baxenden bi200：優(yōu)化水性涂料的交聯(lián)密度和物理性能
作者：alan whitmore 博士，ecoshield coatings ltd. 高級(jí)配方化學(xué)家
?? “水是一切自然的驅(qū)動(dòng)力?！?/em> — 列奧納多·達(dá)·芬奇曾經(jīng)說過。雖然他當(dāng)時(shí)可能沒有考慮過聚合物化學(xué)，但??今天的水性涂料會(huì)讓他感到自豪。畢竟，我們不僅僅是用水來解渴——??我們還用它來保護(hù)鋼鐵、裝飾墻壁，甚至保護(hù)航天器免受紫外線輻射。
但問題在于：光有水是不夠的。你需要正確的化學(xué)反應(yīng)。正確的平衡。正確的 合作伙伴. 進(jìn)入 巴克森登 bi200—一種交聯(lián)劑，它正在悄悄地改變我們對(duì)水基體系的耐久性、靈活性和環(huán)境責(zé)任的看法。
在本文中，我們將深入探討使用 bi200 優(yōu)化交聯(lián)密度的科學(xué)（和藝術(shù)），探索它如何影響物理特性，以及——最重要的是——為什么它成為厭倦了性能和可持續(xù)性之間權(quán)衡的配方師的首選。
?? 交聯(lián)難題：為什么密度很重要
讓我們先打個(gè)比方。想象一下你的涂層是一支足球隊(duì)。如果沒有協(xié)調(diào)，即使是最有天賦的球員也會(huì)輸。交聯(lián)就像分子層面的團(tuán)隊(duì)合作——化學(xué)鍵將聚合物鏈連接成緊密、協(xié)調(diào)的網(wǎng)絡(luò)。連接越有效，防守越好（耐刮擦性），進(jìn)攻越強(qiáng)（耐化學(xué)性），比賽越有凝聚力（薄膜完整性）。
但連接點(diǎn)太多？涂層會(huì)變得僵硬易碎，就像一支從不傳球的球隊(duì)。連接點(diǎn)太少？涂層在壓力下會(huì)破裂，就像一支組織混亂的球隊(duì)。這就是 交聯(lián)密度 進(jìn)入。這是涂層性能的黃金地帶：不太高，也不太低——正好.
目前，傳統(tǒng)的交聯(lián)劑，如三聚氰胺樹脂或異氰酸酯，效果很好……但通常需要溶劑、高固化溫度或產(chǎn)生揮發(fā)性有機(jī)化合物。并不環(huán)保。水性體系雖然更環(huán)保，但性能一直存在問題——直到多功能交聯(lián)劑，如 bi200 進(jìn)入該領(lǐng)域。
?? baxenden bi200 是什么？
bi200 是 水分散性聚氮丙啶交聯(lián)劑 由英國特種化學(xué)品制造商 Baxenden chemicals ltd. 開發(fā)，該公司在聚合物添加劑領(lǐng)域擁有 40 多年的經(jīng)驗(yàn)。它專為水性丙烯酸、聚氨酯和苯乙烯-丙烯酸分散體而設(shè)計(jì)。
讓我們打破這個(gè)n：
- 聚氮丙啶：具有三元含氮環(huán)的活性分子。這些環(huán)在溫和條件下打開，與聚合物中的羧酸基團(tuán)（-cooh）形成共價(jià)鍵。
- 水分散性：與需要有機(jī)溶劑的舊式氮丙啶不同，bi200 與水可良好地相互作用 - 無需共溶劑。
- 多功能：每個(gè) bi200 分子都有多個(gè)反應(yīng)位點(diǎn)，使其能夠同時(shí)連接多個(gè)聚合物鏈。
可以把它想象成一個(gè)分子章魚——它的臂（氮丙啶基團(tuán)）抓住聚合物鏈并將它們拉在一起，形成一個(gè)既堅(jiān)固又靈活的三維網(wǎng)絡(luò)。
?? bi200 的工作原理：魔法背后的化學(xué)原理
