脂肪族PU/PA 有色水性UV木器漆配方设计与性能调节

0 引言
      近年来,水性木器漆的市场发展取得了较大的进展,但普通水性木器漆由于其自身的性能缺陷,多在家装行业应用,家具行业的办公台、商用木门、板式家具及木地板等木器行业用的普通水性丙烯酸类、水性聚氨酯类木器涂料较传统溶剂型涂料而言仍有一些缺点和不足,如干燥慢、硬度低、抗粘连差等,与普通水性漆相比,脂肪族PU/PA水性UV 体系涂膜性能具有硬度高、柔韧性好、耐磨性好、光泽高、耐化学性优良、耐黄变等优点,并与传统UV 漆性能上不差上下,某些方面性能更优。普通UV 类涂料含有有机稀释剂,存在刺激性气味,固化过程中有时也会由于漆膜收缩而引起漆膜开裂、附着力下降,而水性UV 体系则以廉价水作稀释剂,不会引起漆膜收缩开裂和附着力不良,无刺激性气味,还宜于薄膜化涂装,施工方法可选择性也比普通UV 好,所以水性UV 木器漆是家具涂装的一个优势选择。由于UV 固化是在紫外光照射下完成,在固化有色涂料体系时,由于颜、填料对紫外光的吸收、阻挡和反射,存在光线难于到达底层,涂料不容易固化完全的问题,UV 色漆的固化国内文献虽有一些研究工作[1-2]但笔者接触到的感觉还很少,更难见到其实际的应用。对木器行业来说,除了透明体系外,实色和底着色占相当大比例,而此前水性UV 涂料在有色体系的应用上开展的工作较少。故本文在有色水性UV 树脂选择、光引发剂选择、配方设计、性能、施工工艺等方面进行探讨,以期引起同行的关注,共同促进有色水性UV 涂料的应用与发展。

1 配方的设计思路、配方实例、生产工艺及性能
1.1 配方设计思路
水性UV 木器漆是以水为分散介质的水分散体系,由于水的表面张力比较高,达72 mN/m,是一般有机溶剂的2~3倍,由于这种特殊性,在配方设计时,需要从原料的选择、搭配上达到合理的平衡,降低体系表面张力,使涂料体系稳定、成膜性好,能够完全润湿底材、具有可控的填充性,可迅速流平,不影响干燥时间。另外还要考虑涂料的成本合理性。针对木器贴面板等底材的涂装特点,实色漆及透明底着色全封闭/半封闭的不同要求,需设计封闭型、渗透型、固化速度适中的水性UV 木器底、面漆配方,以适应不同的辊涂、淋涂、喷涂工艺。

1.2 白色水性UV木器漆参考配方
白色水性UV木器漆参考配方见表1。
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1.3 生产工艺
将树脂加入搅拌缸中,PU40W 增稠剂先用去离子水溶解,搅拌中加入,依次加入Foamex822、Surfynol 104、BYK348 高速搅拌分散,依次加入钛白浆、滑石粉、碳酸钙、纳米碳酸钙、哑粉,中速搅拌,加入DPM、Darocur2959、Irgacure819DW、多吖丙啶溶解,加入PU40W 调节黏度,加入AMP95 调节pH 值,测试各项性能,合格后过滤包装。

1.4 产品性能
涂料基本性能测试结果见表2。
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2 结果与讨论
2.1 树脂选择
水性UV 体系发展至今树脂体系已发展到第四代,就木器涂装应用上可选品种也很多,本研究优先选择了新一代离子基自乳化型水性UV 树脂体系,其中研究最多、应用最成熟的当属脂肪族PU/PA 水性UV 体系,其各方面综合性能最好。根据树脂特点及木器漆对底、面漆性能的不同要求,可在不同供应商的树脂中选择。本文主要选用了4 种脂肪族PU/PA 水分散体:LUX338、LUX308(Alberdingk)、NeoRad R-440、NeoRad R-441(DSM)进行对比试验,几种树脂基本技术指标如表3。
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木器施工底材多种多样,为了保证底漆在中纤板、夹板上的附着力,不产生开裂、附着不良等漆膜弊病,树脂选用中等交联密度的类型;实木、贴皮底材全封闭/半封闭工艺则选用粒径小、渗透性好、有一定封闭作用的树脂,如:LUX285、NeoRad R-440;对木地板、办公台,其面漆要求硬度高、耐磨,耐化学性好,则选用了较高交联密度、相对分子质量中等的树脂,如:LUX308、NeoRad R-441。

