技术领域
[0001] 本
发明涉及
汽车等产品
涂装用水性聚氨酯涂料技术领域，具体为一种低温快干水性聚氨酯涂料、制备方法及设备。
背景技术
[0002] 聚氨酯涂料是1960年以后发展起来的新型涂料,具有优良的附着
力、耐化学品、装饰性及有优良的
耐磨性能，是一种高档耐用的
合成树脂涂料，聚氨酯涂料超过硝基漆、
丙烯酸树脂漆、环
氧树脂漆、油脂漆、天然树脂漆,成为第三大涂料品种，产量仅次于
醇酸树脂漆、
酚醛树脂漆，广泛用于国防、航天、交通工具、家电、木器家具、仪器仪表、室内装饰等的保护和装饰；水性聚氨酯是以水代替
有机溶剂作为分散介质的新型聚氨酯体系，也称水分散聚氨酯、水系聚氨酯或水基聚氨酯。水性聚氨酯以水为溶剂，无污染、安全可靠、机械性能优良、相容性好、易于改性等优点；水性聚氨酯树脂是将聚氨酯分散在水中形成的均匀乳液，具有不燃、气味小、不污染环境节能、操作加工方便等优点，广泛用作黏合剂和涂料，与溶剂型聚氨酯黏合剂相比，水性聚氨酯具有以下特点，大多数水性聚氨酯树脂中不含
反应性NCO基团，因而树脂主要靠分子内极性基团产生内聚力和黏附力进行
固化，水性聚氨酯中的羧基、羟基等在适宜条件下可参与反应，使黏合剂产生交联，水性聚氨酯树脂可与多种水性树脂混合，以改进性能或降低成本，水性聚氨酯树脂实际应用最多的是聚氨酯乳液及分散液。
[0003]
现有技术中，提高涂层的固化
温度，能
加速溶剂的挥发速度以及加速涂层的固化反应速度，但是固化温度过高，在汽车修补时，不仅会破坏汽车内部的塑料部件，而且不能满足汽车修补涂料低温快干的要求，因此，一般
烘烤温度不超过80℃；但是这个温度对现场
喷涂仍有较高的要求，同时因为固化速度慢(一般为40-60分钟)能耗也较高。所以，还需要开发低温下可快速固化的涂料品种，才能满足产业需求，特别是汽车外表油漆层进行小面积、多处灵活修补的需要。
[0004] 目前在工业生产中普遍采用的是热
风干燥和红外加热干燥，为了克服单一加热方式的某些不利因素，可以把几种加热方式组合起来，以达到强化干燥、提高干燥效率及降低能耗的目的。但是，在提高干燥速度的同时，必须考虑其他因素如能耗、生产率、涂膜性能等。王
锡春认为采用UV固化和热固化并用的双固化罩光涂料，不仅可实现低温烘干，而且在施工工艺、涂膜性能、经济和环保等方面都有突出的优势。
[0005] 开发低温快固化涂料和新的低温涂装工艺及设备，是提高汽车修补效率、节约
能源的有效途径。但在开发过程中，还需注意一些问题:①加强涂膜干燥
基础理论的研究，深入了解
聚合物涂膜干燥的机理，总结影响涂膜干燥速度的规律，进而指导快干涂料及快干设备的开发；②涂膜干燥速度过快，势必会给涂膜性能(
流平性、外观等)造成影响，研究涂膜的干燥速度与涂膜性能之间的规律，兼顾涂料的干燥速度、适用期和涂膜性能，是开发快干涂料必须重视的问题。
[0006] 目前对于低温快固化涂料的研究主要基于各种新型原料的使用，但这些原料成本较高，使产品的推广面临困难。采用特殊聚合方法获得分子结构确定、相对分子
质量均一的丙烯酸树脂聚合物，不仅可以获得优异的漆膜性能、较快的干燥速度，且不会增加成本，是非常值得关注的工作。
[0007] 目前的水性聚氨酯涂料配方、工艺及设备，存在均不支持低温快干，而且对反应的环境不能精确的控制，导致反应的效率低下、产品质量不稳定，不能投入工业化的生产等问题。
发明内容