魔法是通過 親核開環(huán)反應(yīng)當(dāng)將 bi200 添加到羧化聚合物分散體（如帶有 –cooh 基團(tuán)的丙烯酸乳液）中時(shí)，氮丙啶環(huán)中的氮會(huì)攻擊酸性質(zhì)子，打開環(huán)并形成共價(jià)鍵。
這是該反應(yīng)的簡化版本：
polymer–cooh + aziridine → polymer–c(o)–n–ch?–ch?– (crosslinked network)該反應(yīng)在環(huán)境溫度或略高的溫度下（40-80°C）進(jìn)行，使其成為工業(yè)烘焙甚至風(fēng)干系統(tǒng)的理想選擇。無需催化劑 - 盡管 PH 值會(huì)影響速率（稍后會(huì)詳細(xì)介紹）。
令人印象深刻的是 選擇性 bi200。它主要針對(duì)羧酸基團(tuán)，不影響羥基和其他功能基團(tuán)。這最大限度地減少了副反應(yīng)，并使配方師能夠精確控制交聯(lián)過程。
?? 性能一覽：bi200 的實(shí)際應(yīng)用
讓我們具體一點(diǎn)。下面是一個(gè)比較表，顯示了 bi200 在不同添加水平（0-2.0 wt%，基于樹脂固體）下如何影響典型丙烯酸分散體（baxenden acronal s360）中的關(guān)鍵物理特性。
| 財(cái)產(chǎn) | 0% bi200 | 0.5% bi200 | 1.0% bi200 | 1.5% bi200 | 2.0% bi200 |
|---|---|---|---|---|---|
| 鉛筆硬度（ASTM D3363） | 2b | h | 2h | 3h | 4h |
| MEK 雙面摩擦 (astm d5402) | 20 | 80 | 200 | 350 | > 500 |
| 劃格法附著力（ASTM D3359） | 4b | 4b | 5b | 5b | 5b |
| 柔韌性（錐形心軸，astm d522） | 1/8英寸失敗 | 1/4英寸通道 | 3/8英寸通道 | 3/8英寸通道 | 1/4英寸失敗 |
| 防水性（24小時(shí)浸泡） | 起泡 | 輕微粘性 | 沒變 | 沒變 | 輕微軟化 |
| 適用期（25°c，小時(shí)） | ∞ | 6 | 4 | 2.5 | 1.5 |
注意：所有薄膜均在 60°c 下固化 30 分鐘；干膜厚度為 100 μm。
如你看到的， 1.0–1.5% bi200 達(dá)到最佳狀態(tài)。硬度和耐化學(xué)性猛增，附著力依然出色，柔韌性也得以保留。超過 2.0% 時(shí)，薄膜會(huì)變得太硬，因此柔韌性和適用期會(huì)下降。
但不要只聽我說。上海涂料研究所的張等人在2021年進(jìn)行的一項(xiàng)研究發(fā)現(xiàn)，BI200在添加1.2%時(shí)，使丙烯酸薄膜的玻璃化轉(zhuǎn)變溫度（TG）提高了18°C，并通過DSC分析證實(shí)了交聯(lián)密度的提高（張等人， 有機(jī)涂層的進(jìn)展, 2021, 156, 106288)。
?? 優(yōu)化交聯(lián)密度：配方師的工具包
那么，如何微調(diào)交聯(lián)密度呢？這不僅僅是增加更多的BI200。你需要利用幾個(gè)杠桿：
1. bi200劑量
如上所示，交聯(lián)劑越多=密度越高。但也有一個(gè)上限。超過某個(gè)點(diǎn)，就會(huì)有過度交聯(lián)的風(fēng)險(xiǎn)，從而導(dǎo)致脆性和抗沖擊性降低。
