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浅谈水性木器漆的配方设计 引言 传统的木器漆通常为溶剂型漆, 从早期的酚醛漆、醇酸漆、硝基漆到目前用量最大的聚氨醋漆, 都含有大量的挥发性有机溶剂, 在涂料的生产和使用过程中释放出大量有害的有机化合物VOC。随着各国环保法规对VOC的限制及对环保的重视, 溶剂型木器漆受到前所未有的挑战, 水性木器漆应运而生, 并成为众多科研单位及涂料生产企业迫逐的热点。水性木器漆以水为主要稀释剂, 有别于传统的溶剂型木器漆, 其配方体系是一个非常复杂的体系,除了要正确选择树脂外, 还需要对诸多助剂进行合理选择和匹配, 才能获得性能比较满意的涂料。本文针对目前市场上常用的木器透明面漆, 谈谈水性木器漆的配方设计思路。 树脂的选择助剂的选择 目前已成功应用于单组分水性木器漆的树脂,主要类型有水性醇酸、丙烯酸乳液、水性聚氨醋分散体及水性丙烯酸聚氨醋分散体。水性醇酸树脂流平性好、丰满度高, 但干燥慢, 涂膜的硬度较低、耐候性差。丙烯酸乳液具有快干, 耐光、耐候性优异等特点, 但传统的丙烯酸乳液成膜后, 耐水性、抗回粘性及柔韧性较差, 采用新型的聚合技术, 如核壳、无皂乳液聚合等可改善其性能, 由于丙烯酸乳液价格相对较低, 目前在市场上仍倍受关注, 广泛用于木器的装饰底漆及面漆的制备。采用水性聚氨醋树脂制备的水性木器漆具有低温成膜性好、流平性好、丰满度高、耐磨、手感好、抗化学品及抗回粘性优等特点, 但由于其价格较高, 通常用于制备高档的水性木漆面漆。丙烯酸改性聚氨醋乳液, 不但具有丙烯酸树脂的耐候性、对颜料的润湿性等特点, 还具有聚氨醋树脂的高附着力、耐磨、抗化学品性及柔韧性等特点。 选择丙烯酸乳液和聚氨醋分散体物理混合来制备水性木器漆, 必须考虑两者的相容性, 且低温成膜性并无明显改善。采用核一壳聚合技术合成的水性丙烯酸聚氨醋分散体, 不但兼具丙烯酸和聚氨醋树脂的特点, 降低了成本, 而且低温成膜性好, 含量低, 是配制环保型水性木器漆的首选树脂之一。 各种类型的树脂性能和价格各不相同, 实际生产时应根据水性木器漆的应用场合和使用要求, 选择合适的树脂, 以取得性能和价格间的平衡。 2.助剂的选择 溶剂型木器漆中易出现的缺陷和弊病在水性木器漆中同样会出现。由于水性木器漆以水为分散介质, 在施工应用中容易产生各种弊病, 这就使水性木器漆中助剂的选择和匹配尤为重要。水性木器漆中常用的助剂有助溶剂、润湿流平剂、消泡剂、增滑剂、消光剂、增稠剂等。 2.1助溶剂 水性木器漆的助溶剂通常为一些高沸点的有机溶剂, 其主要作用是帮助成膜、防冻及延长涂膜的开放时间以利于流平。水性聚氨醋树脂尽管低温成膜性很好, 但在夏季由于水分挥发快, 涂料很快干结成膜, 影响施工性及涂膜的外观。加入高沸点、挥发慢的助溶剂可以适当延缓漆膜的千燥速度, 延长漆膜的开放时间, 改善涂料的施工性和涂膜外观, 同时可防止涂料表面结皮。水性木器漆选用的丙烯酸乳液一般几值比较高, 在常温下不能成膜, 必须加人成膜助剂帮助其成膜。