水性纳米聚丙烯酸酯木器涂料研制

官青松¹ 麦冬² 王晓云¹ 郝小玉¹

（1、四川省微信化学品质量监督检验所 四川成都 610014；2、成都展辰化工有限公司，四川大邑 611332）

摘要：本文介绍了一种高性能水性纳米聚丙烯酸酯木器涂料的研制过程，通过采用本厂研发的纳米丙烯酸共聚物乳液和纳米水性聚氨酯分散体进行复配，同时添加适量的丝状纳米碳酸锌和分散剂以提高性能，通过正交实验设计的方法，确定了纳米丙烯酸共聚物乳液和纳米水性聚氨酯分散体的复配比例，以及纳米碳酸锌和分散剂的添加量，当丙烯酸乳液：纳米聚氨酯分散体=8：2，纳米碳酸锌添加量2.5%，分散剂添加20%（对纳米碳酸锌的量）的时候，涂料性能和性价比达到一个良好的平衡。

关键词：正交实验；涂料；水性木器漆；聚氨酯分散体；丙烯酸乳液；纳米

前言

溶剂型木器涂料含有大量的有害物质，严重污染环境，损害人体健康，极大的浪费资源。现有的水性木器涂料由于在理化性能上有其局限性，还不具备完全取代溶剂型木器涂料的技术基础。与传统木器涂料相比，尚有一定的差距，随着各国对挥发性有机物及有毒物质的限制越来越严格，以及水性树脂、配方优化和适用助剂的开发，水性漆的市场份额将不断提高，水性木器漆本身的无异味和环保等特点也使得此类产品成为今后的发展主要趋势。本研究试图通过将本厂自行研发的水性树脂和纳米材料，通过实验优化配比，实现水性涂料性能上的重大突破。建立纳米水性木器涂料体系，迅速将研究成果转化成生产力，实现产业化。

1.实验部分

1.1 实验原料与仪器

纳米丙烯酸共聚物乳液，自产；

纳米水性聚氨酯分散体，自产；

纳米碱式碳酸锌，自产；

成膜助剂，陶氏化学；

流平剂和增稠剂，美国罗门哈斯公司；

分散剂，深圳海川化工有限公司；

消泡剂、毕克化学；钛白粉，美国杜邦化学；

消光剂，美国格雷斯化学。

QHQ—A便携式铅笔法硬度计：天津森日达实验仪器有限公司；

QTG75—600涂膜涂布器、QSJ高速分散机，天津市建仪试验仪器厂；

SZQ湿膜制备器，上海现代环境工程技术有限公司；

JSF-400搅拌砂磨分散多用机，上海普申化工机械有限公司；

0—501xm细度刮板器，天津市精科材料试验机厂；

202．AO型台式干燥箱，上海浦东跃欣科学仪器厂。

1.2 样板的制作

按HG／T3828-2006中的6．3试验样板的制备巾的方法制备样板。

在玻璃板（200mmX100mm×4mm）上用漆膜涂布器刮涂一道100m的湿涂膜。放置7d后测试硬度。

1.3 涂膜硬度、耐冲击性及耐水性能测试

按照GB／T6739-1996使用涂膜便携式铅笔硬度计测试涂层的铅笔硬度。

按照ISO6272-2-2006涂料和清漆，快速毁坏（抗冲击）试验。

第2部分：小面积砸痕的落锤试验进行实验。

按照GB／T4893-2005规定测定涂膜的耐水性能。

1.4 基础配方

表一：基础配方

1.5 正交实验

水性聚氨酸分散体和水性丙烯酸树脂相比较而言，丙烯酸树脂的特点是快干、耐光，耐候性能优异硬度较好，缺点是最低成膜温度高、成膜性及柔韧性较差、热粘冷脆。而聚氨酯分子结构中具有硬链段和软链段组成的链段结构决定了其既坚硬又柔韧的独特性能，其两相结构使水性聚氨酯具有优异的低温成膜性、流平性及柔韧性，抗热回粘性好，由于氢键的存在，使其具有耐磨、高硬度的优点，但在稳定性、自增稠性、固含量、保光性等方面存在不足，因此水性丙烯酸树脂和水性聚氨酯树脂在性质上有一定的互补作用，。本实验主要是通过纳米丙烯酸共聚物乳液与纳米水性聚氨酯分散体复配，综合两者的优异性能，克服彼此的缺陷，同时降低成本，制备出具有较好使用价值的水性木器涂料。