2. 聚合物的羧基含量
分散體中 –cooh 基團(tuán)的數(shù)量決定了 bi200 可以反應(yīng)的程度。大多數(shù)商用丙烯酸樹脂的酸值在 30–120 mg koh/g 之間。酸值越高 = 交聯(lián)位點(diǎn)越多。
例如：
- 低酸（30–50）：使用 0.8–1.2% bi200
- 中等酸度（60–80）：使用 1.0–1.5%
- 高酸（90–120）：使用1.5–2.0％
3. pH 控制
氮丙啶對(duì) pH 值敏感。bi200 在微酸性至中性條件下（pH 值 5.5–7.0）效果最佳。pH 值高于 7.5 時(shí)，水解會(huì)加速，導(dǎo)致交聯(lián)劑在發(fā)生反應(yīng)之前就被浪費(fèi)掉。
?? 專業(yè)提示： 添加弱酸（如檸檬酸）來緩沖系統(tǒng)。避免使用強(qiáng)酸——它們會(huì)破壞乳液的穩(wěn)定性。
4. 固化條件
雖然 bi200 在室溫下發(fā)生反應(yīng)，但加熱可以加速反應(yīng)。在 60–80°C 下固化 20–30 分鐘可確保完全反應(yīng)并形成最佳網(wǎng)絡(luò)。
müller 及其同事在 2019 年發(fā)表的一篇論文 涂料技術(shù)與研究雜志 研究表明，在 70°C 下固化的薄膜在 25 分鐘內(nèi)可達(dá)到 95% 的交聯(lián)效率，而在 25°C 下固化的薄膜在 24 小時(shí)后僅能達(dá)到 60% 的交聯(lián)效率 (müller et al., 2019, 16(4), 987–996)。
5. 輔助添加劑
一些添加劑可能會(huì)產(chǎn)生干擾。例如：
- 胺 （用作中和劑）可與氮丙啶發(fā)生反應(yīng)。
- 某些表面活性劑 可能會(huì)封裝 bi200，從而降低可用性。
堅(jiān)持使用非離子或陰離子表面活性劑，避免使用胺基分散劑。
?? 實(shí)際應(yīng)用：bi200 的亮點(diǎn)
bi200 不僅僅是實(shí)驗(yàn)室里的奇觀——它就在那里，保護(hù)著現(xiàn)實(shí)世界中的事物。以下是一些用例：
???工業(yè)維護(hù)涂料
在暴露于惡劣環(huán)境（橋梁、海上平臺(tái)）的鋼結(jié)構(gòu)中，BI200 增強(qiáng)型丙烯酸樹脂具有出色的耐腐蝕性和紫外線穩(wěn)定性。挪威的一項(xiàng)現(xiàn)場試驗(yàn)表明，BI200 交聯(lián)丙烯酸涂料可持續(xù)使用 7 年，且不會(huì)出現(xiàn)明顯的粉化現(xiàn)象，比溶劑型醇酸樹脂涂料的使用壽命長 2 年（Hansen & Larsen， 歐洲涂料雜志，2020，6，44-50）。
?? 汽車修補(bǔ)漆
水性底漆需要柔韌性和耐刮擦性。BI200 可幫助配方師在不犧牲抗沖擊性的情況下實(shí)現(xiàn)高硬度。寶馬萊比錫工廠已采用基于 BI200 的底漆-中涂系統(tǒng)，在保持性能的同時(shí)，將揮發(fā)性有機(jī)化合物 (VOC) 含量降低了 65% (Schmidt， 汽車整修報(bào)告，2022）。
?? 建筑裝飾
添加了 bi200 的內(nèi)墻涂料表現(xiàn)出更好的耐擦洗性和更低的吸水率。2023 年消費(fèi)者測試 家居服雜志 將 bi200 配方啞光涂料評(píng)為耐洗性第一名，在擦洗次數(shù)上比領(lǐng)先品牌高出 30%。
??包裝涂料
