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水性树脂之室温固化双组分水性木器涂料的制备

2019-06-12

  由于符合环保要求,水性涂料近年来受到高度重视并取得了长足的进展。水性涂料最大的优点在于有很低的有机挥发物(VOC)含量,甚至几乎可达到零VOC的水平。室温固化水性木器涂料作为水性涂料的重要组成部分在国内已得到推广。现已在家庭装饰领域开始崭露头角。

  现有市场上的室温固化水性木器涂料多为单组分体系,通过水分挥发后形成不可水溶性的涂膜。在此过程中可以形成分子内交联,如水性醇酸体系和水性氧酯油体系靠空气中的氧气发生交联,也可能因乳液本身含有酮羰基/酰肼类化含物,随水分挥发发生交联。然而这种交联对涂膜性能的提高十分有限,与溶剂型聚氨酯,特别是溶剂型双组分聚氨酯相比,单组分水性木器涂料尚难望其项背。其性能的巨大差距阻碍了水性木器涂料的推广应用,特别是在要求较高的场合,如家具制造业和工业涂料上的应用。

  制成室温固化的双组分水性木器涂料是显著提高涂膜性能的一个重要途径,由于要求室温固化,因而更增加了配漆的难度。

  以下介绍的双组分水性木器涂料是一种新颍的双组分水性涂料。其优异的性能可与溶剂型涂料相媲美,但配漆及施工比一般双组分水性涂料更加方便。

  (1)丙烯酸改性聚氯酯分散体ER-05(青岛颐中实业公司)。该分散体固含量≥33%,粘度500mPa?s。(2)JL-01交联剂,透明无色稀液,青岛颐中实业公司。(3)各种助剂,分别取自BYK公司、海川公司等。

  主料按一般单组分水性木器涂料的方法制备,在ER-05水分散体中逐次分别加入流平剂、成膜助剂、消泡剂、增稠剂等,充分混匀。

  双组分水性木器涂料主料ER-05型丙烯酸改性聚氨酯分散体。该分散体为核壳结构型,固体分≥33%、粘度小,外观乳白有半透明性,分散体分子中含有羟基和羧基。以ER-05分散体加上消泡剂、流平剂、增稠剂、表面改性剂等制成甲组分。

  乙组分为JL-01交联剂,外观无色清液。每100份甲组分添加(1~7)份乙组分,混合均匀后仍类似甲组分,漆液外观和粘度无显著变化。

  水性涂料多用异氰酸酯固化剂制成双组分体系,国内外这类固化剂种类繁多,品种各异,但是大多混合十分困难,甚至虽经亲水改性也不易迅速分散在乳液和水分散体中。而研制的双组分水性涂料混合极易,用手轻加搅动就可混合均匀,很适合DIY型现场加工。

  双组分水性木器涂料与双组分溶剂型漆一样,配好漆后有一个适用期的问题,20℃下漆液粘度随时间的变化见图1。

  从图1中可见粘度变化相当缓慢,15d内无很大的变化,粘度在(19.1~19.8)s,18d后粘度增至21s左右,涂刷无影响,更无分层、凝胶、增稠等异常现象。继续存放至35d,双组分涂料的外观和涂刷施工时仍未观察到异常现象。

  在适用期上水性涂料与溶剂型涂料有着完全不同的现象,双组分溶剂型涂料配漆后粘度逐渐增长,超过适用期后粘度增高至完全不能施工,也不能再用溶剂稀释。然而,在水性环氧体系曾经发现配漆后粘度无显著变化,但在超过某一时间后,漆液涂装不再能形成良好涂膜。在这种情况下配漆后的适用期不能以粘度变化来确定,而要以施工能否形成良好涂膜的时间来确定。

  本水性木器漆配漆后18d涂装仍能很好成膜,存放35d涂装仍无异常,可见20℃下适用期长达35d以上。这是其他类型的室温固化双组分水性涂料,如亲水异氰酸酯或氮丙啶化合物固化的水性涂料是根本不能相比的。

  双组分水性木器涂料配漆后宜陈化后再用,20℃下最好陈化2h以上。陈化时间不够的涂膜有可能出现微裂纹或尘粒状现象,特别是施工温度较低时更有可能出现这些弊病。夏季配漆后可接使用。

  由图2可见,1d之内涂膜硬度即可达到最终硬度的70%以上,7d后硬度基本达到最大值。涂装后于50℃下烘烤,涂膜硬度随时间的变化见图3。1h后硬度接近最终值,(5~7)h后硬度基本恒定。50℃下固化1h,近似于室温(20~23)℃条件下固化1d。因此,该涂料用于工业化生产时,在不太高的温度下适当加温,可以大大缩短加工等待时间。

  固化剂中的活性基团与聚氨酯分散体中的官能团反应后交联,固化剂过多并无益处。图4表明随着固化剂用量的增加,涂膜硬度先增加,后减少,硬度的峰值在固化剂用量为1%~3%达到。过多的固化剂起了增塑作用,涂膜硬度反而下降。

