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水性木器漆增稠剂的刷涂性能及涂膜性能探讨 冯钦1,2，傅建龙1 (1．华南理工大学 化学科学学院，广东 广州 510640；2．广东嘉宝莉化工有限公司，广东 江门 529085) 目前国内装饰装修材料中涂料部分主要用的还是溶剂型涂料，如聚氨酯漆和硝基漆。其中含有相当一部分溶剂，在干燥过程中，会完全挥发。这些溶剂给环境造成了污染，影响了涂料施工者或家具使用者的身体健康。随着人们环保意识的增强，对溶剂型涂料的限制逐步严格。许多国家出台了相应的法律。如我国在2005 年8 月正式实施的GB18581(室内装饰装修材料溶剂型木器漆有害物质限量)标准对重金属含量以及溶剂挥发量作了明确的规定[1]。近几年，水性涂料发展非常迅速。目前欧洲，美国，加拿大等发达国家，水性木器涂料已经占据整个木器涂料市场的10 %；在欧洲国家，水性色漆和透明罩面的用量已占40 %。在北欧，水性漆在木地板的应用已经达到地板涂料的80 %，水性UV 涂料的使用非常普遍[2]。 在国内，水性涂料也得到了飞速发展。特别是在装修市场，由于对漆膜的性能如硬度，丰满度等要求相对较低，加上人们环保意识的增强，水性漆的市场越来越大。家庭装修时，由于施工场所及施工条件的限制，一般采用刷涂的方式。为了达到良好的漆膜效果，要求漆膜光泽均匀，无明显刷涂痕迹。相对于溶剂型涂料中的树脂，水性涂料是以水作为主要溶剂，如水性清漆树脂固含大约30 %，其余60 %～70 %为水和助溶剂。水的表面张力很高，为72×10-3 N·m-1，对底材的润湿性能相对比较差，刷涂时容易产生明显的刷痕[3]。由于水性涂料的溶剂结构以及成膜过程与溶剂型涂料有很大的差异，在设计配方时，需要考虑许多不同的因素。文章选用的树脂为嘉宝莉化工自己生产的自交联聚氨酯乳液，从实验出发，从多个角度来分析水性木器涂料施工和性能的影响因素。 1 实验部分 1.1 实验原材料 实验用原材料见表1。 表1 实验用原材料  1.2 实验步骤 1.2.1 实验基本配方 表2 实验配方  两组水性清漆配方：配方11、配方12 和配方13 是采用纤维素增稠剂和聚氨酯增稠剂的体系，通过调整纤维素增稠剂的用量来检测性能的变化；配方21、配方22 和配方23 是采用丙烯酸增稠剂和聚氨酯增稠剂的体系，通过调整丙烯酸增稠剂的用量来检测性能的变化。 1.2.2 水性清漆制作工艺 用电子天平称量聚氨酯丙烯酸共聚物分散体于分散机中，调节分散机的速度至550～650 r/min，预分散15 min，然后在搅拌状态下加入去离子水、乙二醇丁醚、增稠剂、润湿剂和分散剂，搅拌10 min；调高分散机转速至2200～2400 r/min，分散40～50 min，要求分散后的细度小于35 μm；然后降低分散速度至550～650 r/min，依次加入蜡液，防腐剂，流平剂和消泡剂，配方2 中还加入氨水；最后用160 目的滤布过滤，得到所需要的清漆。 1.2.3 水性清漆漆膜的制作 采用刷涂的方式涂刷在涂料水性底漆的木板上，检测刷涂性能、光泽、丰满度等漆膜性能。采用喷涂的方式直接将水性面漆涂覆在玻璃板上以及马口铁板上。在玻璃板上检测耐磨性和耐水性，在马口铁上检测附着力，硬度和柔韧性。 1.3 性能检测 水性木器清漆的施工性能以及漆膜性能见表3。 表3 不同配方的施工性能和漆膜性能  2 结果与讨论 2.1 流变助剂的特性以及对刷涂性能的影响 2.1.1 流变助剂的作用 流变助剂在水性木器漆中是非常重要的组成部分，它可以提供防沉作用，尤其适用于含有粉料如填充剂或者消光粉体系。另外一个作用是改变施工状态，如防止辊涂时出现飞溅，立面刷涂时出现流挂。同时流变助剂对刷子的痕迹以及刷涂时的手感有明显的影响。 2.1.2 流变助剂的分类及其特性 用于水性木器涂料的流变助剂分为四大类：无机增稠剂类、纤维素增稠剂类、聚丙烯酸类、聚氨酯类。根据增稠剂与乳胶粒子的作用关系可以分为缔合型和非缔合型[4]。无机增稠剂对光泽以及透明度的影响比较大，对表面活性剂比较敏感，主要应用在色漆和结构颜料工业[5]。纤维素增稠剂主要包括羟甲基纤维素、羟乙基纤维素和羟丙基纤维素，具有增稠效率高，相容性好，稳定性高，防止流挂性能强等优点。纤维素增稠剂也有较多明显的缺陷：可能影响流平性能，容易造成刷痕，容易引起飞溅[6]，另外对涂料光泽有一定影响。丙烯酸类增稠剂为阴离子型，该类增稠剂含有离子，其耐水性和耐碱性比较差[7-8]。而耐水性，耐醇性是家具漆的重要指标，在化工行业标准里有明确要求[9]。因而丙烯酸类增稠剂的应用受到限制。