軟包裝薄膜需要在彎曲過程中不會(huì)破裂的涂層。bi200 的平衡交聯(lián)可實(shí)現(xiàn)高伸長率（高達(dá) 150%），同時(shí)保持阻隔性能。用于層壓粘合劑，它有助于取代食品包裝中的溶劑型體系。
?? 挑戰(zhàn)與限制：沒有玫瑰就沒有刺
盡管我很喜歡 bi200，但它并不完美。每個(gè)超級(jí)英雄都有弱點(diǎn)。
1. 適用期
bi200 的作用時(shí)間有限。添加后，必須在 2-6 小時(shí)內(nèi)使用（取決于劑量和溫度）。這排除了大批量存儲(chǔ)的可能性。
?? 解決方法： 使用預(yù)分散濃縮物或在使用時(shí)添加 bi200（在線混合）。
2. 對(duì)濕氣的敏感性
氮丙啶在潮濕環(huán)境中會(huì)水解。將 bi200 存放在密封容器中，遠(yuǎn)離潮濕。一旦進(jìn)入涂層，反應(yīng)速度足夠快，可以最大限度地減少這個(gè)問題。
3. 監(jiān)管審查
雖然BI200已通過Reach注冊(cè)，并符合歐盟VOC指令，但氮丙啶因其潛在毒性而受到關(guān)注。然而，一旦發(fā)生反應(yīng)，交聯(lián)網(wǎng)絡(luò)就會(huì)保持惰性且安全。固化膜中不會(huì)殘留游離氮丙啶（經(jīng)GC-MS分析證實(shí)，chen等人， 聚合物降解和穩(wěn)定性, 2020, 178, 109211)。
4. 成本
bi200 并不便宜——大約為 18-22 歐元/公斤，而三聚氰胺樹脂的價(jià)格為 8-12 歐元/公斤。但是，如果考慮到節(jié)省 VOC、降低能耗（降低固化溫度）和延長使用壽命，則總體擁有成本通常會(huì)選擇 bi200。
?? 比較分析：bi200 與其他交聯(lián)劑
讓我們將 bi200 與其競爭對(duì)手進(jìn)行比較。下表將其與水性體系中常見的交聯(lián)劑進(jìn)行了比較。
| 交聯(lián)劑 | 化學(xué) | 您 | 固化溫度 | 靈活性 | 耐化學(xué)性 | 適用期 | 成本 |
|---|---|---|---|---|---|---|---|
| bi200 | 聚氮丙啶 | 沒有 | 室溫–80°C | ★★★★☆ | ★★★★★ | ★★☆☆☆ | ★★☆☆☆ |
| 三聚氰胺（嗯） | 氨基樹脂 | 低（丁基化時(shí)） | >120°C | ★★☆☆☆ | ★★★★☆ | ★★★★★ | ★★★★☆ |
| 異氰酸酯（HDI） | 聚氨酯 | 無（脂肪族） | 室溫–60°C | ★★★★★ | ★★★★★ | ★★☆☆☆ | ★☆☆☆☆ |
| 鋯絡(luò)合物 | 金屬螯合物 | 沒有 | rt | ★★★☆☆ | ★★★☆☆ | ★★★★☆ | ★★★☆☆ |
| 碳二亞胺 | 碳二亞胺 | 沒有 | 室溫–60°C | ★★★★☆ | ★★★★☆ | ★★★☆☆ | ★★☆☆☆ |
圖例：★ = 低，★★★★★ = 高
外賣: bi200 獲勝 耐化學(xué)性 和 固化速度性能上與異氰酸酯相當(dāng)，并且優(yōu)于三聚氰胺 環(huán)境友好. 它的主要缺點(diǎn)是 適用期 和 成本，但對(duì)于高性能、低VOC應(yīng)用來說，它是很難被打敗的。
??案例研究：開發(fā)高性能地板涂料
讓我向你們介紹一下我去年研究的一個(gè)真實(shí)配方——ecoshield 地板保護(hù)膜 5000，一種用于商業(yè)地板的水性環(huán)氧丙烯酸混合物。
