高光泽水性聚氨酯及水性木器涂料的研制

0 前 言
木器涂料从溶剂型向水性发展,是技术创新的必然,也顺应了涂料向节能、环保、健康发展的方向。2008年,市场上对水性木器涂料的呼声也越来越强烈。
目前水性木器涂料常见的树脂有以下类型:①醇酸树脂,其润湿渗透性好,干燥较慢,抗粘连性差,由于它自身的稳定性能限制了它的应用。②丙烯酸树脂,保光、保色性好,耐候性优异,尤其是含自交联基团的核壳结构的乳液,硬度高,抗粘连性好,有的还具有良好的抗化学性能,是目前水性木器涂料的主要树脂。它的主要缺点是偏脆性。③聚氨酯树脂(P U D),良好的低温成膜性和低温施工性能,它改变了丙烯酸乳液热黏冷脆的缺点,具有非常优秀的机械性能,亮而且透明。缺点是价格高昂。④聚氨酯-丙烯酸复合乳液(P U A或A P U),综合聚氨酯和丙烯酸的优点,同时也降低了成本。
以上这几类水性树脂中,水性醇酸和水性聚氨酯的光泽较高,较好的可以达到90%以上,但很少有95%以上的,而丙烯酸树脂与P U A或A P U一般都只能达到80%~90%。而溶剂型涂料高光清面漆的光泽一般都能达到95%以上,所以我们尝试研制一种高光泽的水性木器树脂及涂料。

1 高光泽水性聚氨酯的研制
1.1 试验部分
1.1.1 原材料
T D I(三井化学)、I P D I(德固萨)、M D I(亨斯曼)、聚醚220、苯酐聚酯多元醇、聚己二酸丁二醇(分子量2 000)、聚己内酯二醇PCL2000、聚四氢呋喃聚醚PTMEG2000、聚碳酸酯二醇PCDL2000、二聚酸二醇、甲基丙二醇、丁二醇、新戊二醇、丙二醇、乙二胺、二乙烯三胺、甲基戊二胺、N M P、DMF、丙酮、三乙氨、消泡剂。
1.1.2 合成工艺

将聚合物多元醇、扩链剂、溶剂、交联剂、亲水基团按顺序加入反应器中。缓慢加入异氰酸酯,加完后,缓慢升温至60~80 ℃,回流反应3 h。降温至50 ℃以下,在反应器中加入中和氨。在分散容器中,加入软水,降温至30 ℃以下,在高速分散的情况下,将反应器内物料加入分散釜中。慢慢加入胺扩链剂。高速分散40 m i n。降低分散速度至100r/min,加入消泡剂,分散10 min。将物料加入脱溶剂容器中。真空减压脱除溶剂。过滤,出料。

1.1.3 测试
针对用于水性木器涂料的技术要求,按H G/T 3828-2006《室内用水性木器涂料》和H J/T201-2005《环境标志产品技术要求 水性涂料》检测。光泽:按G B/T 9754《色漆和清漆 不含金属颜料的色漆漆膜之20˚、60˚和85˚镜面光泽的测定》。
透明度:在玻璃板上,制备100 μ m湿膜,常温干燥,目测。
干燥时间:按GB/T 1728-1989表干中乙法和实干中甲法规定测定。
耐水性:按GB/T 4893. 1-2005规定进行。
耐乙醇性:测试及结果评定方法同常温耐水性,试液为50%(体积分数)的乙醇溶液,试验时间为1 h,试验后放置1 h后观察。

1.2 结果与讨论
1.2.1 硬段类型对光泽的影响
试验了TDI、MDI、IPDI等3种材料,在其他条件物质的量比相同的条件下,分别试验出3种异氰酸酯类型的PUD的光泽,结果见图1。
从图1可以看出,T D I、M D I的光泽相对较高,这是由于含苯类化合物的折光指数大,其光泽度高,T D I和M DI中含有苯环,而MDI相对苯环含量更大一些,所以MDI的光泽最高,而IPDI光泽较差。


1.2.2 软段类型对光泽的影响
试验了几种水性木器涂料常用的软段组分:聚醚2 2 0 、二聚酸类的3 1 9 4 、聚碳酸酯二醇的PCDL2000、聚己内酯二醇PCL 2000、聚己二酸丁二醇2000、苯酐聚酯多元醇、蓖麻油等几种。由于完全使用苯酐聚酯多元醇或蓖麻油合成的PUD比较困难,采用添加一部分该物质去改性,我们选择用其来改性聚己二酸丁二醇2000。结果见图2。

