对水性木器涂料中压混气喷涂消泡性的研究

 

 

 

0 前 言

水性木器涂料在施工过程中,一般建议采用“薄涂多遍”的施工方法,这是因为水性涂料厚涂时干燥速度慢,硬度上升慢,消泡困难,难以达到很好的施工效果。但在实际生产应用中,为了提高生产效率,又要求水性木器涂料能一次性厚涂,特别是在一些板面要求不是很高的领域,如窗框、门框等表面的涂装,这方面的应用已相当普遍。该领域的特点是采用中压混气喷涂,工艺简单,生产效率高。施工特点是施工黏度高,一次性厚涂达250 μm[1]。在采用该工艺生产时,最难解决的问题之一就是消泡。喷涂时大量的气泡在涂膜干燥过程中无法消除,导致板面出现大量针孔。这也几乎成了水性木器涂料向家具等其他专业领域扩张的一个重要阻力,特别是清漆,其中70%~90%是树脂,这使之消泡比实色漆(含钛白粉及其他粉料)困难得多,而在门窗涂装中,约有2/3是哑光清漆涂装。因此,对水性哑光清漆在中压混气喷涂时消泡性能的深入研究非常有必要。

 

1 泡沫的产生途径

1.1 生产过程中的泡沫

在涂料生产过程中,往往需要高速分散,使各成分混合均匀,因此产生大量的气泡。这些气泡在经过放置之后若还不能破除,就必然会影响到施工时泡沫的消除。在高树脂含量水性木器清漆的生产过程中,黏度高时泡沫就较难消除,且为了满足施工和贮存的需要,黏度就必须不能过低。如采用中压混气喷枪进行施工时,施工黏度一般要在80 K U以上。为了满足这一施工要求,产品的初始黏度至少要在90 K U(30 ℃),以满足夏季高温环境下涂料黏度降低时仍能正常施工或其他施工需要。在90 K U(30 ℃)的黏度时,如果单纯地解决消泡问题,并不困难,但在实际生产过程中,由于还要考虑到施工时立面厚涂流挂问题,就需要改善涂料的触变性,触变性增强,消泡就更困难。因此,在涂料的生产过程中,要在流变和消泡方面做一个较好的平衡。

另一方面,制定合适的生产工艺,也可以大大减少涂料生产时产生的气泡。如在哑光清漆生产时,先把哑光粉做成浆,以避免在树脂中分散哑粉时高速分散而产生的大量气泡;开机搅拌前加入适量抑泡性好的消泡剂;高速分散前将涂料调整到合适的黏度,避免分散液面震荡时将大量空气带入涂料等,这些都可以减少涂料生产时气泡的产生。

 

1.2 施工过程中的泡沫

1.2.1 基材

在木器涂料涂装时,由于木材本身有较多的毛细管,往往要先对基材进行封闭处理。基材封闭处理不好,基材毛细管中的空气就会在涂料施工时逸出,进入涂料湿膜中形成气泡,如泡不能破除,就会形成针孔或火山口。在水性涂料的施工过程中,特别是在全封闭涂装时,由于其施工黏度较高,一次性喷涂较厚,这就使施工时涂料湿膜的消泡变得更加困难。因此,在水性涂料的全封闭涂装时,一般要做1~2道封闭底漆,尽量将基材毛细管中的空气赶出来,否则空气一旦进入后道工序的厚涂层中,形成的气泡将很难消除。

 

1.2.2 喷枪

施工工具也是涂料产生气泡的一个因素。在水性家具涂料的施工中,中涂底漆和面漆都是采用喷涂施工,一般来说,雾化越好,施工时产生气泡的可能性越小。所以在使用空气杯枪喷涂时要比中压混气喷涂的效果好,这主要有两个原因: 一是空气杯枪喷涂时雾化空气压强较大,一般是0.6~0.8 M P a,涂料被雾化后,以较高的速度到达施工物件表面,这样即使有少量的气泡也能在漆液颗粒“撞击”物件表面时破碎,而中压混气喷枪的雾化空气只有0.1~0.2 M P a,其雾化效果比空气枪差,其漆液颗粒达到物件表面的速度也比空气枪低,故施工过程中破泡性就较差。二是空气枪喷涂施工黏度比中压混气喷枪施工时黏度低,这也使空气杯枪施工时漆液的雾化、破泡及后期表干过程中消泡变得容易。

