水性醇酸面漆的制备

水性醇酸面漆的制备

王志杰 赵其中 时海峰 曹 菁 (上海涂料有限公司技术中心,200062)

醇酸树脂由于其低相对分子质量,显示出优异的成膜性,遂使最终涂膜具有极高的光泽,且由于其易施工和与空气交联的特性,以及其通用性而得到广泛应用。随着人们环保意识的增强,限制VOC(挥发性有机化合物)排放量的法律法规的制定,以及石油能源的紧张,使我国的涂料行业向环保化和集约化方向发展。由于水性涂料的可行性、成本和环境的可接受性等原因,使其在整个涂料工业中的地位越来越重要[1]。将醇酸树脂水性化,并制备环保型水性工业涂料已经受到颇多的关注[2-4]。本文采用自制的磺酸盐基水性醇酸树脂,制备成光泽度高、装饰性好的水性醇酸工业面漆,并对影响面漆性能的多种因素进行了探讨。

1 实验部分
1.1 主要原材料
水性醇酸树脂(75%,自制)、钛白粉(R595,杜邦公司)、炭黑(N-220,山东奥纳化工有限公司)、催干剂Octa-Soligen 421(10%,OMG 公司)、润湿分散剂(BYK-190,毕克公司)、消泡剂(Foamex 810,迪高公司)、流平剂(BYK-333,毕克公司)、增稠剂(RM-8W,罗门哈斯公司)、pH 值调节剂(氨水,25%)、流平剂(RM-2020,罗门哈斯公司)。中铬黄、氧化铁红、大红粉、酞菁蓝,均由山东东营利丰化工公司提供。
1.2 实验仪器和设备
主要实验仪器和设备见表1。

1.3 水性醇酸面漆配方
水性醇酸面漆配方见表2。

1.4 水性醇酸面漆制备工艺
1.4.1 研磨色浆阶段
(1) 在分散釜中加入配方量的乙二醇丁醚和去离子水,在搅拌情况下慢慢加入配方量的一部分水性醇酸树脂,使之稀释。然后加入pH 值调节剂,调整pH 值为7~8;
(2) 在搅拌情况下,慢慢加入配方量的消泡剂、水性催干剂和分散剂;
(3) 在搅拌情况下,慢慢加入配方量的颜填料,然后用砂磨机进行研磨,直至细度小于20 μm;
(4) 达到要求细度后,放出色浆,用经计量的去离子水分3 次冲洗砂磨釜,并将该部分冲洗水用于后面的配漆中。

1.4.2 混合阶段
(1) 在调漆釜中加入配方量的乙二醇丁醚和去离子水(包括研磨色浆阶段的冲洗水),在搅拌情况下慢慢加入配方量剩余部分的水性醇酸树脂,使之稀释。然后加入pH 值调节剂,调整pH 值为7~8;
(2) 在搅拌情况下,慢慢加入配方量的消泡剂、流平剂和增稠剂等助剂;
(3) 在搅拌情况下,慢慢加入第1 步色浆。
(4) 检测pH 值,用pH 值调节剂调整pH 值为7~8,可加适量的去离子水调节黏度;
(5) 用80~120 目的滤网过滤,即得到水性醇酸面漆。

1.5 水性醇酸面漆性能指标
按国家涂料标准测试水性醇酸面漆的性能:细度按GB 6753.1;固体含量按GB 1725—89;干燥时间按GB 1728—89;光泽按GB 9754;柔韧性按GB/T1731—93;耐冲击性按GB 1732—79;铅笔硬度按GB6739—96;附着力按GB 1720—79;杯突试验按GB/T9753—88;耐水性按GB 1733—93;耐人工老化按GB1865。水性醇酸面漆的性能指标见表3。


