高性能单组分水性地板涂料的研制及应用

0 前 言
随着人类对环境及自身健康要求的提高,室内家居装饰材料中有害物质对人体健康产生的危害越来越引起人们的重视[1]。传统的溶剂型地板涂料[2-3](包括单组分潮湿固化和双组分聚氨酯涂料)在生产和施工过程中不可避免地使用大量有机溶剂。其中苯类溶剂、游离甲苯二异氰酸酯(TDI)等有害物质含量超标将严重影响人体健康。虽然,目前环保型的水性双组分聚氨酯地板涂料[4-5]以优异的丰满度、耐磨、耐化学性及硬度高等特点,使其在性能上完全可媲美溶剂型地板涂料,但由于成本高昂、施工繁琐等问题严重制约了水性双组分聚氨酯的普及和推广。因此,为迎合市场需求,亟需开发一款绿色环保、成本低廉、施工简单的单组分水性聚氨酯地板涂料。在本试验中,考虑到实际应用中地板用面漆对于耐磨、耐刮、耐冲击,耐黑鞋印等性能的要求较高,而水性聚氨酯的耐磨性、低温柔韧性等性能较为突出[6],故分别选用了一种植物油改性自交联水性聚氨酯乳液,一种聚氨酯改性丙烯酸乳液,同时选用另外一种自交联丙烯酸乳液作为参照。其中植物油改性自交联水性聚氨酯乳液[7]由于具有较长的疏水性脂肪酸链段,可以赋予涂膜较好的耐水性。而且所含羟基的官能度大于2,可以使聚氨酯形成交联网状结构,增强机械强度。同时含有不饱和双键,可在空气中继续氧化交联,进一步提升性能[8-9]。

1 试验部分
1.1 原材料
乳液A;乳液B;乳液C;去离子水;助溶剂,丙二醇;成膜助剂,DPM;消泡剂1,BYK 093;表面活性剂1,BYK 340;表面活性剂2,BYK349;流平剂,BYK301;消泡剂2,BYK 011;增稠剂,RM-8W;防滑剂,MICHELMAN 43-040蜡乳液;紫外光稳定剂,CIBA Tinuvin 5151。
1.2 测试方法
待涂膜干燥后,于恒温恒湿实验室保养7 d,严格按照各标准进行测试。
固含量:见标准GB/T 1725-2007,双组分仅检测主剂。
附着力:参考标准GB/T 9286-1998,划格间距为2mm。评判等级:5-最好,1-最差。
光泽:见标准GB/T 9754-2007。
表干:见标准GB/T 1728-1979(乙法)。
硬干:见标准GB/T 1728-1979(甲法)。
铅笔硬度:见标准GB/T 6739-2006,所用铅笔为中华101绘图铅笔。
耐冲击性:见标准 GB/T 20642.2-2006。
耐干热:见标准GB /T 4893.3-2005,温度为70℃,时间为15 min。
耐磨性:见标准GB/T 1768-2006,所用砂轮为CS-10。
耐黄变:见标准GB/T 23987-2009,UVA340,持续光照168 h。
抗粘连:见标准GB/T 23982-2009,砝码质量为500 g,直径为70 mm。
耐碱:见标准 GB/T 4893.1-2005。
耐醇性:见标准GB/T 4893.1-2005。
耐醋:见标准GB/T 4893.1-2005,所用产品为江苏恒顺醋业股份有限公司生产。
耐茶:见标准GB/T 4893.1-2005,所用产品为立顿绿茶。
耐冷水:见标准GB/T 4893.1-2005。
耐沸水:见标准GB/T 4893.1-2005。
耐乙醇:见标准GB/T 4893.1-2005。
抗划伤性:用大拇指指甲刮擦,观察被划过的涂膜表面是否有印痕。
耐黑鞋印:实验室自制仪器,见图1,底部摩擦端为常见鞋跟材质,直径为17 mm,载重为9.8 N。按每秒钟一个循环的速率在样品上来回往复50个循环,然后观察表面是否有变色、磨砂,或涂膜是否被破坏,分别按如下等级进行评级:
5——涂膜表面无变化;
4——轻微失光;
3——轻微磨砂;
2——严重磨砂;
1——涂膜表面结构被破坏。