[0008] (一)解决的技术问题
[0009] 针对现有技术的不足，本发明提供一种低温快干水性聚氨酯涂料、制备方法及设备，同步改进配方、工艺和设备，以解决上述问题。
[0010] (二)技术方案
[0011] 为实现上述目的，本发明提供如下技术方案：
[0012] 一种低温快干水性聚氨酯涂料，其特征在于，其由如下重量份比例的组分制成：水性金属闪光粉20～30，水性聚氨酯40～50，羧甲基
醋酸丁酸
纤维素3～5，二羟甲基丙酸3～5，防水
增稠剂5～8，
无机填料30～50份，抗闪锈剂1～3份，分散剂3～8份，消泡剂1～3份，无机颜料0.01～0.05，pH值调节剂2～4，去离子水15～20。
[0013] 所述的水性聚氨酯是由低聚物多元醇和异氰酸酯类化合物按照1:1的质量比制成的聚合物；所述的防水增稠剂是由高分子聚丙烯酸酯、甲基丙烯酸共聚而成的交联型乳液增稠剂；所述无机填料为
钛白粉或珠光粉。
[0014] 一种前述低温快干水性聚氨酯涂料的制备方法，其特征在于：包括以下步骤：
[0015] S1：将低聚物多元醇和异氰酸酯类化合物按照1:1的质量比初步混合，注入反应容器中；
[0016] S2：反应容器中的低聚物多元醇和异氰酸酯类化合物的初步混合物形成中分子量的聚氨酯预聚体，然后向反应容器中注入混合物两倍重量的去离子水，并快速搅拌，令低聚物多元醇和异氰酸酯类化合物在剪切力作用下在水中分散；
[0017] S3：将溶解于去离子水中的低聚物多元醇和异氰酸酯类化合物快速搅拌十分钟至二十分钟，成为悬浮液状态，然后向悬浮液中注入二羟甲基丙酸；
[0018] S4：通过反应容器对低聚物多元醇和异氰酸酯类化合物的水溶液进行加热，加热温度至70-80摄氏度中反应三小时，在加热过程中持续搅拌，并且逐步降低搅拌的转速，此时低聚物多元醇和异氰酸酯类化合物的水溶液逐渐由悬浮液状态转入乳胶状态；
[0019] S5：继续搅拌十分钟，对预聚物进行亲水改性，在聚氨酯分子链上引入离子基团，使其实现自乳化，得到贮存稳定、性能良好的水性聚氨酯；
[0020] S6：在持续搅拌中，依次加入水性金属闪光粉、羧甲基醋酸丁酸
纤维素、防水增稠、无机填料、抗闪锈剂、无机颜料、分散剂、消泡剂、pH值调节剂和适量的去离子水，继续搅拌二十至三十分钟；
[0021] S7：停止对反应容器加热，使其中盛装的水性聚氨酯涂料冷却至室温，然后通过
阀门排放至成品盛装容器，制得低温快干水性聚氨酯涂料。
[0022] 一种前述低温快干水性聚氨酯涂料的制备设备，其包括
机架、反应釜和穹拱顶盖，所述机架为矩形
框架，所述机架底端的边侧垂直固定有四根电动
推杆，所述
转轴的中部固定所述反应釜的边侧，所述反应釜外壁的边侧固定安装有电加热圈，所述机架的顶端垂直连接有四根固定杆，四根所述固定杆的底端连接所述穹拱顶盖的边侧，所述穹拱顶盖位于所述反应釜开口的正上方，所述穹拱顶
盖顶面的中部垂直固定有搅拌
电机，所述搅拌电机的
转子轴固定连接有搅拌轴，所述搅拌轴贯穿所述穹拱顶盖至所述反应釜的内腔，所述搅拌轴的顶端固定串接有第一
齿轮，所述搅拌轴的底端串接固定有第一桨叶，所述搅拌轴的中部通过
轴承转动嵌合有管形轴，所述管形轴底端的边侧固定连接有第二桨叶，所述管形轴的顶端固定安装有第二齿轮，所述穹拱顶盖的内壁固定安装有
支架，所述支架通过轴承转动连接有中间齿轮组，所述中间齿轮组分别
啮合所述第一齿轮和所述第二齿轮。