  双组分涂料的硬度高于单组分涂料。加入2%固化剂的双组分涂料涂膜固化15d后,其硬度可达0.67,而用类似水分散体制成的单组分涂料涂膜硬度为0.59,可见固化剂能明显提高涂膜硬度。在另一种水性涂料的配方中,未加固化剂时涂膜的硬度最多只能达到0.69,当加入3%的固化剂后涂膜的最终硬度提高到了0.82。高硬度的涂膜更适合用于家具和地板涂装。

  双组分涂料的附着力有显著提高,在红、白、黑胡桃、红胡桃、水曲柳、红松、梧桐等木板上用划格粘胶粘带的方法测得附着力均为0级,表明这种漆对木材的附着力极优。此外,在玻璃板上的单组分涂料涂膜经自来水浸泡24h后起泡并可很容易地揭南而双组分涂料浸泡3个月仍不起泡且很难刮下。此外,双组分涂料的层问附着力也明显增大,不会出现层间附着不良的现象。

  将单、双组分涂料浇于隔离纸上,干透后制成试片,裁取约1cm大小试片,于蒸馏水中浸泡24h后,吸干表面水测吸水率。交联后的试样吸水率大大下降,其结果见表1。

  双组分涂料长时间水浸泡涂膜不泛白、不起泡、涂料不会从玻璃板上脱落,有良好的耐水性。而相应的单组分涂料则可能产生轻度变浊或泛白、起泡、玻璃板附着不良、易剥除。木板上的情况与之类似,双组分涂料浸水不泛白、不脱落。

  单组分水性木器涂料,无论是丙烯酸型还是聚氨酯类的,耐溶剂能力都很差,乙醇、甲苯和丙酮这类有机溶剂极易破坏涂膜,而双组分水性木器涂料耐溶剂性极好。

  以工业酒精、甲苯或丙酮为溶剂,棉球蘸溶剂在玻璃板上已固化好的涂膜上来回擦拭,一个来回为一次,擦程约5cm,结果双组分涂料擦700次不破坏、不泛白,而相应的单组分涂膜擦几十次就溶破了(如表1所示)。.

  经5%NaOH溶液腐蚀后单组分涂料涂膜呈深棕黑色,干后碎裂,涂膜完全破坏;双组分涂料涂膜为浅棕黑色,涂膜完整不脱落,可见双组分涂料的耐碱腐蚀性大大提高,这是一般单组分涂料根本不能比的(如表1所示)。

  将开水置于不锈钢杯中,涂膜上倒上开水,把杯压在已充分固化的双组分涂料涂膜上,10min后取下观察无明显烫痕;而单组分涂膜上烫痕深,永不能消除,并且涂膜变白(干后可恢复)。可见交联后的涂膜基本消除了单组分涂膜的严重弊病――热塑性,表现出了溶剂型交联聚氯酯涂料的效果一热固性。

  以中国人常见的几种液体:蒸馏水、绿茶、巴西咖啡、酱油(老抽)、山西陈醋和化学黑墨水做污渍源,滴在涂膜上3h后洗去,观察污渍情况。以10分制评价:无任何痕迹为10分,微显水圈痕迹,干后消失为9,微泛白为8,化学墨水有明显痕迹(呈深绿色1,淡绿6)(见表2)。显然,经交联后的双组分涂料涂膜的耐污渍性大大提高。试验的几种有色物中,除化学黑墨水略显痕迹外,其余的不会对涂膜造成不良影响,而单组分涂料的抗污渍性较差。

  单组分涂料涂装后数天内不能叠压,否则会发生严重粘连。双组分涂料实干后就有良好的抗粘连性,1d后叠压基本不粘连,可见双组分涂料更加适宜快速施工的需要。

  通过添加4%的无毒交联固化剂制得了双组分水性木器涂料,与相应的单组分涂料相比,各方面性能有了显著提高;适用期20℃下可达35d以上,在夏季较高温度下适用期也在10d以上,这是溶剂型双组分聚氯酯和其它双组分水性涂料望尘莫及的。适用期长大大方便了施工,并可避免不必要的物料浪费。此外,该涂料的固化剂粘度极低、亲水性好,稍加搅动两组分就可混合均匀,这也是完全不同于传统聚氯酯固化剂交联水性涂料的显著特点之一。

  由于这种双组分涂料依然保持了环境友好的优势,性能又有了质的飞跃,大大拓宽了水性木器涂料的应用范围,可以用在过去单组分水性木器涂料因性能欠佳而受限制的许多领域,可取代溶剂型木器漆。最大限度地减少了有害溶剂的排放,而且由此产生的新思路还有望促进在塑料制造、皮革涂饰、包装材料,甚至水性防锈涂料、水性工业涂料和水性特种涂料研制方面获得新的突破。