高固含、高透明水性木器底漆的配方设计

     高固含、高透明水性木器底漆的配方设计

                         2011/6/23 广东美涂士化工有限公司 作者：詹朝任,李 锋,周炜健

0 前 言
        随着国家《室内用水性木器涂料》化工行业标准以及上海市《水性木器涂料施工工法》法规的陆续出台,更加促进了水性木器涂料的发展及普及,人们对水性木器涂料的概念有了一定的认识。但是,水性木器涂料的丰满度及施工宽容性制约了水性木器涂料的迅速发展,尤其是水性木器底漆的打磨性、高固含与高透明度指标的矛盾,是水性技术方面迫不及待要解决的问题,下面针对以上的几个技术问题，浅谈高固含、高透明水性木器底漆配方体系的设计构思。

1 配方设计原理
        水性木器涂料是一种以水为分散介质的水分散体系,由于该体系大部分都是水,水的表面张力为7 2 m N/m,是一般有机溶剂表面张力的2～3倍以上,再加上体系的特殊性,导致在配方设计过程中增加了很大的难度,特别是高固含、高透明度的水性木器底漆的研发更是水性技术遇到的一对相互矛盾的性能,要达到理想的平衡点必须要从原材料上合理地选择；同时,还要考虑体系的稳定性、低温成膜性等基本要求以及生产工艺难易程度来测试、筛选,才能真正满足配方设计的要求。有时,还要抛开成本高的因素,敞开自己的配方设计思路,大胆去寻求最佳的配方设计构架。

1.1 水性树脂的选择
         水性树脂是水性木器涂料的重要组成部分,一般占体系的70%～80％,甚至会更高。因此,选择好水性树脂,几乎是配方设计大功告成的一半。水性树脂的主要特性是分散相颗粒的粒介于10～100 n m的高分子聚合物分散体,因而,其稳定性以
及综合性能的要求限制其固含量无法太高,一般是在30％～45％。当然,不同的用途或特殊的体系,固含量可能会更高些,所以,高固含、高透明度水性木器底漆的水性树脂的选择,应尽可能选择更高一些的固含量的指标参数。同时,玻璃化温度也是不可忽略的技术参数,玻璃化温度太高,硬度高,打磨性好,但对填料的包裹性差,而且容易开裂；而玻璃化温度过低,虽然对于含多填料的体系配方设计宽容性大一些,但是,很明显地影响打磨性能,因此,玻璃化温度一般为30～50 ℃为佳,无皂技术的水性丙烯酸树脂的性价比方面是最为理想的选择。

1.2 基材润湿剂的选择
        水基涂料需要润湿剂来降低表面张力,以达到对底材、颜填料的润湿,因而润湿剂是水基涂料基本性能的保障。尤其是高固含(含高填料)底漆体系,没有很好的润湿性能,对于低的表面张力体系,其稳定性、基材的润湿性以及施工流平性就不能达到配方设计最基本的技术参数要求。润湿剂的耐水性也是至关重要的,底层涂膜耐水好,直接对面层涂装表面效果有基石的作用。一般润湿剂的耐水性是很差的,最好的选择是改性有机硅类型的润湿剂。

1.3 流变助剂的选择
        流变助剂在涂料中是影响施工宽容性、长期储存稳定性至关重要的标尺。流变助剂的使用不当,涂料在应用过程中容易存在很多弊端,会直接影响到涂料的表面涂装效果及稳定性,如涂膜的流平性与流挂性、稀释防沉性等施工应用技术参数以及涂料本身的防沉性。特别是高填料、高透明水性木器底漆的配方体系,由于水性树脂分散体的特殊性,及在底漆的应用本身的黏度不是很高,这样增加了水性木器底漆的防沉性的难度,往往要使用两种或两种以上的流变助剂才能达到防沉效果。
水性聚氨酯型流变助剂的耐水性好,涂膜的致密性佳,是首要的选择。一般以提供中低剪切黏度的流变助剂和触变型流变助剂搭配才能真正解决高固含与高透明度互相矛盾的水性木器底漆体系的防沉性及施工要求。当然,不同的体系及应用范围会存在很大的差异性。

1.4 填料的选择
        填料是一次性涂刷涂膜厚度的保证,也在一定程度上提高了涂料的打磨性能,是高固含、高透明水性木器底漆配方体系的重要材料。一般填料的添加量为5％～15％,常见的有滑石粉、碳酸钙、二氧化硅玻璃粉以及特殊含量的矿物填料等。滑石粉或者碳酸钙添加量达到10％时,在深色底材施工时就容易出现因配方体系设计引起发白的现象。而玻璃粉的使用,由于该粉体的密度太大,在水性木器底漆分散体系中是很难解决防沉的性能,虽然可以通过以上介绍的流变助剂的搭配来解决,但是,没有彻底杜绝防沉性能,只是防止填料的沉降速度。总的来说,这些填料随着添加量增加至10％左右,就会制约到水性木器底漆的施工宽容性。特殊矿物填料的密度比玻璃粉小一些,可是,防沉性也是比较困难的,但是,由于矿物质的含量不同,相对比玻璃粉好很多,是高固含、高透明水性木器底漆配方体系的最佳选择。

1.5 打磨助剂的选择
        水性木器底漆的打磨性是很难与溶剂型涂料相抗衡的,这是由于水性木器底漆的配方结构决定的。主要提供打磨性的成分是来源于水性树脂的性质之一,因而,打磨性能是远远不能达到实际施工的基本要求,所以,必须另外寻求打磨助剂来改善,通常用的打磨助剂是硬脂酸锌粉体或浆料物质。从生产工艺方面来考虑,建议添加硬脂酸锌浆料有利于分散及方便操作,一般加入2％～5％为佳,当然,还要考虑体系的透明度、附着力、重涂性及应用的基材来确定添加量。

