如何提高单组分水性木器漆硬度及耐划伤性

0 引 言
涂膜硬度反映的是涂层抵抗外来材料的压陷、刮擦和渗透的能力,涂膜硬度是涂层的一个最重要的物理性能[ 1 ]。耐划伤性是指涂膜表面抵抗外来材料在力的作用下在其表面作相对移动时而被划伤的能力。涂膜耐划伤性不仅与涂膜的硬度有关,也与涂膜的韧性有关。近年来,单组分水性木器涂料因其较低的VOC含量正在逐步取代溶剂型涂料作为木质制品的保护涂层,由于以水为溶剂且使用简便,在D IY木器涂料市场以及工业木器涂料市场已得到越来越多的应用。传统的以水性丙烯酸乳液( PA) 、水性聚氨酯分散体( PUD) 、丙烯酸酯改性聚氨酯( PUA)为成膜物质的单组分水性木器漆在上述市场已被广泛采用[ 2 ]。不过,涂膜硬度、耐划伤性、抗粘连性的不足是上述产品普遍存在的问题,影响和阻碍了水性单组分木器涂料的进一步推广。为此,本研究对影响单组分水性木器涂料硬度、耐划伤性的诸多因素进行了初步分析和探讨。

1 实验部分
111 原料及仪器
丙烯酸酯乳液:纽佩斯树脂(苏州)有限公司;水性聚氨酯分散体:广州顶光化工有限公司; 成膜助剂十二醇酯( Texanol) :伊士曼(上海)化工商业有限公司;DPnB、TPnB、DPM:尤尼威尔化学品(上海)有限公司;去离子水:自制; H140 湿润剂:深圳海川科技有限公司;蜡乳液:上海荣权化工有限公司;SN – 5040分散剂:深圳海川科技有限公司; TSW – 100W:广东佛山添一化学材料有限公司;耐划伤助剂:上海众达贸易发展有限公司;增稠剂:上海劲辉化工有限公司;防腐剂:上海众达贸易发展有限公司; BYK024消泡剂:上海玳权化工有限公司。QHQ – A便携式铅笔法硬度计:天津森日达实验仪器有限公司; QHZ 涂膜划痕实验仪: 天津市材料试验机厂;QTG75 – 600涂膜涂布器、QSJ高速分散机:天津市建仪试验仪器厂。单组分水性木器半亚清面漆的基本配方组成见表1。
表1 单组分水性木器半亚清面漆配方

  在表1配方中水性树脂采用水性丙烯酸乳液和水性聚氨酯分散体复配进行研究,是因为单一的水性丙烯酸乳液或水性聚氨酯分散体不能满足水性木器漆对涂膜的综合性能要求。

112 单组分水性半亚木器清漆的制备
先将丙烯酸乳液和水性聚氨酯分散体投入制漆缸,在搅拌状态下加入成膜助剂,将BYK024消泡剂用去离于水稀释后慢速加入漆中,然后依次投入润湿剂、分散剂、TSW – 100W消光剂、耐划伤助剂、手感蜡液,高速分散(2 500 r/min)直到在细度板上刮板无油缩现象。然后用增稠剂调整黏度,合格后加入防腐剂搅匀,过滤,包装。

113 样板的制作
按HG/T3828—2006中的613试验样板的制备中的方法制备样板。在玻璃板(200 mm ×100 mm ×4 mm)上用漆膜涂布器刮涂一道100μm的湿涂膜。放置7 d后测试硬度。

114 涂膜硬度、耐划伤性及耐干热性能测试
按照GB /T 6739—1996使用涂膜便携式铅笔硬度计测试涂层的铅笔硬度。
按照GB /T 9279—1988使用涂膜划痕实验仪测试涂膜耐划针划透性能。
按照GB /T 4893—2005规定测定涂膜的耐干热性能。

2 结果与讨论
211 不同成膜物质配比对涂膜性能的影响
  丙烯酸乳液和水性聚氨酯分散体的混合比例对水性木器漆涂膜性能的影响见表2。
表2 不同成膜物质配比对涂膜性能的影响

 从表2可以看出,随着水性聚氨酯分散体用量的增加,硬度提高,但增加到一定程度后,硬度又下降。这是因为聚氨酯漆膜具有一定的弹性和韧性,当用量过大时,涂膜弹性增加,表现为硬度下降。

212 成膜助剂对硬度的影响
成膜助剂对硬度的影响见表3。
表3 不同成膜助剂对涂膜硬度影响

 注:成膜助剂的添加量为PUA的914%;涂膜硬度为48 h后涂膜的硬度。
从表3可以看出,用不同的成膜助剂,涂膜在相同的时间内(48 h) ,以二丙二醇丁醚作成膜助剂的涂膜硬度最高。这是由成膜助剂的挥发和扩散速度快慢决定的。
213 蜡乳液添加量对涂膜性能的影响
  蜡乳液对水性木器漆涂层硬度和耐划伤性的影响见表4。
表4 蜡乳液的添加量对涂层性能的影响

 注:涂覆7 d后测铅笔硬度和耐划伤性。
  从表4可以看出,涂层的硬度随着蜡乳液添加量的增加先轻微增加,然后下降,而耐伤性能随蜡液添加量的增加而增加,这是因为在蜡乳液中含有30% ~50%玻璃化温度较低的乳液,其对涂层硬度有一定的影响。