2 结果与讨论
我们选择了3支乳液,分别为乳液A、乳液B、乳液C,作为成膜物质进行测试。3支乳液各自性能如表1所示。

将上述3支乳液按照表2所示的配方,分别测试其性能。
表2 水性单组分地板涂料配方


从表3可以看出,配方1的涂膜硬度好,且具有很好的抗划伤性、耐化学性及耐冲击性,其中耐黑鞋印和耐98%浓度的乙醇在GB23999-2009未作要求,但鉴于实际应用的需要和对产品品质的高要求,我们分别进行了测试,结果如表3所示,乳液A的这两项性能相当突出,唯一不足的是耐磨性稍差;而配方2的涂膜硬度较低,其他性能也明显低于配方1,但耐磨性优异;配方3的涂膜性能介于配方1和配方2之间。由于乳液A耐磨性不足,而乳液B耐磨性优异,因此我们尝试将乳液A和乳液B进行复配,分别按照m(乳液A)∶m(乳液B)=95∶5,90∶10,80∶20,60∶40,4个比例调整耐磨性和硬度,调整配方见表4。
表4 水性单组分地板涂料调整配方

2.1 乳液B对配方耐磨性的影响
按照表4的配方分别测定涂膜磨损量,并根据乳液B占总乳液的质量分数-涂膜磨损量绘制曲线,结果见图2。

从图2可以看出随着乳液B含量的增加,涂膜磨损量逐渐降低,当乳液B占总乳液质量分数从5%增加到10%时,涂膜磨损量从30 mg降低到22 mg。当乳液B占总乳液质量分数为40%时,涂膜磨损量为13mg。由此可见加入乳液B能明显提高涂膜耐磨性。
2.2 乳液B对配方硬度的影响
按照表4的配方,分别测定涂膜硬度,并根据乳液B占总乳液质量分数-涂膜硬度绘制曲线,结果见图3。

从图3可以看出提高乳液B含量,涂膜硬度明显降低,当乳液B占总乳液质量分数从5%增加到10%时,涂膜硬度从5(HB)降低到4(B),继续提高乳液B含量,涂膜硬度进一步降低,当乳液B占总乳液质量分数为40%时,涂膜硬度为1(4B)。
从上述图2和图3可以看出,当m(乳液A)∶m(乳液B)=90∶10,涂膜硬度和耐磨性达到最优,因此我们将配方5作为优选配方,做进一步的应用测试。

3 性能对比
将配方5性能与产品1(市售某单组分水性地板涂料产品)和产品2(市售某双组分水性地板涂料产品)对比,结果见表5。从表5可以看出,配方5产品涂膜综合性能明显好于某市售单组分水性地板涂料。而且干速、抗划伤性、耐98%乙醇、耐黑鞋印也优于市售某双组分水性地板涂料产品。

4 施 工
本产品配方不含三苯,不含游离TDI ,低VOC ,对人体和环境无害。具有施工易流平、附着力强、耐撞击、耐磨、耐黑鞋印、耐划伤、耐水、耐溶剂、耐污等特性,且具有良好的保护功能及装饰效果,适用于各类木器地板表面涂饰,施工方式可采用刷涂或喷涂。可单独或配套水性木器透明底漆使用,施工前应打磨底材,头道漆可轻微打磨去毛刺,此后,层间无需打磨。温度低于5 ℃或相对湿度大于80%,不建议施工。为不影响干燥,建议薄涂多道施工,参考施工涂布量≤150 g/m2。

5 结 语
将乳液A和乳液B按照90∶10的比例复配,制得的涂膜除具有优异的耐黑鞋印、抗冲击、抗划伤、耐化学性等性能外,还具有较好的硬度和耐磨性,综合了两支乳液的优点。同时配方中添加的防滑蜡乳液,使得涂膜具有更好的防滑性能,而紫外光稳定剂又能明显提高涂膜的耐黄变性。配方5产品性能完全可以和水性双组分地板涂料性能媲美,且免去了双组分地板涂料施工的繁琐和活化期等问题,大大降低了成本。各项性能均能通过或高于GB23999-2009中对A类地板用面漆的各项要求,具有广阔的市场前景。

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