2 结果与讨论
2.1 自制水性醇酸树脂的特性
自制的水性醇酸树脂具有以下优点:(1)树脂中带有磺酸盐基团。该磺酸盐基团较羧酸盐基团有更好的水溶性,只需很少的添加量就能使树脂具有很好的水稀释性;(2)树脂合成结束后,并不需马上用水稀释,而是用助溶剂将其稀释成75%的固含量。在这样的体系中,树脂不与水直接接触,提高了树脂的贮存稳定性和耐水解性。同时,由于其固含量高,可节约罐装和运输的成本;(3)由于树脂是靠较少量的磺酸盐基而具有水稀释性,可使树脂的酸值降得很低,且不需要用胺(或氨)中和,漆膜的耐水性好;(4)树脂具有很好的机械稳定性,制漆时可用水直接稀释,且
可与颜料直接砂磨,减少分散剂的用量,进一步提高漆膜的耐水性。
2.2 水性催干剂的选择
自干型水性醇酸面漆体系中必须加入催干剂,以促进其氧化交联。目前使用的典型催干剂为溶剂型,可溶于芳烃或脂肪烃,在水中很难分散,因此可采用提前加入助溶剂中,然后再分散到水中的方法。即使如此,也难以得到快干、高光泽的良好涂膜。笔者采用了OMG 公司提供的Octa-Soligen 421 催干剂。该催干剂是紫色透明液体,由多种高活性金属催干剂复配而成。它在水性醇酸树脂中有很好的相容性和稳定性,不会导致漆膜黄变。在低温(<13℃)和高湿度(相对湿度> 80%)下也有很好的干燥性能。Octa-Soligen421 的推荐用量为4%~6%(按树脂用量计)。
2.3 pH 值调节剂的选择
该水性醇酸涂料中添加pH 值调节剂,主要用于防止水性醇酸涂料体系由于添加不同颜料和助剂导致体系pH 值的变化,保持水性醇酸涂料体系的酸碱平衡。一般来说,水性醇酸涂料的pH 值控制在7.5~8.5较好。pH 值调节剂不同,能明显影响水性醇酸涂料的贮存稳定性、黏度、干燥速度及漆膜的泛黄性,因此选择pH 值调节剂十分重要。通常,选择pH 值调节剂时应综合考虑以下几个因素:(1)挥发性好;(2)价格便宜,气味小;(3)对体系的稳定性好。试验中选用氨水(25%)、三乙胺、AMP-95 及N,N- 二甲基乙醇胺作为pH 值调节剂,对漆膜性能进行了考察,结果如表4 所示。从表4 可以看出:氨水的挥发速度快,漆膜干燥性能优良;三乙胺的挥发较氨水慢,且原料毒性较大;AMP-95 和N,N- 二甲基乙醇胺气味小,毒性小,但漆膜干燥较慢。通过筛选,氨水(25%)具有最佳的综合性能。
表4 各种pH值调节剂在水性醇酸面漆中的使用效果

2.4 助溶剂的选择
助溶剂的作用是调节涂料体系的黏度,提高涂料的稳定性,改善涂膜的流平性和外观。实验表明,助溶剂的加入对涂料性能及涂膜性能的影响都很大。助溶剂的选择主要由以下几个因素而定:(1)与水的混溶性;(2)气味;(3)挥发速度等。选用溶解性较强、挥发性较快的醇醚类助溶剂可使体系的稳定性达到最佳,涂膜的干燥速度、光泽、丰满度等性能也达到最佳。考虑到助溶剂的来源、价格及毒性,采用环保型的乙二醇单丁醚作为助溶剂,助溶效果好,用量少,其它各项性能也达到预定要求。
2.5 其他助剂的选择
助剂在涂料体系中用量虽小,但其作用却非常显著。由于水性涂料体系表面张力较大,非常容易出现回缩、火山口、针孔、流平性较差等多种漆膜缺陷。因此,助剂的选择及用量确定尤为重要。水性体系常用的助剂包括流平剂、润湿分散剂、消泡剂及增稠剂。需要注意的是任何一个助剂品种都不是万能的,需要针对特定的体系进行筛选。笔者通过实验筛选确定:润湿分散剂用BYK-190;消泡剂用Tego Foamex 810;流平剂用BYK-333 和RM-2020;增稠剂用RM-8W。

3 结语
以自制的磺酸盐基水性醇酸树脂为基料制备的自干型水性醇酸面漆与现有水性醇酸面漆相比,具有以下优点:(1)贮存稳定性好。(2)耐水性好。树脂中亲水基团(磺酸盐基团)少,树脂的酸值较低,使该漆具有很好的耐水性;树脂的机械稳定性好,可以与颜填料直接砂磨,减少润湿分散剂的用量,进一步提高了漆膜的耐水性。(3)使用安全方便。该自干型水性醇酸面漆以水为稀释剂,不含苯类等有害溶剂,所用的颜填料均不含有害的铅或铬化合物,没有燃烧、爆炸、中毒和污染环境的危险,安全环保。(4)可采用刷涂、喷涂、浸涂等多种方法施工,应用前景广阔。本自干型水性醇酸面漆的各项性能指标均已达到或超过溶剂型醇酸漆的水平,完全可以取代溶剂型醇酸面漆。

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