3 正交实验
为优化水性木器半亚清漆配方,提高水性木器漆涂膜性能,对配方中影响涂膜硬度、耐划伤性的因素进行正交实验。

311 正交试验设计的测试结果
实验证明,将水性丙烯酸酯乳液与水性聚氨酯分散体按一定比例冷拼,把水性丙烯酸树脂的快干、耐光、耐候性和水性聚氨酯分散体的韧性、低温成膜性能等优点结合起来,可以改善热塑性丙烯酸树脂热黏冷脆的毛病,使其涂层具有硬、韧的特点,从而提高涂层的硬度和耐划伤性能。本研究采用脂肪族水性聚氨酯分散体,是因为其与水性丙烯酸酯乳液有较好的相容性,且其有着较好的耐热水性能。另外有机硅耐划伤助剂和水性乳化蜡的添加也会改善涂膜的表面摩擦系数,改进涂层表面的硬度和耐划伤性。因此设计了正交实验,本实验选择L9 (34 )正交表(表5所示)在水性树脂总量不变的基础上,改变水性丙烯酸酯树脂和水性聚氨酯分散体的质量比(A) ,不同成膜助剂(B) ,蜡乳液的添加量(C) ,耐划伤助剂(D)作为实验因子,以涂层铅笔硬度作为实验指标。

 注:为了分析实验结果,且将H定为数据1.0, F定为0.7, HB 定为0.5,B定为0.3, 2B定为0.1。
从表5可以得到如下结论: (1)当在水性丙烯酸酯乳液中拼入部分水性聚氨酯分散体时,硬度有所提高,但继续增加水性聚氨酯的量,硬度反而有所下降,当其比例为61 ∶25时,效果最好; (2)当采用DPnB (二丙二醇丁醚)做成膜助剂时,硬度上升得最快; (3)当乳化蜡的添加量为3%时,效果较好; ( 4)当耐划伤助剂的量为013%时, 硬度最好。综合考虑以A2B1C2D3最好。
在此正交实验中,诸因素对涂膜硬度的影响是有主有次的,这个主次关系可以用极差来表达,由表5最后一行,A (基料比) 、B (成膜助剂) 、C (蜡乳液用量) 、D (耐划伤助剂的用量) 4 个因素极差分布为0.100 0、0.366 7、0.233 3、0.366 7。
由此可将它们对涂膜硬度的影响排序为D (耐划伤助剂用量) 、B (成膜助剂) 、C (蜡乳液用量) 、A (基料比) 。

312 配方调整
通过以上实验,单组分水性半亚清面漆的配方调整如表6所示。
表6 调整后的单组分水性半亚清面漆的配方

用表6配方制成的单组分水性木器漆,其涂膜硬度可达H (25 ℃, 45 h)左右,耐划伤性很好,完全能够满足消费者对水性木器漆涂膜硬度及耐划伤性能的要求。在水性木器漆配方的设计中,助剂的添加量在能满足涂料在生产、贮存和施工性能方面的要求条件下,应尽量少加。配方中的分散剂、增稠剂、成膜助剂等这些助剂残留在涂膜中最终会影响到涂膜的硬度。另外在此配方中用了1.3%的二丙二醇甲醚做成膜助剂,是因为其在水中分配系数较大,较亲水,停留在乳胶粒子和水相的界面上,促进乳胶粒子的早期融合成膜,而二丙二醇丁醚在水相中的分配系数小,停留在乳胶粒子的核中间,可促进乳胶粒子的后期形成连续致密的涂膜,且前者的挥发速度较快,可以调节湿膜的干燥速度,提高涂膜的早期硬度。所以采用了2种成膜助剂。H140系水性涂料用低泡沫的流动促进剂和基材润湿剂,能有效降低水性体系的表面张力,显著改善基材润湿性和流动性,消除由表面张力造成的涂膜缺陷,对形成平整、光滑的涂膜,避免涂膜缩孔、缩边现象的形成有很大的帮助(一般木材的表面张力为40 mN /m左右,而水的表面张力为72 mN /m) [ 3 ]。另外配方中选用了在水性体系中较易分散的消光剂TSW – 100W,其表面没有经过蜡处理,在水性体系中易分散。SN – 5040在水性涂料中对消光粉分散效果较好,能有效降低涂料的黏度,对促进湿漆膜的流平有帮助,且其加量小,对涂膜最终硬度影响较小。

313 单组分水性木器漆漆膜硬度与时间的关系
一般水性木器漆在施工后,其涂膜的硬度随着时间的延长而上升,具体情况如表7所示。
表7 干燥时间对涂膜硬度的影响

 注:温度25 ℃,相对湿度55%。
  表7显示了室温下单组分水性涂料涂膜铅笔硬度的与干燥时间的关系。涂膜的硬度随干燥时间的延长而逐渐增大,通常涂装后7 d基本接近最终硬度,以后的硬度上升趋势不大。可见水性木器漆的硬度及其他性能测试在7 d后进行测试为好。

4 结 语
影响单组分水性木器漆硬度和耐划伤性能的因素很多,水性树脂的选择和搭配、成膜助剂的品种、耐划伤助剂和蜡乳液的添加量、分散剂、增稠剂的用量、湿漆膜的厚度、施工时的环境湿度和温度等因素都会影响到水性木器漆涂膜的最终硬度的展现。但最主要的因素是水性树脂的种类、成膜助剂及耐划伤助剂的选择。

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