另一方面,施工时喷枪的油量和气量调整也是影响气泡产生的一个重要原因。无论是空气喷枪还是中压混气喷枪,其油量和气量是可以灵活调整的,其调配比例要根据涂料的黏度或被涂物件要达到的施工效果而定。如在半开放涂装的施工时,有时要求喷得“干”一些(油量小,气量大),而在全封闭涂装时,一般要喷得“湿”一些(油量稍大,气量稍小)。一般应在施工前,通过调整油气量使涂料雾化达到最佳状态后施工,以到达最佳的施工效果。

2 影响水性木器涂料消泡的因素

2.1 树脂

在水性高黏度哑光清漆的消泡性实验时,树脂是影响消泡难易的最关键因素。目前,水性木器涂料主要有三大类型,水性聚氨酯类(P U)、水性丙烯酸类(A C)、水性聚氨酯和水性丙烯酸复合类(P U A)[2]。由于合成机理不同,导致三种类型的树脂的消泡难易程度也相差很大。水性P U及P U A类消泡相对容易一些,水性A C类相对困难一些,这是因为前者在合成过程中不用或很少使用乳化剂,因为乳化剂本身是一种表面活性剂,在搅动时容易起泡。但在国内的水性家具涂料市场,由于水性A C类在价格、干燥速度、耐水性等方面有很大的优势,从而得到了较广泛的应用。尤其是核壳聚合乳液,有较低的成膜温度,大大降低了V O C的含量,且在成膜之后有较好的硬度、弹性和抗粘连性,目前已被大量应用于户外木制品表面涂装。在A C类乳液中,乳液合成时乳化剂的种类、合成方法不同,其消泡难度也不同。如阴离子型的乳液体系,粒径较小,易起泡沫[3]。采用无皂聚合、核壳聚合的水性A C乳液比传统的水性A C乳液要好消泡。实验表明,在高黏度哑光清漆的配方设计时,采用核壳聚合的乳液能大大降低生产过程中的消泡难度。

 

2.2 黏度

无论是在涂料的罐内贮存还是在施工之后的表干过程,涂料的黏度越高,消泡就越困难。在实际生产中,为了防沉、防流挂等,总要把涂料控制在一定的黏度范围内。在水性木器类涂料的中压混气喷涂时,就要保证涂料的施工黏度在80 K U或以上,而成品的出厂黏度往往要在90 K U以上,以满足温度升高而引起的黏度变化和施工时加水调整黏度的需要。根据涂料流变性的不同,一般要把涂料的黏度控制在90~120 KU(25 ℃)。

 

2.3 消泡剂

在水性高黏度哑光清漆中,由于其树脂含量高,黏度也较高,消泡比较困难。生产时消泡剂的用量和种类就相对要多,一般要有2~3支消泡剂搭配使用,分别在高速分散前、高速分散时及高速分散后起抑泡、消泡和脱泡的作用。为了使消泡剂和其他助剂能很好地和树脂混合在一起,就必须要高速分散,这将产生大量的气泡。因此,在高速分散之前加入一定量抑泡性较好的消泡剂是非常必要的。水性木器涂料常用消泡剂主要有矿物油和有机硅两大类。前者成本较低、消泡能力较弱,主要由85%载体油和15%的憎水颗粒所组成,憎水颗粒一般用气相二氧化硅、硬脂酸金属盐等,这类消泡剂易出现涂膜发黑现象,可用于光泽不高的腻子、底漆;后者主要为强憎水有机硅的乳液和聚醚改性聚二甲基硅氧烷所组成,对光泽、透明性等没有什么影响,是当前水性木器涂料主要的消泡剂[4]。但也有文章指出[5],某些矿物油改性的消泡剂比有机硅消泡剂效果好。故消泡剂的选取应根据不同树脂,依据实验结果而定。

 