所以应根据树脂的种类、施工条件等因素合理选择助溶剂的种类和用量, 一常用的助溶剂有乙二醇丁醚、丙二醇苯醚、醇酯一12、二丙二醇甲醚、丙二醇、N一甲基毗咯烷酮等。乙二醇丁醚溶于水, 加人体系中不易与乳胶粒子接触, 对材最低成膜温度降低有限, 而且添加不当, 容易产生絮凝, 但乙二醇丁醚对基材有一定的润湿作用, 在不影响体系稳定性的情况下, 可酌情选用。丙二醇苯醚直接加人时, 容易发生絮凝, 需用醇类溶剂稀释, 但其有利于降低乳液的成膜温度。醇醋一与各类树脂体系的相容性好, 不容易产生絮凝, 毒性较低, 成膜效果好, 用量少, 在乳胶漆中已广泛使用,在水性木器漆中也同样适用。进行配方设计时, 应根据选用树脂的种类选择合适的成膜助剂品种和用量。通常成膜助剂的加量为树脂固体质量的3-10%。润湿流平剂水性木器漆中含有大量的水, 只有少量的有机溶剂, 涂料体系的表面张力大, 对基材的润湿性差,另外一些助剂, 如消泡剂、增滑剂等的使用, 使得涂料对基材的润湿性进一步变差, 容易产生缩孔, 因而必须加人润湿流平剂加以改善。润湿流平剂能有效降低体系的表面张力, 改善涂料对基材的润湿性和渗透性, 提高附着力, 并能促进消泡剂、增滑剂和树脂体系的相容性, 从而避免产生缩孔。由于润湿流平剂的自身活性, 在降低体系表面张力的同时也具有起泡和稳泡的作用, 所以应尽可能选择润湿性好而低起泡性的润湿流平剂。润湿流平剂的种类有阴离子型表面活性剂、非离子型表面活性剂、聚醚改性聚硅氧烷类等, 其中阴离子和非离子型表面活性剂的价格较低, 而有机硅类润湿剂的价格较高, 但其润湿效果、抗起泡性、抗缩孔性较好。润湿流平剂的种类和用量应根据水性木器漆中树脂的表面张力对基材润湿和铺展能力、基材的界面张力、消泡剂的种类和用量等因素确定, 另外还应考察其对涂膜的耐水性、光泽等性能的影响, 常见的润湿流平剂有 消泡剂 水性木器漆用树脂常含有表面活性剂或具有表面活性利的特性, 因此容易产生气泡, 而生产过程中的高速分散和搅拌及施工过程中的喷刷等操作也会促使气泡产生此外润湿剂的使用也有助于气泡的产生。由于气泡的产生, 使生产操作困难, 也使设备的利用率不足而影响产量, 装罐时因存在气泡而需多次罐装施工中漆膜残留下的气泡, 更影响木器漆的装饰效果和使用耐久性, 因此正确选用水性木器漆中的消泡剂十分重要。消泡剂的作用机理是通过润湿渗透到由表面活性物质所形成的薄层中, 在薄层中扩散造成泡沫表面张力不平衡而破泡, 因此消泡剂必须与涂料体系有一定的不相容性, 如果消泡剂与体系完全相容, 那么, 它就不能很好地渗透到薄层中去, 消泡效果不会理想反之如果相容性太差, 虽然可以达到消泡的目的, 却可能引起其他表面缺陷, 如缩孔等。常用的消泡剂有矿物油类、有机硅类、有机极性化合物类。矿物油类消泡剂在乳胶漆中已广泛使用, 消泡效果不甚理想, 但价格较为便宜。该类消泡剂所含矿物油在漆膜干燥时易浮至表面, 导致漆膜表面发乌。矿物油类消泡剂中一般均含有疏水颗粒, 会影响漆膜的光泽, 因此在高光漆中一般不适用, 在哑光漆中可以选用。 有机硅类消泡剂的消泡效果比较好, 但价格较高。在选用有机硅类消泡剂时也应考虑其是否含有疏水颗粒及与体系的混容性, 含有疏水颗粒或与体系的混容性差, 肯定会影响光泽, 不能用于高光漆。