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水性樹脂之室溫固化雙組分水性木器涂料的制備

2019-06-12

  由于符合環保要求,水性涂料近年來受到高度重視并取得了長足的進展。水性涂料最大的優點在于有很低的有機揮發物(VOC)含量,甚至幾乎可達到零VOC的水平。室溫固化水性木器涂料作為水性涂料的重要組成部分在國內已得到推廣?,F已在家庭裝飾領域開始嶄露頭角。

  現有市場上的室溫固化水性木器涂料多為單組分體系,通過水分揮發后形成不可水溶性的涂膜。在此過程中可以形成分子內交聯,如水性醇酸體系和水性氧酯油體系靠空氣中的氧氣發生交聯,也可能因乳液本身含有酮羰基/酰肼類化含物,隨水分揮發發生交聯。然而這種交聯對涂膜性能的提高十分有限,與溶劑型聚氨酯,特別是溶劑型雙組分聚氨酯相比,單組分水性木器涂料尚難望其項背。其性能的巨大差距阻礙了水性木器涂料的推廣應用,特別是在要求較高的場合,如家具制造業和工業涂料上的應用。

  制成室溫固化的雙組分水性木器涂料是顯著提高涂膜性能的一個重要途徑,由于要求室溫固化,因而更增加了配漆的難度。

  以下介紹的雙組分水性木器涂料是一種新潁的雙組分水性涂料。其優異的性能可與溶劑型涂料相媲美,但配漆及施工比一般雙組分水性涂料更加方便。

  (1)丙烯酸改性聚氯酯分散體ER-05(青島頤中實業公司)。該分散體固含量≥33%,粘度500mPa?s。(2)JL-01交聯劑,透明無色稀液,青島頤中實業公司。(3)各種助劑,分別取自BYK公司、海川公司等。

  主料按一般單組分水性木器涂料的方法制備,在ER-05水分散體中逐次分別加入流平劑、成膜助劑、消泡劑、增稠劑等,充分混勻。

  雙組分水性木器涂料主料ER-05型丙烯酸改性聚氨酯分散體。該分散體為核殼結構型,固體分≥33%、粘度小,外觀乳白有半透明性,分散體分子中含有羥基和羧基。以ER-05分散體加上消泡劑、流平劑、增稠劑、表面改性劑等制成甲組分。

  乙組分為JL-01交聯劑,外觀無色清液。每100份甲組分添加(1~7)份乙組分,混合均勻后仍類似甲組分,漆液外觀和粘度無顯著變化。

  水性涂料多用異氰酸酯固化劑制成雙組分體系,國內外這類固化劑種類繁多,品種各異,但是大多混合十分困難,甚至雖經親水改性也不易迅速分散在乳液和水分散體中。而研制的雙組分水性涂料混合極易,用手輕加攪動就可混合均勻,很適合DIY型現場加工。

  雙組分水性木器涂料與雙組分溶劑型漆一樣,配好漆后有一個適用期的問題,20℃下漆液粘度隨時間的變化見圖1。

  從圖1中可見粘度變化相當緩慢,15d內無很大的變化,粘度在(19.1~19.8)s,18d后粘度增至21s左右,涂刷無影響,更無分層、凝膠、增稠等異?,F象。繼續存放至35d,雙組分涂料的外觀和涂刷施工時仍未觀察到異?,F象。

  在適用期上水性涂料與溶劑型涂料有著完全不同的現象,雙組分溶劑型涂料配漆后粘度逐漸增長,超過適用期后粘度增高至完全不能施工,也不能再用溶劑稀釋。然而,在水性環氧體系曾經發現配漆后粘度無顯著變化,但在超過某一時間后,漆液涂裝不再能形成良好涂膜。在這種情況下配漆后的適用期不能以粘度變化來確定,而要以施工能否形成良好涂膜的時間來確定。

  本水性木器漆配漆后18d涂裝仍能很好成膜,存放35d涂裝仍無異常,可見20℃下適用期長達35d以上。這是其他類型的室溫固化雙組分水性涂料,如親水異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。

  雙組分水性木器涂料配漆后宜陳化后再用,20℃下最好陳化2h以上。陳化時間不夠的涂膜有可能出現微裂紋或塵粒狀現象,特別是施工溫度較低時更有可能出現這些弊病。夏季配漆后可接使用。

  由圖2可見,1d之內涂膜硬度即可達到最終硬度的70%以上,7d后硬度基本達到最大值。涂裝后于50℃下烘烤,涂膜硬度隨時間的變化見圖3。1h后硬度接近最終值,(5~7)h后硬度基本恒定。50℃下固化1h,近似于室溫(20~23)℃條件下固化1d。因此,該涂料用于工業化生產時,在不太高的溫度下適當加溫,可以大大縮短加工等待時間。

  固化劑中的活性基團與聚氨酯分散體中的官能團反應后交聯,固化劑過多并無益處。圖4表明隨著固化劑用量的增加,涂膜硬度先增加,后減少,硬度的峰值在固化劑用量為1%~3%達到。過多的固化劑起了增塑作用,涂膜硬度反而下降。