2.4 增稠剂

在水性高黏度哑光清漆的生产中,增稠剂的选择非常重要,这是产品在储存或施工时消泡性好坏的关键。目前,常用的增稠剂有两大类:缔合型和碱溶胀型。前者可提供较好的流平和剪切黏度,后者可提高较好的储存稳定性和防流挂性。在生产中,前者有利于消泡和脱泡,后者则较容易稳泡。但由于前者有较好的流动性,使其在施工时抗污染能力大大降低,因此,为了保持涂料的储存稳定,施工时有较好的防流挂和抗污染能力,水性哑光清漆即使在较高的黏度时有时也要搭配使用一定的碱溶胀型增稠剂。这两类增稠剂都有很多种,如何搭配,需在树脂选定后根据实验结果而定。

 

2.5 消光粉及润湿分散剂

在中压混气喷涂的水性哑光清漆中,一般选择哑光粉作为消光剂,而不选用消光蜡浆。这主要是因为中压混气喷涂对板面的手感要求并不是很高,同时,也考虑到消泡、价格、体系增稠等方面的原

因。使用消光蜡浆(粉)的价格要相对较高,在分散时也很容易产生泡沫,并且难以消除。

当前, 有很多专用于水性体系的消光粉, 如G R A C E的W 3 0 0、W 5 0 0等。还有些消光剂是可以水油通用的,如De g u s s a的T S100等。消光剂的类型或表面处理方法不同,对在不同体系中的分散和润湿有很大影响。如T S100在某些水性A C树脂中细度勉强可分散到40 μm,而在某些水性P U体系中,即使不使用分散剂,细度也很容易分散到25 μm以下,这是因为两种树脂对T S100的润湿程度不同造成的。在高黏度清漆中,消光粉的防沉几乎不用考虑,而对消泡性的影响却变得十分重要。一般,表面经水合处理了的要比没有处理的容易消泡,吸油量小的要比吸油量大的容易消泡。实验表明,选用不同的润湿分散剂,对体系的消泡有很大的影响,分散剂对消光粉的表面润湿越好,越有利于体系的脱泡。

 

2.6 生产工艺的设计和控制

在涂料的生产中,工艺的设计和控制也非常重要。在水性涂料生产中,要使树脂和其他成分均匀混合又尽量少地产生气泡,就需制定合适的生产工艺并对之严格控制。如:在哑光清漆的生产中,一般都是在树脂中加入助剂和消光粉后高速分散至所需细度,在这个过程中,将会产生大量气泡,在黏度较低时,一般这些气泡会在静置24 h后就会消除;但在黏度高、体系触变性强时,这些泡沫再长时间放置也很难消除。这时,把消光粉做成浆后添加,则能有效降低泡沫的产生。另一方面,在添加消泡剂或其他不易分散的助剂时,最好把它们稀释后在分散状态慢慢加入,以尽量降低分散所需的速度和减少分散均匀的时间;一些易起泡的助剂如一些蜡浆等,尽量在后期低速分散过程中加入。

 

3 结 语

水性木器涂料高黏度施工能提高一次性施工厚度,提高生产效率,同时也减少了施工时流挂和产生气泡的可能,但却加大了施工时消泡的难度,大大影响了施工后的板面效果,成为阻碍水性木器涂料向其他应用领域拓展的主要阻力。在水性高黏度清漆的消泡性研究中,树脂和增稠剂的选择最为重要,其次才是消泡剂、消光粉及其它助剂的选择,最后是生产工艺的优化和黏度的调整。一支好的产品不但要有好的物化性能,还要有很好的施工性能,只有二者很好地结合起来,才能展现出优秀的涂装效果,满足消费要求,水性木器涂料的发展才会更加迅速。

 

参考文献

[1] 伍忠岳,叶荣森.水性木器涂料的中压混气喷涂工艺.中国涂料,2007(6):50-51

[2] 伍忠岳.水性木器涂料发展现状及发展思路.上海涂料,2006(11):29-30

[3] 涂伟萍.水性涂料.北京:化学工业出版社,2006:53[4] 黄智勇,卢燕勤. 润湿剂、消泡剂在水性木器涂料中的应用.中国涂料,2006(5):40-41

[5] 朱万章.水性丙烯酸木器涂料的消泡.涂料工业,2003(9):16-17

 

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