UV固化聚丙烯酸系水性木器涂料的合成与性能

0 前 言
近年来,随着环境保护问题的日益严重,尤其是目前家庭装修方面的健康问题越来越受到人们的重视,因此目前涂料工业正向着水性化方向发展[1-2],尤其是木器涂料。在木器涂料当中,光固化涂料以其节能、高效等优点而广受关注。但是传统的水性光固化涂料不但价格高,而且生产工艺复杂。为了克服这一问题,本课题组通过研究发现了一种双烯单体,用这种双烯单体可直接合成水性光固化涂料,因此工艺十分简便,而且不饱和双键在聚合物分子中的分布比较均匀,涂膜达到表干后即可进行光固化,且其涂膜性能优良。

1 试验部分
1.1 双烯单体制备不饱和乳液
将去离子水和乳化剂按比例加入到带有搅拌桨、温度计、恒压滴液漏斗和冷凝管的四口瓶中,在搅拌和通氮气的条件下升温至80 ℃。待温度恒定时,将含有c i s -A E O E A的混合单体用滴液漏斗滴加,
同时滴加引发剂溶液,控制滴加时间3 h,滴完再保温3 h,之后可降温出料,将残渣过滤之后保存备用。

1.2 光固化乳液的制备
将上步中制备的不饱和丙烯酸乳液与一定比例的光引发剂混合,待光引发剂分散均匀之后即可出料,将残渣过滤之后即可制得丙烯酸光固化乳液。

2 结果与讨论
2.1 双烯单体cis-AEOEA的分子结构及分子特性根据本课题组的研究结果, 双烯单体c i s -A E O E A是一种给电子能力较弱的化合物,其分子结构见图1。

在c i s -A E O E A中同时含有C=C和-C O O H两类功能性基团,其中C=C双键中的C14=C15双键用于聚合,而C4=C5双键则被保留并可用于进一步的光固化。而且,C4=C5双键的聚合活性还受共聚单体给电子能力的控制。当其与给电子单体共聚时,将使C4=C5双键被活化;在其他情况下,该双键将被保留在聚合物中,从而形成具有均匀双键分布的不饱和聚合物。

2.2 双烯单体cis-AEOEA用量对乳液聚合稳定性的影响
双烯单体c i s -A E O E A用量的增加可提高聚合物的不饱和度,但是因为c i s -A E O E A中羧基的存在,所以当c i s -A E O E A的用量太高时会对乳液聚合的稳定性产生不利影响。图2给出了c i s -A E O E A用量对聚合物乳液的粒径及其多分散指数(PolydispersityIndex, PdI)的影响。从图2可以看出,随着c i s -A E O E A的质量分数从5%增加到26%,乳胶粒子的粒径先上升然后下降。而当c i s -A E O E A的用量小于20%时,乳胶粒子的粒径增长较缓慢;但当c i s -A E O E A的用量继续增大时,乳胶粒子的粒径增长较快;当c i s -A E O E A的用量再继续增加时,乳胶粒子的粒径有所降低。对于乳胶粒子粒径的多分散指数来说,其变化规律是随着c i s -A E O E A用量的增加,多分散系数先稳定后急剧上升。因此,cis -AEOEA的用量不宜超过20%。

2.3 曝光时间对涂膜固化性能的影响
将c i s -A E O E A所制备的不饱和乳液与光引发剂共混,即可制得光固化乳液。这种光固化乳液涂膜在不同UV曝光时间下的FTIR谱图见图3。

从图3可以看出,在U V曝光之前,在1 639 c m-1处存在着C4=C5双键的特征吸收峰(p e a k 1);而随着U V曝光时间的延长,c i s – A E O E A中C 4= C 5在1 639 c m-1处的特征吸收峰(p e a k 1)逐渐减弱,并最终消失。因此,c i s -A E O E A可用于制备光固化乳液,并且在光引发剂的作用下,该光固化乳液的涂膜经UV曝光后可发生光交联反应。
2.4 光引发剂用量对曝光后涂膜凝胶含量的影响
对于光固化体系来说,光引发剂的浓度不但影响着固化速度和交联程度,而且还影响着乳胶膜的最终性能。图4考察了光引发剂用量对涂膜曝光后的不溶物含量的影响。所用光引发剂为D a r o u r 1173,曝光时间是30 s。

从图4可以看出,随着光引发剂用量的增加,乳胶膜在U V曝光后的凝胶含量先升后降。这是因为当光引发剂用量较少时,反应主要以光交联为主;而当光引发剂用量过多时,表层的过量光引发剂将大量吸收U V光的辐射,因此导致底层涂膜的固化程度降低;而且,过剩的光引发剂一方面会导致涂膜的降解,另一方面由于残留而会导致不溶物含量相对减少。因此最适宜的光引发剂用量在1.2%左右。
2.5 双烯单体c i s -A E O EA用量对涂膜交联硬度的影响
对于光固化体系来说,体系中不饱和双键的含量对涂膜的交联度有重要影响。因此c i s -A E O E A的用量将对涂膜曝光后的性能有重要影响。图5给出了在不同曝光时间下c i s -A E O E A的用量与曝光后涂膜的膜硬度的关系。从图5可以看出,随着曝光时间的增加,涂膜的硬度也逐渐增加。而且,c i s -A E O E A的用量越大,这种增加的趋势也越明显。因此,增加c i s -A E O E A的用量有利于涂膜交联硬度的提高。

2.6 共聚单体的软硬配比对涂膜交联硬度的影响
在不饱和乳液的制备过程中,共聚单体的种类不但可影响不饱和乳液中树脂的不饱和程度,而且还决定着基体树脂的玻璃化转变温度。这两者都对涂膜曝光后的性能有着重要影响。根据前文的分析结构,本工作在不饱和乳液的合成中选用了M M A和B A这两种给电子能力较弱的单体参与共聚以保证c i s -A E O E A中C4=C5双键的保留量,从而重点考察软硬单体的配比对涂膜交联硬度的影响。曝光次数对涂膜硬度的影响见图6。

从图6可以看出,随着曝光时间的延长,涂膜交联硬度都逐渐升高,而且随着共聚时硬单体M M A用量的增加,涂膜的交联硬度显著增加。因此提高硬单体用量有利于提高涂膜交联硬度。
2.7 双烯单体所制备的水性丙烯酸光固化乳液的应用
本工作对使用双烯单体制备的光固化乳液在木器上的应用进行了研究。表1给出了其作为木器涂料的综合性能指标。

从表1的综合性能指标中可以看出,使用双烯单体所制备的水性光固化涂料具有优良的综合性能,涂膜不但装饰性高,而且物理性能优良,完全符合木器涂料的要求。更重要的是,使用双烯单体制备水性光固化乳液的工艺十分简单,无需复杂的制备过程。

3 结 论
双烯单体c i s -A E O E A可用于家具、地板等木器的涂装,其不但生产工艺简单,而且涂膜性能优良,具有良好的装饰与保护性能。

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