[0023] 作为本发明的一种优选技术方案，所述穹拱顶盖顶端的边侧固定安装有加注容器，所述加注容器的底端均连通有定量加注阀，四个定量加注阀的底端均贯穿所述穹拱顶盖至所述反应釜的内腔。
[0024] 作为本发明的一种优选技术方案，所述反应釜的
侧壁均匀分布有四个温度检测器，其中两个所述温度检测器延伸至所述反应釜的内腔。
[0025] 作为本发明的一种优选技术方案，所述机架的一侧固定安装有控制箱，所述控制箱中固定安装有控制单元、电机
驱动器和继电器，四个所述温度检测器均电性连接所述控制单元的输入端，所述控制单元的输出端电性连接所述电机驱动器和继电器的控制端，所述电机驱动器的输出端电性连接所述搅拌电机，所述继电器电性连接所述电加热圈和四根所述电动推杆。
[0026] 作为本发明的一种优选技术方案，所述反应釜和所述穹拱顶盖的对接处设置有
密封圈，所述反应釜的底端连通安装有排料阀。
[0027] 作为本发明的一种优选技术方案，所述第二桨叶是所述第一桨叶直径的二分之一至四份之一，所述搅拌轴的转速是所述管形轴转速的两倍至四倍。
[0028] (三)有益效果
[0029] 与现有技术相比，本发明提供的低温快干水性聚氨酯涂料、制备方法及设备，具备以下有益效果：
[0030] 1、本发明通过同步改进水性聚氨酯涂料配方、工艺及设备，使其支持低温快干，可以实现在50-60℃条件下、20-25分钟内完全固化；而且可以对反应过程中的工况条件实现精确的控制，提高反应的效率、稳定产品质量，易于产业化。
[0031] 2、本发明提供的水性聚氨酯涂料，在喷涂完成后，成膜厚度适中，具有优异的干膜
附着力、密着度、耐磨性；其金属表面光泽度较好、弹性较好，干燥速度快、固化温度低，整体质感好、光洁度高、美观，耐候性、耐磨性强。本发明提供的涂料，低温下可快速固化，可充分满足对汽车外表油漆层进行小面积、多处灵活修补的需要。
[0032] 3、本发明提供的低温快干水性聚氨酯涂料、制备方法及设备，通过电加热圈对低聚物多元醇和异氰酸酯类化合物提供适宜的聚合温度，通过转速有差异的第一桨叶和第二桨叶对加热釜内腔不同
位置和不同状态的水性聚氨酯涂料原料以及成品进行搅拌，从而实现高效的水性聚氨酯转化率和高品质的成品。
[0033] 4、本发明提供的低温快干水性聚氨酯涂料、制备方法及设备，工艺合理、反应过程快捷可控，产品质量温度、合格率高，易于工业化生产。
附图说明
[0034] 图1为本发明聚氨酯涂料设备整体结构示意图；
[0035] 图2为本发明聚氨酯涂料设备剖视结构示意图；
[0036] 图3为本发明聚氨酯涂料设备传动机构示意图。
[0037] 图中：1、机架；2、电动推杆；3、反应釜；4、电加热圈；5、固定杆；6、穹拱顶盖；7、搅拌电机；8、搅拌轴；9、第一齿轮；10、第一桨叶；11、管形轴；12、第二桨叶；13、第二齿轮；14、支架；15、中间齿轮组；16、加注容器；17、定量加注阀；18、温度检测器；19、控制箱；20、控制单元；21、电机驱动器；22、继电器；23、排料阀。
具体实施方式
[0038] 下面将结合本发明
实施例中的附图，对本发明实施例中的技术方案进行清楚、完整地描述，显然，所描述的实施例仅仅是本发明一部分实施例，而不是全部的实施例。基于本发明中的实施例，本领域普通技术人员在没有做出创造性劳动前提下所获得的所有其他实施例，都属于本发明保护的范围。