1.6 消泡剂的选择
        消泡剂是水性木器涂料中最难控制消泡与流平达到平衡的助剂之一。水性木器涂料由于是以水为分散介质的特殊体系,其气泡的根源是大量多种类型的表面活性剂,在生产和施工过程中都极容易产生泡沫且稳泡。特别是水性木器底漆体系,由于在体系中添加打磨助剂,打磨助剂一般很容易起泡而且稳泡性强,对消泡剂的选择及达到没有缺陷的表面而消泡性好的平衡点是技术难点,要尽可能达到理想状态的消泡性能,必须要选择两种消泡剂搭配来控制消泡性能。最好是在前面添加抑泡剂来抑制生产及施工过程中泡沫的产生,后面添加消泡剂来消除体系已经产生的泡沫。还有,由于是水性木器底漆体系,从重涂性、附着力及透明度等方面的考虑,尽量避免采用矿物油和有机硅类型的消泡剂,非硅非油型长效性好的消泡剂是首要的选择。

1.7 成膜助剂的选择
        成膜助剂是水性木器涂料不可缺少的助剂之一,这是水性木器涂料中的水性树脂的特殊性决定的。水性树脂的玻璃化温度的高低是水性木器底漆打磨性好坏的主要指标,为了制备打磨性更好的底漆,必须要选择玻璃化温度高一些的水性树脂,一般玻璃化温度为30～50 ℃,增加了水性木器涂料的低温成膜性的难度,因而,必须通过成膜助剂来保证水性树脂在低温环境中的成膜性能。成膜助剂的种类也会影响到水性木器底漆的打磨时间,低沸点快干型的成膜助剂,由于本身的干燥性较快,对水性木器底漆的打磨性有好的帮助,但是,若有效保证水性树脂的低温成膜性能,往往要相对添加多一些的量来实现。成膜助剂的添加常常会影响水性木器涂料的稳定性能,这是成膜助剂在水相中的分散系数和在水性树脂聚合物颗粒中的分散系数不同比例引起的,所以,必须是通过两种或两种以上的成膜助剂搭配才能保证水性木器涂料的低温成膜性能和体系稳定性的平衡。

1.8 其他
        高固含、高透明水性木器底漆是水基涂料,很容易在生产过程中受到细菌的污染而分解,为使运输及储存过程中具有长期的防腐稳定性,所以要添加0.1％～0.2％的防腐剂。添加过程中要注意生产工艺的操作规程及与配方其他助剂的匹配。

2 配方实例、生产工艺及性能比较结果
2.1 配方实例
表1是高固含、高透明水性木器底漆在深色木材(如黑胡桃)上能多道喷涂或刷涂、透明度佳、无发白现象以及打磨性能优异的配方设计的实例。

2.2 生产工艺
       先投入A料,在中低速搅拌中依次慢慢投入B～D料,中速搅拌5 m i n,再在中速搅拌中缓慢投入E和G料,刮边,用少量的N料清洗缸边,中速搅拌5 m i n,然后,中速搅拌中缓慢投入H和I料(预先用极性成膜助剂溶解开待用),以中高速搅拌10～20 m i n,用100 μ m细度板刮细度,控制细度为≤30 μ m合格后,最后,在中低速搅拌中缓慢依次投入H～O料(I和J以及L料预先分别用水稀释待用),中速搅拌10 m i n后,进行各项性能测试。

2.3 物理性能对比
表2为高固含、高透明水性木器底漆配方的物理性能比较。

表2中配方1与配方2可以看出,不同的填料在相同的基料里添加同等量,透明度有明显的差异,配方1是确定高固含、高透明水性木器底漆的配方设计的基础。
表2中配方1与配方3可以看出,添加了打磨助剂明显改善了水性木器涂料打磨难的性能,但带来稳泡的缺陷。
表2中配方3与配方4可以看出,由于打磨助剂的添加带来的稳定的泡沫可以通过前多加抑泡剂的量来控制,效果良好。
表2中配方4与配方5可以看出,快干和慢干的成膜助剂很明显会影响水性木器底漆的实干时间,快干的成膜助剂体系的打磨性好,慢干的成膜助剂的打磨性差一些。由于快干成膜助剂对降低水性木器涂料中的树脂的成膜温度的效率低,必须通过添加相对多一些的量来保证低温成膜的性能。
表2中配方6可以看出,由于体系的填料添加量较多,而且制备的水性木器底漆的黏度相对较低,防沉性难,通过添加触变型流变助剂与一般型流变助解决防沉性难的问题,很明显表2中配方6是综合性能最好的。

3 结 语
        高固含、高透明水性木器底漆是水性木器涂料发展的必然产品。一直以来,水性木器涂料在市场上出现的丰满度差、施工道数多、施工时间长以及底漆打磨性差等问题,制约了水性木器涂料的广泛应用及推广。因此,高固含、高透明水性木器底漆是当今市场亟待开发的产品。但是,由于水性木器底漆是一个特殊体系,在配方设计过程中必须遵循高透明、高固含、打磨性好以及施工的方便性等要素去选择多种助剂相匹配,并且尽可能不违背耐水性不良的因素去选择尽可能少添加量却能起到最佳效果的各种助剂,配制出施工宽容性大、性价比优异的产品。