迭择消泡剂时, 一般通过效能试验、施工试验及贮存稳定性试验来综合评价。消泡剂的效能试验主要考察消泡剂的抑泡性、消泡性、脱泡性。常用的试验方法有量筒法、高速搅拌法、循环法、鼓泡法以及振动法施工性主要考察消泡剂对漆膜的缩孔、光泽及层间附着力的影响贮存稳定性主要考察消泡剂经一投时间放置后的各项性能, 如抑泡性、消泡性、脱泡性的变化, 经过上述项试验后可选出较适宜的消泡剂。所用树脂不同, 选用的消泡剂可能不同,采用种消泡剂配合使用, 可以获得较为满意的结果。消泡剂的加入量需经过试验来确定, 若加人量少, 起不到消泡效果, 加人量太大, 则会引起漆膜产生缩孔及再涂性变差等病态。一般其加量为涂料总 2.4增滑剂 增滑剂的主要作用是改善漆膜表面的平整度,提高漆膜表面滑爽程度和漆膜抗划伤性能, 提高抗回粘性, 并具有良好的手感。在哑光漆中与消光粉拼合使用, 能使漆膜性能更趋完善, 使漆膜的消光效果, 耐水、耐磨、耐污性等都有明显改善。常用的增滑剂有有机硅类及水乳型的聚乙烯蜡、聚丙烯蜡等,其中水乳型的聚烯烃蜡由于粒径和粒径分布不同,其消光效果各不相同, 有适用于有光漆的, 也有适用于哑光漆的。 在选用增滑剂时应注意其与体系的相容性, 如果使用不当, 可能会产生气泡和缩孔并影响漆膜的再涂性, 造成层间附着力变差。有机硅类增滑剂加 2.5消光剂 水性木器透明面漆, 按漆膜光泽的高低分为有光, 哑光、平光漆。哑光及平光漆的漆膜光泽柔和,又保留底材的颜色和花纹, 成为消费主流。水性木器清漆通常加人消光剂以达到消光目 的, 其消光机理是使涂膜表面变得不平整造成光线的漫反射以削弱反射光强度, 从而达到消光目的。也有在清漆中加入超细填料, 增加颜料体积浓度, 使涂膜光泽下降, 但这种方法影响清漆的透明性。常见的消光剂分为有机消光剂和无机消光剂。有机消光剂主要是合成蜡, 不仅可以消光, 还可以增加漆膜表面光滑度, 增强手感, 但可能会使漆膜的再涂性变差, 因此加量受到限制, 消光效果有限。无机消光剂主要是气相二氧化硅也称消光粉, 其折射指数与树脂的折射指数相近, 对涂膜的透明性有一定影响。影响气相二氧化硅消光效果的主要物理参数是粒径和孔隙率。一般来说孔隙率高的二氧化硅消光效果好, 粒径分布越窄, 消光效果越好。“ 细”颗粒会增大涂料的粘度和触变性, 防沉降性较好“ 粗”颗粒则会使涂膜表面过度粗糙。常用于木器涂料的消光粉粒径范围为3-7um、孔隙率1.2-2.0/g同一种消光粉在不同的体系中作用效果不同,应分别考察其消光效果、分散程度、防沉性及对漆膜透明性的影响等。如在丙烯酸乳液体系中, 应选择触变性小且易分散的消光粉, 防止乳液因过度搅拌 而产生絮凝, 如一些水合的消光粉, 其特点是易分散、触变性小, 但用量要增大。乳液本身已具有一定的触变性, 因此分散于其中的消光粉不容易沉降。而聚氨醋分散体及丙烯酸聚氨醋分散体由于触变性小, 消光粉容易沉降, 可选择引起触变稍大的消光粉。此外还应注意消光粉的声值, 一般选声值为中性的消光粉较为合适, 低声值的则难以分散。