聚氨酯增稠剂具有良好的流平性能，不易产生飞溅，不影响涂膜的光泽，甚至可增加光泽[4]，具有良好的耐水性，耐划伤性能及生物稳定性。通过以上分析，只有聚氨酯类增稠剂是用于水性木器漆的最佳选择。 2.1.3 水性涂料的流变状态 水性涂料在不同时期，如在贮存、运输以及施工等情况，所承受的剪切速率有差别。同时不同的施工方式，涂料所受的剪切速率也有较大的差异。如流平和流挂的剪切速率在0.01～0.1 s-1，刷涂的剪切速率在1000～10000 s-1，辊涂的剪切速率在10000～100000 s-1，喷涂的剪切速率在100000～1000000 s-1 [10]。在设计涂料配方时应当全面衡量涂料的流变状态，以便获得良好的贮存性能和施工性能，刷涂时有良好的手感、流平好。 2.1.4 流变助剂的组合与涂料施工和性能的关系 由于流变助剂的选择以及不同流变助剂搭配的比例和用量不同，所设计的水性涂料的流变状态会有很大差别。如图1 所示，通常会有三种情况：第一种是流变曲线基本水平，如曲线1 和曲线2，也就是随着剪切速率的增大，涂料的粘度变化不大。这种情况通常出现在单纯用某些聚氨酯类增稠剂。对于含有一定粉料的体系，加入的增稠剂较多时，如曲线1，在较低剪切速率时，涂料体系的粘度也不高，为了达到比较好的放沉效果，需增加增稠剂用量。另一方面，由于在高剪切速率时，涂料的粘度仍然比较高，要达到合适的施工粘度，需要加大稀释用水的用量。这样会降低成膜的有效成分，漆膜的丰满度和光泽都会下降。如果减少增稠剂的用量，如曲线2，施工时有效成分可以提高，得到较好的漆膜效果。但是在低剪切速率时，如在贮存阶段，涂料有可能出现沉淀。曲线1 和曲线2 的配方设计是不科学的。同样曲线4 的配方体系也存在问题，在低剪切速率时，涂料的粘度比较高，能够有很好的放沉效果。在高剪切速率时涂料的粘度变得很低，此时刷涂手感很差，厚度和流平性能难以保证。曲线3 所代表的涂料的流变状态比较理想。低剪切速率时的粘度比较高，高剪切速率时的粘度正好在合适的刷涂粘度区域。  2.2 增稠剂的组合与涂料性能的关系 2.2.1 增稠剂的组合与涂料防沉性能 比较配方11，12 和13，当增稠剂639 的用量不够时，如配方11，在低剪切速率时涂料的粘度比较低，贮存阶段容易出现沉淀，如图1 中的曲线2 所示。同样在配方21，22，23 中，由于增稠剂1130 的用量不够，如配方21，贮存阶段也容易出现沉淀。这种情况下需要增加增稠剂的用量，只要调整流变曲线至曲线3 的状态。低剪切速率下流变助剂用量的确定，一般通过热贮存和常温贮存试验确定。 2.2.2 增稠剂的组合与涂料刷涂性能 增稠剂用量的变化会引起刷涂性能的变化。对于纤维素增稠剂，用量较少时，刷痕较少，漆膜平整光滑，如配方11 和12，当纤维素增稠剂用量增加到一定程度时，刷痕比较明显，如配方12。问题的出现类似如图1 的曲线4，由于纤维素增稠剂过多，导致涂料的在施工剪切力消失后粘度回复过快，影响漆膜流平。但对于丙烯酸类增稠剂，用量的变化对漆膜的刷痕影响不明显，这与增稠剂的特性有关。选择纤维素增稠剂时，应该选择中等粘度的纤维素增稠剂，同时控制用量，这样既可以满足低剪切速率时的防沉要求，又可以保证良好的刷涂效果。 2.2.3 增稠剂的组合与涂料耐水性能 耐水性能是对家具涂膜的一项重要指标。从配方21，22 和23 可以看出，随着丙烯酸类增稠剂1130 增加时，其涂膜的耐水性能明显变差，这与丙烯酸类增稠剂含有离子，对电解质含量敏感有关。而含有纤维素类增稠剂的配方11，12 和13，其耐水性不受增稠剂639 变化的影响。同时也发现，使用纤维素类增稠剂漆膜表干比较快，对漆膜硬度增加，但是对漆膜的丰满度有一定负面影响，这与这类增稠剂本身的分子量比较大以及分子结构有关。而使用丙烯酸类增稠剂对漆膜丰满度和光泽都没有明显影响，因为丙烯酸类增稠剂分子量相对比较小，对漆膜性能影响不明显。 3 结论 水性木器漆采用不同增稠助剂搭配可以得到良好的刷涂性能，采用不同的助剂搭配会影响漆膜的性能。采用纤维素增稠剂与聚氨酯增稠剂时，影响漆膜的丰满度，但不影响漆膜的耐水性，而采用丙烯酸增稠剂聚氨酯和增稠剂时，不影响漆膜的丰满度，但是对漆膜的耐水性有影响。由于家具的日常使用经常会与水接触，对耐水性要求比较高，应该采用纤维素增稠剂与聚氨酯增稠剂配合方式。水性涂料用于家庭装修是社会发展的趋势。在设计水性涂料配方时，需要根据不同的涂料体系，选择合适的流变助剂，优化不同流变助剂的组合，以达到良好的流变状态以及刷涂性能。同时也要注意搭配其它的改型助剂，如流平剂，消泡剂和蜡液，以获得最佳的漆膜效果，满足家庭使用的需要。 |