  雙組分涂料的硬度高于單組分涂料。加入2%固化劑的雙組分涂料涂膜固化15d后,其硬度可達0.67,而用類似水分散體制成的單組分涂料涂膜硬度為0.59,可見固化劑能明顯提高涂膜硬度。在另一種水性涂料的配方中,未加固化劑時涂膜的硬度最多只能達到0.69,當加入3%的固化劑后涂膜的最終硬度提高到了0.82。高硬度的涂膜更適合用于家具和地板涂裝。

  雙組分涂料的附著力有顯著提高,在紅、白、黑胡桃、紅胡桃、水曲柳、紅松、梧桐等木板上用劃格粘膠粘帶的方法測得附著力均為0級,表明這種漆對木材的附著力極優。此外,在玻璃板上的單組分涂料涂膜經自來水浸泡24h后起泡并可很容易地揭南而雙組分涂料浸泡3個月仍不起泡且很難刮下。此外,雙組分涂料的層問附著力也明顯增大,不會出現層間附著不良的現象。

  將單、雙組分涂料澆于隔離紙上,干透后制成試片,裁取約1cm大小試片,于蒸餾水中浸泡24h后,吸干表面水測吸水率。交聯后的試樣吸水率大大下降,其結果見表1。

  雙組分涂料長時間水浸泡涂膜不泛白、不起泡、涂料不會從玻璃板上脫落,有良好的耐水性。而相應的單組分涂料則可能產生輕度變濁或泛白、起泡、玻璃板附著不良、易剝除。木板上的情況與之類似,雙組分涂料浸水不泛白、不脫落。

  單組分水性木器涂料,無論是丙烯酸型還是聚氨酯類的,耐溶劑能力都很差,乙醇、甲苯和丙酮這類有機溶劑極易破壞涂膜,而雙組分水性木器涂料耐溶劑性極好。

  以工業酒精、甲苯或丙酮為溶劑,棉球蘸溶劑在玻璃板上已固化好的涂膜上來回擦拭,一個來回為一次,擦程約5cm,結果雙組分涂料擦700次不破壞、不泛白,而相應的單組分涂膜擦幾十次就溶破了(如表1所示)。.

  經5%NaOH溶液腐蝕后單組分涂料涂膜呈深棕黑色,干后碎裂,涂膜完全破壞;雙組分涂料涂膜為淺棕黑色,涂膜完整不脫落,可見雙組分涂料的耐堿腐蝕性大大提高,這是一般單組分涂料根本不能比的(如表1所示)。

  將開水置于不銹鋼杯中,涂膜上倒上開水,把杯壓在已充分固化的雙組分涂料涂膜上,10min后取下觀察無明顯燙痕;而單組分涂膜上燙痕深,永不能消除,并且涂膜變白(干后可恢復)??梢娊宦摵蟮耐磕せ鞠藛谓M分涂膜的嚴重弊病――熱塑性,表現出了溶劑型交聯聚氯酯涂料的效果一熱固性。

  以中國人常見的幾種液體:蒸餾水、綠茶、巴西咖啡、醬油(老抽)、山西陳醋和化學黑墨水做污漬源,滴在涂膜上3h后洗去,觀察污漬情況。以10分制評價:無任何痕跡為10分,微顯水圈痕跡,干后消失為9,微泛白為8,化學墨水有明顯痕跡(呈深綠色1,淡綠6)(見表2)。顯然,經交聯后的雙組分涂料涂膜的耐污漬性大大提高。試驗的幾種有色物中,除化學黑墨水略顯痕跡外,其余的不會對涂膜造成不良影響,而單組分涂料的抗污漬性較差。

  單組分涂料涂裝后數天內不能疊壓,否則會發生嚴重粘連。雙組分涂料實干后就有良好的抗粘連性,1d后疊壓基本不粘連,可見雙組分涂料更加適宜快速施工的需要。

  通過添加4%的無毒交聯固化劑制得了雙組分水性木器涂料,與相應的單組分涂料相比,各方面性能有了顯著提高;適用期20℃下可達35d以上,在夏季較高溫度下適用期也在10d以上,這是溶劑型雙組分聚氯酯和其它雙組分水性涂料望塵莫及的。適用期長大大方便了施工,并可避免不必要的物料浪費。此外,該涂料的固化劑粘度極低、親水性好,稍加攪動兩組分就可混合均勻,這也是完全不同于傳統聚氯酯固化劑交聯水性涂料的顯著特點之一。

  由于這種雙組分涂料依然保持了環境友好的優勢,性能又有了質的飛躍,大大拓寬了水性木器涂料的應用范圍,可以用在過去單組分水性木器涂料因性能欠佳而受限制的許多領域,可取代溶劑型木器漆。最大限度地減少了有害溶劑的排放,而且由此產生的新思路還有望促進在塑料制造、皮革涂飾、包裝材料,甚至水性防銹涂料、水性工業涂料和水性特種涂料研制方面獲得新的突破。

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