[0039] 实施例
[0040] 实施例1：
[0041] 请参阅图1-3，本发明提供的低温快干水性聚氨酯涂料，其由如下重量份比例的组分制成：水性金属闪光粉20～30，水性聚氨酯40～50，羧甲基
醋酸丁酸纤维素3～5，二羟甲基丙酸3～5，防水增稠剂5～8，无机填料30～50份，抗闪锈剂1～3份，分散剂3～8份、消泡剂1～3份，无机颜料0.01～0.05，pH值调节剂2～4，去离子水15～20。
[0042] 其中，所述的水性聚氨酯是由低聚物多元醇和异氰酸酯类化合物按照1:1的质量比制成的聚合物；所述的防水增稠剂是由高分子聚丙烯酸酯、甲基丙烯酸共聚而成的交联型乳液增稠剂；所述无机填料为钛白粉或珠光粉。
[0043] 具体的，本实施例中，低温快干水性聚氨酯涂料，其由如下重量份比例的组分制成：水性金属闪光粉25，水性聚氨酯45，羧甲基醋酸丁酸纤维素4，二羟甲基丙酸4，防水增稠剂6，无机填料40，抗闪锈剂2，分散剂5份、消泡剂2份，无机颜料0.02，pH值调节剂3，去离子水18。
[0044] 一种低温快干水性聚氨酯涂料的制备方法，包括以下步骤：
[0045] S1：将低聚物多元醇和异氰酸酯类化合物按照1:1的质量比初步混合，注入反应容器中；
[0046] S2：反应容器中的低聚物多元醇和异氰酸酯类化合物的初步混合物形成中分子量的聚氨酯预聚体，然后向反应容器中注入混合物两倍重量的去离子水，并快速搅拌，令低聚物多元醇和异氰酸酯类化合物在剪切力作用下在水中分散；
[0047] S3：将溶解于去离子水中的低聚物多元醇和异氰酸酯类化合物快速搅拌十分钟至二十分钟，成为悬浮液状态，然后向悬浮液中注入二羟甲基丙酸；
[0048] S4：通过反应容器对低聚物多元醇和异氰酸酯类化合物的水溶液进行加热，加热温度至70-80摄氏度中反应三小时，在加热过程中持续搅拌，并且逐步降低搅拌的转速，此时低聚物多元醇和异氰酸酯类化合物的水溶液逐渐由悬浮液状态转入乳胶状态；
[0049] S5：继续搅拌十分钟，对预聚物进行亲水改性，在聚氨酯分子链上引入离子基团，使其实现自乳化，得到贮存稳定、性能良好的水性聚氨酯；
[0050] S6：在持续搅拌中，依次加入水性金属闪光粉、羧甲基醋酸丁酸纤维素、防水增稠、无机填料、抗闪锈剂、无机颜料、分散剂、消泡剂、pH值调节剂和适量的去离子水，继续搅拌二十至三十分钟；
[0051] S7：停止对反应容器加热，使其中盛装的水性聚氨酯涂料冷却至室温，然后通过阀门排放至成品盛装容器，制得低温快干水性聚氨酯涂料。
[0052] 一种前述低温快干水性聚氨酯涂料的制备设备，其包括机架1、反应釜3和穹拱顶盖6，机架1为矩形框架，机架1底端的边侧垂直固定有四根电动推杆2，转轴2的中部固定反应釜3的边侧，反应釜3外壁的边侧固定安装有电加热圈4，机架1的顶端垂直连接有四根固定杆5，四根固定杆5的底端连接穹拱顶盖6的边侧，穹拱顶盖6位于反应釜3开口的正上方，穹拱顶盖6顶面的中部垂直固定有搅拌电机7，搅拌电机7的转子轴固定连接有搅拌轴8，搅拌轴8贯穿穹拱顶盖6至反应釜3的内腔，搅拌轴8的顶端固定串接有第一齿轮9，搅拌轴8的底端串接固定有第一桨叶10，搅拌轴8的中部通过轴承转动嵌合有管形轴11，管形轴11底端的边侧固定连接有第二桨叶12，管形轴11的顶端固定安装有第二齿轮13，穹拱顶盖6的内壁固定安装有支架14，支架14通过轴承转动连接有中间齿轮组15，中间齿轮组15分别啮合第一齿轮9和第二齿轮13。