溶剂型木器漆中常选用经有机物处理的消光粉, 可有效防止沉降, 并提高手感, 而在水性木器漆中这些作 用效果不明显, 所以一般选用未经有机物处理的消光粉, 并和增滑剂同时使用, 可明显改善因加人消光粉后漆膜产生的粗糙度, 得到较好的手感。通常在树脂中直接分散消光粉, 而不采用水助溶剂分散, 这样可以提高涂料的固体分, 提高漆膜的丰满度。可以通过使用分散剂来加强分散效果, 在不产生絮凝的前提下, 可以适当提高分散速度来改善分散效果, 也可以提高涂料的中、低剪切粘度来防止消光粉沉降。 消光粉的加量与漆膜光泽和树脂的种类有关,丙烯酸乳液容易消光, 而水性聚氨醋则难以消光。常见的消光粉有ok-412 ok520 OK607 ED30 TS100 W300 W500等。 2.6增稠剂 水性树脂的粘度比较低, 例如水性聚氨醋分散体的粘度仅有一· 。。若涂料粘度太低, 在贮存中消光粉容易发生沉降, 形成硬沉淀, 影响使用。另外在立面上施工时, 还会发生流挂现象。因此配制涂料时有必要给予增稠, 增稠可以增加一次施工膜厚, 提高丰满度, 改进刷涂施工性。 常见的增稠剂有纤维素、丙烯酸碱溶胀型及聚氨酉旨缔合型增稠剂。纤维素类增稠剂易被微生物降解、发霉, 且涂料增稠后触变性太大, 不利于涂膜流平, 一般不予选用。丙烯酸碱溶胀型增稠剂会引起涂料发乳, 影响涂膜的外观。该类增稠剂可提高涂料的中、低剪切粘度, 防止涂膜流挂, 在哑光或平光漆中加人部分丙烯酸碱溶胀型增稠剂, 可有效防止消光粉的沉降。碱溶胀型增稠剂可能会使涂膜的耐水性下降, 另外在添加时应稀释数倍, 否则易产生絮 凝。缔合型增稠剂可提高涂料的高剪切粘度, 对徐料的触变性影响很小, 有利于涂料在施工时的流动,减少刷痕。该增稠剂对涂膜的耐水性无影响, 可直接添加, 不会引起絮凝。但若使用过量, 可能会引起涂料的分水和分层。对于任一体系, 可根据实际情况单一选用或复合选用丙烯酸碱溶胀型及聚氨醋缔合型增稠剂, 使涂料的流挂和流平达到平衡。 常用 其他助剂 配制水性木器漆时还会加人一些其他助剂, 如杀菌剂可以防止涂料及涂膜发霉、腐败, 应使用低毒或无毒的杀菌剂。另外还应注意其与树脂的匹配性, 不应产生絮凝及其他不良现象。水性木器漆用作室外装饰时, 紫外光可以穿透清漆涂膜, 作用于木材, 引起黄变, 紫外光吸收剂的加人, 可以减缓紫外光的破坏作用。 水性木器漆的固含量一般为一30-50%, 其组成一半以上是水, 在冬季贮存时需要防冻。水性木器漆和乳胶漆一样, 可选用二元醇作为防冻剂, 常用的二元醇有乙二醇和丙二醇, 前者吸水性强, 在涂膜中逃逸较慢。此外, 水性木器漆中使用二元醇还能降低成膜温度, 延长“ 湿边时间” , 有助于提高涂料的流平性, 减少“ 接头” 痕迹。在配方设计时应根据使用季节及地区、环境气候条件的不同及具体的使用温度来确定防冻剂的加量, 通常其加量为涂料总量1-3% 由表2可以看出, 我院研制的水性木器漆的各项性能已接近或达到溶剂型木器漆标准中的技术指标, 而挥发性有机化合物含量远低于溶剂型木器漆,环保安全, 整体上已具有与溶剂型木器漆竟争的能力, 特别适用于室舀装饰装修。 |
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