2.2 光引发剂的选择
不同UV 引发剂的吸收峰和范围是不一样的,对于有色涂料体系,体系中颜料和填料会对紫外光造成强烈的吸收和反射。但由于光的衍射作用,越靠近可见光(400 nm)的紫外光越容易穿透有色涂料体系,因此UV 引发剂的吸收峰和范围越靠近可见光越有助于其在有色体系中深层引发,而UV 引发剂的最大吸收波长较短、吸收范围较窄的只能用于面引发或浅层引发。用于水性UV 体系的光引发剂必须具有与水性环境一定的相容性及低的挥发性,一般来说含离子基团者较好。本文选择了Darocur2959、Irgacure819DW、Irgacure184等几种典型光引发剂进行比较筛选,几种光引发剂的吸收峰和最大吸收波长的比较如表4。
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其中Darocur2959 和Irgacure184 吸收波长较Irgacure819DW 短,吸收中波长紫外光,是紫外光固化涂料的主引发剂,Irgacure819DW 是可用于有色体系的光引发剂,配合Darocur2959 或Irgacure184 实现有色体系UV涂料固化。本文试验配方中白色底、面漆均使用了复合光引发剂。

2.3 配方中助剂的选择
为了提高UV 木器漆的润湿流平性、底漆渗透性,配方中选用了较强的润湿剂品种Surfynol 104、流平剂BYK348,而且用量也较高,由于体系的起泡性不是很强烈,消泡剂Foamex822 是一较弱的品种,相容性好,不起油窝。面漆配方中使用了纳米助剂(纳米碳酸钙),有利于面漆提高硬度、耐磨性,对后期抗紫外性老化有作用。多吖丙啶是加入的后固化交联剂,水性UV 涂料中由于含有羧基,其在光固化后仍然会存在于干膜涂层中,对涂层性能产生负面影响,多吖丙啶可在光固化之后进一步与羧基反应交联,起到后固化作用。

2.4 水性有色UV木器漆的固化
水性UV 涂料在施工之后湿膜干燥方法有自然干燥、加热烘干、高速气干、红外辐射干燥、微波干燥等方法,其中自然干燥影响工业漆生产效率,一般不采用。木制底材是吸收性底材,高速气干、红外辐射、微波干燥等方法是较佳的选择。推荐采用中波/短波的红外干燥和微波干燥,由于是吸收性底材,无需将水除干净,所以红外5 min 左右可达到水性UV 的湿膜干燥,可进行下步固化操作,这对工业涂装是一个高效率的干燥、固化工艺。湿膜除水干燥后,涂膜可进行下道工序紫外光辐射固化,水性透明UV 涂料固化一般采用中压汞灯固化,水性有色UV 涂料则需要增加镓灯深层固化,经过实验摸索,最后选择的固化工艺是一次镓灯120 W/cm 后,加一次(镓灯﹢汞灯)120 W/cm。固化效果理想,达到最终漆膜要求性能。

2.5 水性有色UV木器漆的施工
水性有色UV 木器漆使用水作稀释剂,并采用UV 辐射固化,相对于普通水性漆干燥迅速,相对于普通UV 漆黏度可调,适于喷涂、辊涂、淋涂等施工方法,设备易于清洗,特别适合流水线施工。
本文论及的有色水性UV 体系可以在透明底漆中调入水性色精进行实木、贴面板木器家具的底着色开放式/半封闭/全封闭涂装,实色(如白色)的半封闭、封闭式涂装。对于流水线生产,更能发挥水性UV 漆的综合效能,根据产品性能特点,配合客户设计了合理的水性UV 生产线[3]。

实色水性UV 木器涂装生产线流程图如图1。
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湿膜干燥目前较多采用中短波红外辐射干燥,业内近年探讨较多的还有微波干燥[4],笔者前期也做了一些试验,初步认为也是可行的。

3 结语
水性UV 技术的发展越来越成熟,水性UV 木器漆用于有色体系的尝试是成功的,它可以拓宽水性UV 在木器行业的应用,笔者经过长期的研究认为,有色水性UV 木器漆用于办公台、木门等行业可以显示其无比的优越性,无毒无味,干燥迅速、性能优越。

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