[0053] 本实施例中，反应釜3作为反应容器盛装低聚物多元醇和异氰酸酯，当低聚物多元醇和异氰酸酯加入反应釜3中后，四根电动推杆2顶伸，推动反应釜3与穹拱顶盖6扣合，实现反应容器的密封，然后对电加热圈4通电，将反应釜3机器盛装的低聚物多元醇和异氰酸酯加热，加热温度至70-80摄氏度中反应三小时，在此过程中，搅拌电机7通过搅拌轴8和第一桨叶10对反应釜3底端的反应混合物进行搅拌，同时，搅拌轴8通过第一齿轮9、中间齿轮组15和第二齿轮13带动管形轴11以及第二桨叶12对位于反应釜3内腔顶端的反应混合物进行搅拌，从而获得均匀的搅拌效果，令进行水性聚氨酯涂料制备的低聚物多元醇和异氰酸酯、以及其他各组分均能够充分的融合搅拌，达到均匀的胶状水性聚氨酯涂料成品。
[0054] 具体的，穹拱顶盖6顶端的边侧固定安装有加注容器16，加注容器16的底端均连通有定量加注阀17，四个定量加注阀17的底端均贯穿穹拱顶盖6至反应釜3的内腔。
[0055] 本实施例中，加注容器16中盛装二羟甲基丙酸，二羟甲基丙酸通过定量加注阀17流通至反应釜3的内腔，与先前盛装反应釜3中的低聚物多元醇和异氰酸酯聚合物进行混合，进而反应，此时搅拌电机7通过搅拌轴8直接对聚合物进行搅拌，或通过第一齿轮9、中间齿轮组15和第二齿轮13带动管形轴11和第二桨叶12转动，对浓稠状态的低聚物多元醇和异氰酸酯进行搅拌，促进混合物的反应速率。
[0056] 具体的，反应釜3的侧壁均匀分布有四个温度检测器18，其中两个温度检测器18延伸至反应釜3的内腔。
[0057] 本实施例中，温度检测器18用于检测反应釜3中盛装的反应混合物的温度，使其按照设定的工艺温度进行反应，从而获得良好的水性聚氨酯涂料成品，其中两个温度检测器18延伸至反应釜3的内腔，对反应釜3中盛装的原料直接进行检测，以便实时获取反应中真实的温度数据。
[0058] 具体的，机架1的一侧固定安装有控制箱19，控制箱19中固定安装有控制单元20、电机驱动器21和继电器22，四个温度检测器18均电性连接控制单元20的输入端，控制单元20的输出端电性连接电机驱动器21和继电器22的控制端，电机驱动器21的输出端电性连接搅拌电机7，继电器22电性连接电加热圈4和四根电动推杆2。
[0059] 本实施例中，控制单元20是PLC
控制器，具有可编程的
存储器，用于其内部存储程序、执行逻辑运算、顺序控制、定时、计数与算术操作等面向用户的指令，并通过数字或模拟式输入和输出控制各种类型的机械或生产过程，电机驱动器21采用
变频器或伺服驱动器，能够精确的控制搅拌电机7的转速进行搅拌，继电器22根据控制单元20设定的控制指令，开启电加热圈4对反应釜3以及其盛装的混合物料进行加热，促使其聚合生成水性聚氨酯聚合物，并能够通过开启四根电动推杆2正转推动反应釜3上升，与穹拱顶盖6对接构成密封的反应容器，实现良好的反应效果，也能够在反应完毕后开启四根电动推杆2反转，将反应釜3释放下来，对反应釜3的内腔进行清理。
[0060] 具体的，反应釜3和穹拱顶盖6的对接处设置有密封圈，反应釜3的底端连通安装有排料阀23。
[0061] 本实施例中，反应釜3和穹拱顶盖6的对接处设置有密封圈，能够很好地对二者进行密封，提升低聚物多元醇和异氰酸酯反应的速率，反应釜3的底端连通安装有排料阀23用于排放出反应生成的水性聚氨酯涂料成品。
