1 国内外同类产品分析

无溶剂聚氨酯防腐涂层技术70年代在北美开发成功，目前已经成为北美广泛采用防腐涂层技术之一，在世界各地已经有三十多年来的成功应用史。它的喷涂技术先进，质量稳定，涂层固化快，效率高，可广泛应用于钢材、铸铁、水泥等多种基体的防腐蚀。

加拿大Madison化学公司是具有代表性的无溶剂聚氨酯防腐涂料供应方，始建于1973年，是世界上较大的聚氨酯涂料生产厂家，该公司的无溶剂聚氨酯防腐涂层技术在世界上处于领先地位，在北美被广泛用于地下燃料储罐、饮用水和工业污水系统、油气工业系统、港口码头设施、电力工业设施等的防腐。

无溶剂聚氨酯涂装工艺流程图

无溶剂聚氨酯防腐涂料早已国产化生产和应用。关西、佐敦、以及国内绝大部分工业防腐涂料生产企业均有无溶剂聚氨酯防腐涂料产品。

虽然无溶剂聚氨酯防腐涂料得以广泛应用，其实有三个根本问题未得解决。

问题1：高粘度限制了应用场景

常规无溶剂聚氨酯涂料需要使用高压大流量设备进行作业，设备同时有供电和供气要求，存在能耗需求。AB组份需要实时加热，温度一般控制在50-90℃左右。喷涂前需要较长时间准备工作，需要对涂料进行较长时间预热。于是，无溶剂聚氨酯防腐涂料无法应用在大批量、小体积的工件防腐场合，一般适用于较大型工件，且对施工场地有较高要求。

问题2：高粘度、专用设备造成了耗材大量过剩

无溶剂聚氨酯防腐涂料即使加热进行喷涂，由于其极高的表面张力，喷涂漆雾雾化效果差，雾化颗粒远大于常规涂料，于是基材喷涂之后具有很高的涂装厚度，典型厚度通常大于1000um，在这个厚度下，所标定的防腐性能完全是依靠涂层厚度产生了屏蔽，实际材料用量已经过剩。

问题3：高粘度、高表面张力造成低润湿、低附着力和差耐扩蚀能力

涂料表面张力越高，润湿性越差，附着力越差。油漆使用稀释剂开稀的目的除了施工便利性目的，更是为了降低表面张力来提高润湿和附着力。虽然报道称无溶剂聚氨酯防腐涂料具有非常好的金属附着力，实际是因为聚氨酯涂层高厚度、大强度造成的难以剥离，实际附着力远低于常规油漆。不仅如此，由于低润湿性，金属基材和无溶剂聚氨酯的结合密度并不高，于是虽然得益于厚度而获得了高盐雾特性，在划线盐雾和人造漏涂场合，盐雾很容易从涂层破坏部位扩蚀入基材和涂层之间，实际盐雾已经失败。

无溶剂聚氨酯短周期盐雾失效照片

无溶剂聚氨酯，未降粘。金属上初期附着力2.5mpa，中性盐雾240小时后，从破坏处形成快速扩蚀，导致测试失败。无溶剂聚氨酯的确是优秀的环保防腐解决方案，但真正将它的性能发挥，提高市场应用客户群体的核心关键就在于降粘。

无溶剂聚氨酯主要指标比较表

2 全固体份聚氨酯刚性胶化体技术机理

聚氨酯涂料是较常见的一类涂料，多用为面漆。一般都具有良好的机械性能、较高的硬度，较高的光泽度和耐候性。主要应用方向有木器涂料、汽车修补涂料、防腐涂料、地坪漆、电子涂料、特种涂料、聚氨酯防水涂料等。缺点是施工工序复杂，对施工环境要求很高，漆膜容易产生弊病。

双组分聚氨酯涂料一般是由异氰酸酯预聚物(也叫低分子氨基甲酸酯聚合物)和含羟基树脂两部分组成，通常称为固化剂B组分和主漆A组分。聚氨酯涂料的固化机理基于典型的多元醇与异氰酸酯的反应，异氰酸酯端封的加成物或预聚物与多羟基化合物反应，使用前将主漆A组份和固化剂B组份按一定比例混合，可室温固化成膜，也可高温下烘烤干燥成膜。

RNCO + R’OH → RNHCOOR’

异氰酸酯和羟基的摩尔比，一般称异氰酸酯指数，R值。

R>1，特别当R>2时，体系中含有未反应的游离异氰酸酯，此时称之为半预聚体或改性异氰酸酯；R<1时，端OH封端的预聚体，可用作聚氨酯弹性体生胶。R越接近1，越趋势于生成大分子量的高聚物。

团队设计使用R=1的异氰酸酯指数作为产品基础，此时聚氨酯具有高聚趋势，易获得较高的交联密度，以及涂料防腐性能。在此基础上，提高异氰酸酯B组份的含量，使R>1，设计使用一种丙烯酸树脂材料A2参与反应，消耗增加的异氰酸酯含量，使异氰酸酯指数依旧接近1，聚氨酯仍表现出高聚特性，而新加入的丙烯酸树脂则为涂料带来了其他特性。