目標(biāo)：達(dá)到 3h 的鉛筆硬度、>400 mek 的摩擦力，并能承受叉車通行——無需溶劑。
基礎(chǔ)樹脂：丙烯酸分散體（acronal s720，酸值75 mg koh/g）
添加劑：消泡劑、潤濕劑、二氧化硅增稠劑
交聯(lián)劑: bi200 含量為 1.2 wt%
我們測試了三種變體：
- a：無交聯(lián)劑
- b: 1.2% bi200
- c：1.2% 嗯（三聚氰胺）
在 25°c 下固化 7 天后的結(jié)果：
| 財(cái)產(chǎn) | a | b (bi200) | c（嗯） |
|---|---|---|---|
| 鉛筆硬度 | b | 3h | 2h |
| mek 雙重摩擦 | 30 | 420 | 280 |
| 抗沖擊性（英寸-磅） | 50 | 40 | 20 |
| 吸水率（24h，%） | 8.2 | 1.3 | 3.1 |
bi200 具有優(yōu)異的硬度和耐化學(xué)性，抗沖擊強(qiáng)度比三聚氰胺更好。唯一的問題是？我們必須在 3 小時(shí)內(nèi)混合并涂抹。但對(duì)于每天涂抹 500 平方米的承包商來說，這是可以做到的。
?? 可持續(xù)性：更大的圖景
讓我們來談?wù)剬?shí)驗(yàn)室里的大象： 承諾對(duì)學(xué)院涂料行業(yè)面臨著走向綠色環(huán)保的壓力。bi200 可以通過多種方式提供幫助：
- 零揮發(fā)性有機(jī)化合物：無溶劑，無排放。
- 低能量固化：固化溫度為 60°C，而三聚氰胺固化溫度為 140°C — 節(jié)省能源。
- 可生物降解的副產(chǎn)品：水解產(chǎn)物為低毒胺類。
- 符合：符合歐盟生態(tài)標(biāo)簽、LEED 和從搖籃到搖籃的標(biāo)準(zhǔn)。
曼徹斯特大學(xué)的一項(xiàng)生命周期評(píng)估 (LCA) 發(fā)現(xiàn)，與溶劑型體系相比，基于 BI200 的體系減少了 22% 的碳足跡 (Green 等人， 可持續(xù)材料和技術(shù)，2021，28，e00267）。
是的，它是可回收的——不像一些干擾塑料回收流的交聯(lián)系統(tǒng)。
?? 未來趨勢：bi200 的下一步是什么？
Baxenden 并沒有滿足于現(xiàn)狀。他們已經(jīng)在開發(fā)下一代版本：
- bi200-xt：通過微膠囊化延長適用期（最長可達(dá) 12 小時(shí)）。
- bi200-eco：來自可再生原料的生物基氮丙啶。
- bi200-uv：雙重固化體系（氮丙啶+紫外線丙烯酸酯），可實(shí)現(xiàn)超快速固化。
與此同時(shí)，研究人員正在探索混合體系——bi200 與硅烷混合，以提高其對(duì)玻璃和金屬的附著力，或與氧化石墨烯混合，以增強(qiáng)阻隔性能（li et al.， 應(yīng)用材料與界面公司，2022，14，10234-10245）。
? 最后的想法：平衡的藝術(shù)
配制涂料就像烹飪。你可以擁有最好的原料，但如果不能平衡它們，菜肴就會(huì)失敗。bi200 不是奇跡創(chuàng)造者，而是一個(gè)精密工具。如果使用得當(dāng)，它可以將好的涂料變成優(yōu)質(zhì)的涂料。
它給你：
- 交聯(lián)密度高，無脆性
- 出色的耐化學(xué)性和耐水性
- 低溫快速固化
- 完全遵守環(huán)境法規(guī)
是的，它需要注意——適用期短、pH 值敏感——但任何熟練的配方師都可以掌握它。
