结果可知，随着TMP用量的增加，涂层体系中硬度含量提高，一方面束缚了柔性大分子的自由旋转，另一方面由于分子间氢键作用加强，促进刚性链段的取向和有序排列，因此，提高了涂层的强度、耐磨性和表面硬度，但TMP用量太多，涂层脆性增加，断裂伸长率下降，会影响到耐磨性和附着力。综合考虑，多元醇用量确定为12%左右。

2.2氟树脂对涂层性能的影响

由于氟原子(F)具有最高的电负性(4.0)、较小的原子半径(0.135 nm)，F—C键是所有化学键中键能最高的(485.6KJ/mol，高于紫外线的能量)，氟碳涂层表面能低(23dyne/cm)，摩擦系数极小(对钢板滑动摩擦系数为0.15～0.17)，因此，含氟碳结构的涂料具有超长的耐候性、耐磨性、优异的耐化学品性和自洁净功能［4］。在成膜过程中，化学稳定的F—C键倾向于富集到涂层表面，起到了立体屏障作用，从而保护涂层免受紫外线、热和其他介质的侵害，低表面能使其具有更好的抗沾污性能和疏水性能。但是，低表面能的氟树脂通常与有机树脂的相容性较差，为此，我们通过试验，筛选了混容性相对较好、氟含量较高、黏度较低的瑞氟隆RF-101，通过用量试验，制备出了EPU固化剂，将其与传统六亚甲基二异氰酸酯(HDI)三聚体进行对比，结果见表2。

由表2对比结果可知，采用EPU固化剂的涂层在耐候性、力学性能、耐磨性、耐高低温性以及对复合材料的附着力等方面均优于传统HDI三聚体固化的涂层。在氟树脂加量研究过程中发现，氟树脂用量超过25%时，EPU固化剂与PE-6树脂的混容性下降，清漆涂层出现发雾现象，对涂层干性、附着力和力学性能影响较大。

2.3 n(—NCO)∶n(—OH)对涂层力学性能的影响

双组分聚氨酯涂料的制造技术之一是确定适当的n(—NCO)∶n(—OH)，按理论计算，设定n(—NCO)∶n(—OH)=1，即使一个—NCO基团与一个—OH基团一一对应，完全反应，得到的涂层质量最好。但实际情况要根据试验结果才能确定。图1为不同n(—NCO)∶n(—OH)对弹性聚氨酯涂料抗拉强度和断裂伸长率的影响。

由图1可知，如果n(—NCO)∶n(—OH)太小，—NCO基团不足以与—OH基团反应，漆膜的交联密度较低，涂层发软，抗拉强度和断裂伸长率不理想；但是，如果物质的量之比太高，则多余的—NCO基团会吸收空气中的潮气转化为脲，虽然可以增加交联密度，提高涂层强度，但是也会使涂层弹性降低，脆性增加，抗冲击性下降，涂层的表面状态不好，出现针孔。经过试验，确定该涂料体系的n(—NCO)∶n(—OH)以1.2为宜。

2.4涂层的水解稳定性

涂层的抗水解稳定性是加速检验涂层耐水性的重要方法之一，聚酯型弹性聚氨酯涂层由于体系中酯键的存在，其耐水性稍差，聚酯型与聚醚型弹性聚氨酯涂层相比，耐水性相差5～10倍［2］，但是耐候性方面聚酯型的优势明显。研究中与某市售弹性聚酯型聚氨酯固化剂的水解稳定性进行了对比，结果见图2。

图2结果可知，市售弹性固化剂水解稳定性较差，48 h耐沸水试验后，涂层的抗拉强度和断裂伸长率均下降为原来的30%左右，主要原因是水与树脂中的酯基发生了化学降解反应，降解形成的羧酸又会进一步促进树脂的水解；而EPU固化剂虽然也属于聚酯型聚氨酯，但由于采用了低酸度的原料，又加入了化学稳定性极高、疏水性极好的氟树脂进行改性，F—C键对酯键起到了屏蔽保护作用，因此，水解稳定性较好，抗拉强度和断裂伸长率保持率均为90%左右。

3 ·EPU固化剂用于风电叶片保护涂料的可行性

风电是一种清洁型、可再生能源，加强风能的开发利用已经成为全球能源界的共识［5］。在经济加速发展和环保要求越来越严格的大背景下，世界各国把开发风能作为可持续发展的重要举措之一，有可能成为未来最重要的替代能源，受到广泛关注，市场潜力巨大。随着2006年我国《可再生能源法》的实施，国内风电呈现“井喷”式增长。

风力发电站主要由变速箱、发电机组、塔基和变电站等组成，其中风机叶片是发电机组中最关键的部件，造价占风力发电整个装置成本的15%～20%。叶片材料根据叶片长度不同而选用不同的复合材料，目前普遍使用的是质量轻、机械性能好、成本较低的环氧玻璃钢叶片，但其耐候性、抗磨损性差，我国风电场大都设立在西北、华北、东北以及东南部沿海、岛屿等地区，气候条件恶劣，这就需要叶片涂料的涂装保护。

根据叶片工作的特点和使用环境，叶片涂料除了要具有普通涂层好的附着力、装饰性外，还要满足超强的耐候性、超强的耐磨性、较好的弹性、优异的耐高低温性、较低的表面能等要求。国内相关研究报道很少，与当前我国风能产业高速发展的态势极不协调。EPU固化剂固化的涂层与国内资料报道的产品［6-7］主要性能对比见表3。

4·结语

本文对TMP多元醇用量的筛选、氟树脂品种及用量试验和配漆物质的量之比试验，研制了一种弹性聚酯聚氨酯固化剂(EPU固化剂)，该固化剂与传统HDI三聚体和市售弹性聚氨酯固化剂固化的涂层相比，在耐候性、耐磨性、力学性能、水解稳定性以及与复合材料底材附着力等方面具有优势明显，可以与高性能羟基组分配合，制备出性能优异的涂料产品。

通过对风电叶片用材质、工作环境和特点分析，明确了叶片需要用涂料进行保护，并提出了叶片保护涂料的具体要求，对比结果表明，EPU固化剂可以用于风电叶片的保护涂料中。