于是，无溶剂聚氨酯的体系粘度大幅下降，施工性得以大幅增强。由于嵌入的树脂A2也参与固化剂反应，使得整个涂料体系的交联密度在原有基础上更进一步。最终产品的防腐性能、附着力、固化速度都较无溶剂聚氨酯有极大幅度的提高。

降粘过程：

A1（>4000Pas）+A2（>1500Pas）=A（<500Pas）

A（<500Pas）+B（>800Pas）=胶化体（混合初期粘度<500Pas）

通常，微观上，基材表面并不是光滑的表面而是均匀粗糙的颗粒表面。涂料未必可以完全渗透入颗粒缝隙形成面连接，而是与微观点或局部面进行连接。连接点的数量和连接点键合力是影响涂料附着力，进而影响涂料防腐性能的重要因素。

全固体份聚氨酯刚性胶化体降粘后具备更低的表面张力，意味着更好的润湿性，以获得更多的表面连接；全固体份聚氨酯刚性胶化体改性后具备大量强极性官能团，使得连接点的共价键力和范德华力有效增强，从而具备更好的附着力和防腐能力。

3 全固体份聚氨酯刚性胶化体关键技术

研究内容1：聚氨酯无溶剂降粘研究

目前降粘完全依赖溶剂，但溶剂会带入voc而不环保。在不带入溶剂的情况下，使用树脂互溶的特性，使多树脂互相镶嵌，既保证了环保型，又获得了低粘度树脂。低粘度意味着低表面张力，以及一系列附着力、防腐能力等性能上的增益。

研究内容2：聚氨酯交联密度提高研究

交联密度直接是影响涂料应用指标的核心参数。高交联密度的涂料意味着高附着力、高硬度、高耐磨、高防腐等系列特征。交联密度和异氰酸酯质素有关。在设计上，使异氰酸指数R>1，使聚氨酯交联反应时趋向于生成较大的分子结构。材料选用上，选择高羟基含量的原材料，以期生成更多的 RNHCOOR，即交联的聚氨酯结构。

关键技术1：羟基丙烯酸多树脂镶嵌

无溶剂状态下，羟基丙烯酸具有非常高的粘度，无法适用于涂装作业。在改性羟基丙烯酸A1的基础上，加入一种小分子量类丙烯酸树脂A2。该树脂独立于改性羟基丙烯酸A1而稳定存在，并不与羟基丙烯酸反应。A2由于是一种小分子树脂，具有较高的表面能，其很容易填充入A1的分子间隙，充当润滑作用，从而起到降粘作用。由于A2具有多官能团参与成膜反应，使本产品具有超高的交联密度，从而具有非常好的防腐特性。

关键技术2：羟基丙烯酸改性

羟基丙烯酸是指全固体份聚氨酯刚性胶化体的A1组份，是主漆部分。聚氨酯涂料主要用于面漆，不具备较好的防腐性能，于是需要对A1组份树脂进行改性。在树脂合成阶段，加入少量三官能度或更高官能度的化合物形成轻度交联，这种轻度交联有利于提高A1组份的分子量而不影响其与B组份的反应。

关键技术3：异氰酸酯固化剂配方技术

异氰酸酯固化剂B与改性羟基丙烯酸A1反应成聚氨酯。由于引入了小分子量类丙烯酸树脂A2，需要对异氰酸酯固化剂进行改性。改性后的固化剂B可以充分消耗游离的A2。

4 全固体份聚氨酯刚性胶化体产品优势

全固体份聚氨酯刚性胶化体的产品特点如下：

l 是一种无溶剂树脂涂料；

l 100%固体份含量，有效成分含量更高；

l 快速干燥，漆膜2小时达到发货强度；

l 高交联度，漆膜理化性能优异；

l 单次涂装成膜厚度>160um；

l 单道涂层达到以往数道涂层的防腐效果；

l 施工周期极大幅度缩短；

l 不含voc，无环保问题；

l 大幅降本。

以石油化工钢结构防腐作为典型应用场景作方案比较。腐蚀环境为C5（高腐蚀、易生锈）。对比方案为常规防腐方案和全固体份聚氨酯刚性胶化体。

工艺流程比较：

涂装方案成本比较表

在中度、重度防腐应用场景下，全固体份聚氨酯刚性胶化体具有绝对的应用优势。传统涂层如果自干固化，生产周期在4天以上，并通过10~15天涂层完成干燥而具有性能；传统涂层如果使用烘烤固化，则可将生产周期控制在2天以内，但需要承担大量的能耗成本。

5 全固体份聚氨酯刚性胶化体技术指标

全固体份聚氨酯刚性胶化体由于具备低粘度特征，其附着力和盐雾两项关键指标得以大幅增强。一般的无溶剂聚氨酯由于高粘度润湿性差，拉拔附着力通常不超过1mpa，而无溶剂聚氨酯通常不测试划线盐雾，其所贯标的高防腐只基于正面腐蚀穿透的防护，在破损部位的扩蚀防腐能力从不测试。而防扩蚀能力是重防腐的重要评价指标。

划线盐雾1000小时状态（单边扩蚀<2mm）

附着力测试（拉拔9mpa）