纳米材料一般具有小尺寸效应、表面与界面效应、量子尺寸效应、宏观量子隧道效应等，因而它具有许多独特的或更优越的性能，一般的无机填料填充于聚合物中时具有如下缺点：使用量大，不能兼顾刚性、耐热性、尺寸稳定性和韧性同时提高。而在聚合物中添加少量的纳米粒子，就可以使基体树脂的力学性能（拉伸强度、弯曲强度、冲击强度、断裂伸长率等）得到显著的提高，并克服了以上提及的一般无机材料的缺点。而丝状的纳米碳酸锌除了具有一般纳米材料的特征外，其丝状的特性类似混凝土中钢筋的作用，更能显著提高涂膜的韧性和抗冲击性以及补强作用。

纳米粒子的比表面积很大，表面能高，热力学状态不稳定，从而表现出极强的表面活性，极易团聚形成二次颗粒，从而形成带有若干弱连接界面的尺寸较大的团聚体，大大影响纳米颗粒优势的发挥，必须选择适当的分散剂将其分散开来才能发挥纳米材料的性能。

为优化水性纳米聚丙烯酸酯木器涂料，提高水性木器漆涂膜性能，本实验主要以纳米丙烯酸共聚物乳液与纳米水性聚氨酯分散体复配比例，纳米碳酸锌用量和分散剂的用量三个变量为主要因素，考察其对涂膜硬度、抗冲击和耐水性能的影响。详见表二：

表二 正交实验设计及测试结果

表三 正交实验结果分析

1.6 正交实验结果分析

硬度影响因素：树脂=纳米碳酸锌>分散剂，聚氨酯本身硬度可以调节，本厂生产的聚氨酯分散体本身是具有互穿网络结构的高分子聚合物，并能常温自交联，所以与纳米丙烯酸乳液硬度差别不大，总的来说，成膜物质对最终硬度起决定性作用，丝状的纳米碳酸锌能提高硬度，但前提是必须把分散做好，否则大量的纳米粒子报团，发挥不了其自身的优势。

抗冲击影响因素：树脂=纳米碳酸锌>分散剂。抗冲击反映的是漆膜的强度，柔韧与附着力。纳米丙烯酸乳液本身硬度较高，抗冲击差。聚氨酯分散体有着既坚硬又柔韧的独特性能，随聚氨酯分散体量的提高，抗冲击明显提高，纳米碳酸锌提高了漆膜的强度附与着力，亦能明显提高冲击强度。

耐水性影响因素：纳米碳酸锌>树脂>分散剂.丝状纳米碳酸锌加入提高涂膜的致密性，明显提高了涂膜的耐水性，纳米丙烯酸乳液与纳米聚氨酯分散体均为改性高性能材料，纳米丙烯酸乳液稍好于纳米聚氨酯分散体。

从经济性和涂膜的性能平衡来分析，得出较好的组合为A1B2C2，配方中少用价格昂贵的纳米聚氨酯分散体，通过纳米碳酸锌的补强作用，弥补了纳米丙烯酸乳液韧性差，抗冲击差的特点，同时提高了漆膜的表面硬度和致密度，增强了漆膜的耐水性，达到了性能上的平衡。

 1.7 配方确定

通过以上实验，最终配方定为

表四 优化后的配方

配方制成的单组分水性木器漆，其涂膜硬度可达2H（25℃，7D）左右，耐冲击抗干裂好，耐水性非常优异，干燥快，施工简单方便，质量性能明显优于行业标准《水性木器涂料》要求。

4.结语

（1）通过对树脂，纳米材料，助剂的正交实验设计，得出纳米丙烯酸乳液：纳米聚氨酯分散体=8：2，纳米碳酸锌添加量2.5%，分散剂添加20%（对纳米碳酸锌的量）的时候，配方性价比的性能能达到一个好的平衡；

（2）此涂料体系性能优异，施工简单。产品具有良好的市场应用潜力。