水性木器涂料的研制

1 前言
由于地球环境不断恶化, 国际社会对产品环保要求愈加严格, 我国也不断出台了一些相关环保法规来限制室内装饰装修材料中有害物质的排放, 因此, 无溶剂涂料、粉末涂料、水性涂料也渐渐成为未来涂料市场主要发展方向。水性木器涂料因以水代替溶剂,大大降低了VOC的排放, 从而渐渐受到广大消费者的青睐。本文以丙烯酸单体和甲苯二异氰酸酯( TD I)为主要原料合成适合于木器用聚氨酯丙烯酸( PUA ) 乳液, 并通过润湿剂、成膜助剂、消泡剂、增稠剂等助剂对涂料状态、施工性能和其成膜性能影响, 得到了综合性能优良的水性木器涂料。

2 实验部分
2. 1 聚氨酯丙烯酸乳液合成
在搅拌下将甲苯二异氰酸酯( TD I)、聚醚加入反应烧瓶中, 加热到80ºc , 保温1h进行预聚, 然后分别加入1、4- 丁二醇和二羟基丙烯酸进行扩链反应, 得到亲水聚氨酯预聚体。降低温度到45 ºc , 加入甲基丙烯酸甲酯、甲基丙烯酸丁酯、二甲基乙醇胺、N – 甲基吡咯烷酮搅拌均匀, 在高速分散下加入去离子水和乙二胺, 加热到60ºc 开始滴加偶氰二异丁氰的丙酮溶液, 反应时间2. 5h, 105ºc保温0. 5h, 反应完成后蒸出其中多余溶剂,加入氨水, 调节pH 值8~ 9, 冷却出料, 得到我们需要的聚氨酯丙烯酸乳液。

2. 2 水性木器涂料配制
2. 2. 1 原材料及规格
水性木器涂料用原材料及规格见表1。
表1 水性木器涂料用原材料及规格

2. 2. 2 实验步骤
将PUA 乳液放入高速分散机, 逐步加入润湿剂、消泡剂、成膜助剂进行分散混合( 1~1. 5) h, 用增稠剂调节至合适的施工粘度, 检测性能指标, 合格后过滤, 得到我们所需产品。

3 结果与讨论
3. 1 成膜助剂的选择
成膜助剂是降低乳液最低成膜温度(MFT )的助剂, MFT 是乳液粒子能形成一张完整、连续的涂膜最低温度, 所以是乳液涂料重要性质。如果成膜助剂选用不当就会造成成膜困难、涂膜失光, 更有甚者会影响到后期的储存稳定性。
常用成膜助剂为醇酯类和醇醚类, 它们代表性成膜助剂分别是十二碳酯醇和乙二醇丁醚。它们加入量和我们合成PUA 乳液最低成膜温度见表2。
表2 成膜助剂用量与低温成膜情况

由表2 可看出, 成膜助剂用量在大于3% (质量比)以上时, 该乳液在4ºc 具有较好成膜性能。由于多元醇醚类成膜助剂表面张力低, 挥发过程中其表面张力变化不大, 有利于涂膜良好表面形成, 我们选用乙二醇丁醚作为该配方中成膜助剂。
3. 2 润湿剂的选择
水性木器涂料在施工过程中涉及涂料对木质基材润湿问题, 而且润湿剂对涂膜的外观、光泽和消泡效果都有很大的影响。如果润湿剂选用的不合适, 涂膜则会出现刷痕重、桔皮、缩孔和有难以消除的气泡等缺陷, 严重地影响涂膜质量, 从而给产品带来负面影响。试验中使用的润湿剂有BYK- 346、F- 385和F- 386三种, 加入量分别为0. 4% , 结果见表3。

由表3 结果可以看出BYK – 346、F -386性能接近、从成本考虑我们选择F- 386。

3. 3 消泡剂的选择
水性涂料在生产和施工过程会产生大量气泡, 当这些气泡不能及时消除就会产生缩孔、针眼、起泡不消等缺陷, 并且如果消泡剂和乳液, 其他助剂搭配不当, 在以后的储存过程中消泡效率会下降, 从而影响产品质量的稳定性, 试验所用消泡剂品种有: BYK – 037、F104、F- 1620, 结果见表4.
表4 不同消泡剂施工性能对比表

由表4可见, F- 1620综合性能最好, 我们选择F- 1620作为该体系消泡剂。

3. 4 增稠剂的选择
针对水性木器涂料清漆而言, 其主要成分为液体, 添加增稠剂的目的是达到适当粘度以利于施工, 所以增稠剂选择集中在有机增稠剂, 有机增稠剂包括纤维素类、碱溶涨型和聚氨酯缔合型。纤维素类增稠剂是因为其分子中含有大量羟基, 溶于水后与水分子形成氢键, 成为立体网状结构, 从而产生增稠效果; 碱溶型增稠剂是增稠剂在碱性体系下, 其分子结构中羟基在静电排斥作用下使得高分子结构聚合物定向排列, 流动性降低, 整个体系粘度提高,在高剪切情况下其粘度迅速降低; 聚氨酯缔合型增稠剂具有亲水端和疏水端, 在体系中形成疏水端与聚合物在内, 亲水端在外胶束,形成立体网状结构, 在高剪切情况下具有较高粘度, 由于根据其不同特点, 经过试验选用碱溶涨型DR – 2 和聚氨酯缔合型SN – 612为体系增稠剂, 取得较好增稠效果。

3. 5 其它助剂选择
作为完整涂料体系, 涂料储存稳定性能也是考虑的问题, 例如杀菌、防霉、体系pH值、防冻等都需要加入相应助剂以确保体系稳定。

4 水性木器涂料配方的确定及涂膜性能检测
4. 1 配方的确定
经过上述条件试验, 最终确定了该PUA乳液的水性木器涂料基本配方, 见表5。

4. 2 性能检测
根据表5配方, 按照涂料生产工艺配漆,制板, 涂膜性能如表6所示。

从表6结果可以看到, 该涂料综合性能较好, 除一般性能外, 水浸不泛白, 对溶剂有一定的耐受性, 耐污渍性较好, 冻融稳定性好等, 完全可以满足一般木器涂料装修的要求。优异的冻融稳定性保证了冬季运输和贮存的安全, 这些水性木器涂料经常碰到的重要问题得到了很好的解决。

5 结论
以本研究制取PUA 乳液为基料, 并配以合适的助剂制备而成的水性木器涂料综合性能优良, 在无特殊要求情况下, 该水性木器涂料完全可以用于木器家具使用。在基本配方的基础上可制成清漆和不同光泽的哑光漆,也可制成各种色漆。

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