[0062] 具体的，第二桨叶12是第一桨叶10直径的二分之一至四份之一，搅拌轴8的转速是管形轴11转速的两倍至四倍。
[0063] 本实施例中，第一桨叶10的直径小而转速高，适合在反应釜3内腔的底端高速搅拌，第二桨叶12的直径大而转速低，适合在反应釜3内腔的中部端缓速搅拌，第一桨叶10和第二桨叶12边侧的线速度相等或相近，从而对形成的水性聚氨酯涂料进行均匀的搅拌，获得良好的搅拌效果。
[0064] 本实施例中，电动推杆2、控制单元20和电机驱动器21为已经公开的广泛运用于日常工业生产的已知技术。
[0065] 本发明的工作原理和使用流程是：反应釜3作为反应容器盛装低聚物多元醇和异氰酸酯，当低聚物多元醇和异氰酸酯加入反应釜3中后，控制单元20根据设定的程序通过继电器22控制四根电动推杆2顶伸，推动反应釜3与穹拱顶盖6扣合，实现反应容器的密封，然后控制单元20通过继电器22对电加热圈4通电，将反应釜3机器盛装的低聚物多元醇和异氰酸酯加热，加热温度至70-80摄氏度中反应三小时，在此过程中，控制单元20启动搅拌电机7，搅拌电机7通过搅拌轴8和第一桨叶10对反应釜3底端的反应混合物进行搅拌，同时，搅拌轴8通过第一齿轮9、中间齿轮组15和第二齿轮13带动管形轴11以及第二桨叶12对位于反应釜3内腔顶端的反应混合物进行搅拌，从而获得均匀的搅拌效果，令进行水性聚氨酯涂料制备的低聚物多元醇和异氰酸酯与其他各组分均能够充分的融合搅拌，达到均匀的胶状水性聚氨酯涂料成品，在反应完毕后开启四根电动推杆2反转，将反应釜3释放下来，对反应釜3的内腔进行清理。
[0066] 实施例2：本发明提供的低温快干水性聚氨酯涂料、制备方法及设备，其基本上与实施例1相同，其不同之处在于：
[0067] 具体的，本实施例中，低温快干水性聚氨酯涂料，其由如下重量份比例的组分制成：水性金属闪光粉20，水性聚氨酯40，羧甲基醋酸丁酸纤维素3，二羟甲基丙酸3，防水增稠剂5，无机填料30，抗闪锈剂1，分散剂3份、消泡剂1份，无机颜料0.01，pH值调节剂2，去离子水15。
[0068] 实施例3：本发明提供的低温快干水性聚氨酯涂料、制备方法及设备，其基本上与实施例1、2均相同，其不同之处在于：
[0069] 具体的，本实施例中，低温快干水性聚氨酯涂料，其由如下重量份比例的组分制成：水性金属闪光粉30，水性聚氨酯50，羧甲基醋酸丁酸纤维素5，二羟甲基丙酸5，防水增稠剂6，无机填料50，抗闪锈剂3，分散剂8份、消泡剂3份，无机颜料0.05，pH值调节剂4，去离子水20。
[0070] 本发明重点通过同步改进水性聚氨酯涂料配方、工艺及设备，使其支持低温快干，可以实现在50-60℃条件下、20-25分钟内完全固化；而且可以对反应过程中的工况条件实现精确的控制，提高反应的效率、稳定产品质量，易于产业化。
[0071] 本发明中未列出的分散剂、pH值调节剂等组分的具体成分，可根据常规选择，均可以达到本发明记载的技术效果，本发明不再一一列出。
[0072] 最后应说明的是：以上仅为本发明的优选实施例而已，并不用于限制本发明，尽管参照前述实施例对本发明进行了详细的说明，对于本领域的技术人员来说，其依然可以对前述各实施例所记载的技术方案进行
修改，或者对其中部分技术特征进行等同替换。凡在本发明的精神和原则之内，所作的任何修改、等同替换、改进等，均应包含在本发明的保护范围之内。