从图2可以看出由蓖麻油改性的光泽最好,而且涂膜特别透明;苯酐聚酯多元醇改性的其次,这都是因为他们中间含有大量的双键,折光指数较大,其他几种原材料相对较低。蓖麻油改性的量对光泽的
影响见图3。

从图3可以看出,蓖麻油中的双键类链段,折光指数大,蓖麻油加入量越高,光泽就越高。

1.2.3 软硬段比例对光泽的影响
试验了不同n(—N C O)/n(—O H)值对光泽的影响(采用聚己二酸丁二醇2000作为软段,T D I作为硬段),结果见图4。


从图4可以看出,随着n(—N C O)/n(—O H)值的增大,光泽度提高。从结构上分析可知,随着n(—N C O)/n(—O H)值的增加,刚性链段(氨基甲酸酯键和脲键等)增加,而TDI的量的增加,使链段中的苯类含量增加,光泽度就越高。

1.2.4 亲水基团用量对光泽的影响(见图5)

从图5看出,DMPA量越大,粒径就很细,造成涂膜的平滑度越高,其反射角方向的反射越强,光泽度越高。但亲水成分的增加会使耐水性能下降。所以要综合平衡其用量。

1.2.5 扩链剂对光泽的影响(见图6)

从图6看出,在扩链剂中,含甲基类的光泽比较高,而胺类扩链剂比醇类扩链剂光泽高。还有溶剂的类型、溶剂的量、乳化剂的使用,都会对光泽产生影响。
1.2.6 按水性木器涂料行业标准调整配方,达到行业标准要求
通过调整配方,采用T D I和M D I作为硬段,以聚己二酸丁二醇为软段,用苯酐聚酯多元醇和蓖麻油改性,用甲基丙二醇和甲基戊二胺为扩链剂合成的水性聚氨酯,最终的光泽达到99.6%。

2 高光水性木器涂料的研制
2.1 配方试验
2.1.1 原材料
水性聚氨酯(自制);成膜助剂;润湿流平剂;消泡剂;增稠剂。

2.1.2 工艺
用200目滤网过滤加入水性聚氨酯,取另外一个干净容器,将润湿流平剂、成膜助剂、消泡剂混合在容器内,并且搅拌至完全均匀的状态下,将分散机调至400~500 r/min,以缓慢速度加入,分散10 min以上。取样品,刮玻璃板,检测涂膜外观是否缩孔,确认分散均匀后,加入增稠剂,搅拌30 min,静置30 min后,取适量样品,加去离子水10%稀释施工刷涂检测外观是否缩孔。如果缩孔,分散直至外观无缩孔为止,然后进行成品检测。选用400目滤网过滤。出料。

2.2 结果与讨论
2.2.1 润湿剂的选择
润湿剂针对传统的非离子或阴离子表面活性剂类、氟碳聚合物类、改性聚硅氧烷类和碳氢化合物类几种润湿剂。润湿剂对光泽的影响见图7。

从图7看出,改性有机硅与体系相容性好,光泽最高。

2.2.2 消泡剂的选择
针对矿物油类、有机硅和疏水粒子类、碳氢化合物类几种消泡剂。消泡剂对光泽的影响见图8。

由图8可知,对本树脂体系光泽影响最小的为碳氢化合物类。

2.2.3 增稠剂的选择
针对纤维素类、丙烯酸碱溶胀类型、聚氨酯缔合型等几类。增稠剂对光泽的影响见图9。

由图9可知,对本树脂体系光泽影响最小的为聚氨酯缔合型增稠剂。

2.2.4 其他助剂
由于自制的水性聚氨酯光泽较高,如果添加其他的蜡乳液、表面助剂等并不能提高光泽。所以不选用。
还有水性木器涂料的流平性、黏度、p H值等都会对光泽有一定的影响。
以上各种助剂都是选择一种具有代表性的品种试验的结果,但在水性涂料中体系的相容性对光泽的影响非常大。

2.3 检测结果
配制的水性木器涂料(按行业标准中装修用面漆C标准)检测结果见表1。


3 结 语
采用T D I作为硬段,以聚己二酸丁二醇为软段,用苯酐聚酯多元醇和蓖麻油改性,用甲基丙二醇和甲基戊二胺为扩链剂,可以合成出高光泽水性聚氨酯树脂。经过筛选润湿剂、消泡剂、增稠剂,最终配制的水性木器涂料光泽为96%,其他性能均达到了水性木器涂料行业标准要求和环境技术要求。

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