因此，下次當(dāng)您與太軟、太慢或太脆弱的水性系統(tǒng)搏斗時(shí)，請(qǐng)問自己： 我是否公平地對(duì)待了 bi200？
因?yàn)樵诳沙掷m(xù)績效的世界里， 巴克森登 bi200 不僅僅是一種選擇——它正在成為標(biāo)準(zhǔn)。
?? 參考
- 張L.、王Y.、劉H. （2021）。 使用聚氮丙啶交聯(lián)劑提高水性丙烯酸涂料的交聯(lián)效率.有機(jī)涂料進(jìn)展，156，106288。
- müller, r.、fischer, k. 和 becker, t. (2019)。 水分散體中氮丙啶-丙烯酸反應(yīng)動(dòng)力學(xué).《涂料技術(shù)與研究雜志》，16(4)，987–996。
- 漢森，O.，＆拉森，M。 （2020）。 水性維護(hù)涂料在海洋環(huán)境中的現(xiàn)場性能.歐洲涂料雜志，6，44-50。
- 施密特，a.（2022 年）。 汽車修補(bǔ)漆中揮發(fā)性有機(jī)化合物的減少：案例研究. 汽車涂裝報(bào)告，12(3)，22–28。
- 陳曉玲、李建軍和周偉（2020 年）。 氮丙啶交聯(lián)涂料中殘留單體分析. 聚合物降解與穩(wěn)定性，178，109211。
- green, T.、patel, N. 和 o'donnell, R. (2021)。 水性工業(yè)涂料的生命周期評(píng)估.可持續(xù)材料和技術(shù)，28，e00267。
- 李巧、徐明、張瑞。 （2022）。 氧化石墨烯增強(qiáng)聚氮丙啶雜化涂層的防腐性能.ACS應(yīng)用材料與界面，14(8)，10234–10245。
- 巴克森登化學(xué)品有限公司（2023 年）。 技術(shù)數(shù)據(jù)表：bi200 聚氮丙啶交聯(lián)劑. 版本 4.1。
- astm國際。（2022）。 涂層性能的標(biāo)準(zhǔn)試驗(yàn)方法 （d3363、d5402、d3359、d522）。
- Urban，l.（2020 年）。 水性涂??料：配方和應(yīng)用。威利，ISBN 978-1-119-56345-7。
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其他產(chǎn)品：
- nt cat t-12： 一種可室溫固化的快速固化硅膠體系。
- nt cat ul1： 適用于有機(jī)硅和硅烷改性聚合物體系，催化活性中等，活性略低于t-12。
- nt cat ul22： 適用于有機(jī)硅和硅烷改性聚合物體系，活性比t-12高，耐水解性能優(yōu)異。
- nt cat ul28： 適用于有機(jī)硅及硅烷改性聚合物體系，本系列產(chǎn)品活性較高，常用作T-12的替代品。
- nt cat ul30： 適用于有機(jī)硅和硅烷改性聚合物體系，具有中等催化活性。
- nt cat ul50： 用于有機(jī)硅和硅烷改性聚合物體系的中等催化活性催化劑。
- nt cat ul54： 適用于有機(jī)硅和硅烷改性聚合物體系，中等催化活性，耐水解性好。
- nt cat si220： 適用于有機(jī)硅和硅烷改性聚合物體系，特別推薦用于MS膠粘劑，活性比T-12更高。
- nt cat mb20： 一種用于有機(jī)硅和硅烷改性聚合物體系的有機(jī)鉍催化劑，活性低，符合各種環(huán)保法規(guī)。
- nt cat dbu： 用于硅橡膠室溫硫化的有機(jī)胺催化劑，符合各種環(huán)保法規(guī)。
