刘锋 夏正明
（珠海展辰新材料有限公司，广东珠海 519090）
摘 要：研究了在以水性丙烯酸乳液为主成膜物的水性单组分木器涂料中，不同种类流变助剂以及不同搭配方式所带来的抗流挂流平、效果的差异。研究结果表明，基于特定的树脂体系，有多种组合方式可以使水性单组分木器涂料的抗流挂能力与流平性达到完美平衡。
关键词：立面；抗流挂；流平；水性；木器涂料
Exploration and Screening of Rheological Additives in Waterborne Anti-sagging Varnish
LIU Feng，XIA Zheng-ming
（Zhuhai Zhanchen New Materials Co., Ltd., Zhuhai 519090, Guangdong, China）
Abstract: This paper studies the differences in anti-sagging and levelling effect brought by different rheological additive types and different matches in waterborne one-component wood coatings with waterborne acrylic emulsion as the main film forming material. The research results show that based on a given resin system, multiple combinations can achieve prefect balance between the anti-sagging ability and leveling performance of waterborne one-component wood coatings.
Key words: facade, anti-sagging, levelling, waterborne, wood coatings
0 前言
单组分水性漆是现今木家具行业最常见的水性漆产品，因其施工便捷性，低成本等优点而得到广泛的应用。家具是由零件、部件和配件组合而成的，不同的组合形成不同的结构。这些不同的结构导致木家具的涂装方式、涂装工艺各有不同。尽管存在各种差异，但对于表面漆膜的装饰性和保护性的要求却是一致的，这就对木器涂料提出了更高的施工性能要求。抗流挂、流平性是施工性能中的核心指标，具有高抗流挂、流平性能的水性木器涂料，按照一定的施工工艺参数，既可以应用于简易的板式家具，也可以应用于立体整装家具，无论是平面，还是具有沟槽、雕刻等立体造型的表面，最终均可以得到均一美观的水性防护涂层。
1 实验部分
1.1 主要原材料及仪器设备
主要原材料：水性丙烯酸乳液：展辰自制；成膜助剂：江苏怡达化学股份有限公司；表面活性剂、消泡剂、流平剂、流变助剂（包括HEUR增稠剂、无机流变助剂）：德谦(上海)化学有限公司、毕克等。
主要仪器设备：流体粘度计：DIN 4#、盐田2#杯；斯托默粘度计；高速分散机；流挂仪；流变仪；喷枪（口径1.3）；电子秤等。
1.2实验方案
1.2.1半成品的制备
为了便于添加分散，预先根据表表1-1配方将选定的两种无机流变助剂a/b原料制备成无机流变助剂稀释液A/B待用。
表1-1 无机流变助剂稀释液A/B的配方
原材料 | 配方 % |
去离子水 | 90 |
无机流变助剂a/b | 10 |
合计 | 100 |
为了便于添加分散，预先根据表表1-2配方将选定的六种增稠剂a/b/c/d/e/f原料制备成增稠剂稀释液A/B/C/D/E/F待用。
表1-2 增稠剂稀释液A/B/C/D/E/F的配方
原材料 | 配方 % |
去离子水 二乙二醇丁醚 | 40 20 |
增稠剂a/b/c/d/e/f | 40 |
合计 | 100 |
为了节省制样过程，预先根据表表1-3配方将水性单组分清漆制成水性清漆基料待用。
表1-3 水性清漆基料的配方
原材料 | 配方 % |
水性丙烯酸乳液 水 | 80 3 |
成膜助剂混合液 基材润湿剂 消泡剂a 消泡剂b | 6 0.5 0.3 0.2 |
合计 | 90 |
按原料配方比例依次加入乳液、水、成膜助剂混合液、基材润湿剂、消泡剂a分散（1000-1400r/min）15分钟，调节分散速度至高速分散（1800-2500r/min），加入消泡剂b，直至刮膜无缩孔，达到基料配方的品质要求。
1.2.2 水性漆中流变助剂的特性探究
1.2.2.1 无机流变助剂的流变特性
i. 制备样品
设计无机流变助剂稀释液A/B的添加量为1%、3%、5%三个梯度，根据表表1-4配方制备水性清漆样品。
表1-4 水性清漆样品的配方
原材料 | 配方 % |
水性清面漆基料 无机流变助剂稀释液A/B | 90 X |
水 | Y |
合计 | 100 |
注：X、Y表示添加量，根据涂料配方设计需要确定具体添加量。
i. 测定待测样品的斯托默粘度（KU）以及流动曲线
斯托默粘度在恒温恒湿环境下养护测定，恒温恒湿室环境温度：25±2℃；相对湿度：50±5%。流动曲线使用流变仪在旋转模式下测定，待测样品温度20℃，在第二天测定。
ii. 结果及结论
表1-5 无机流变助剂稀释液A/B不同添加量梯度下水性清漆样品的斯托默粘度
水性清漆样品对应的无机流变助剂 | 添加量 | 样品即时粘度 | 样品隔夜粘度 |
无机流变助剂稀释液A | 5% | 49.7K | 48.2K |
3% | 47.9K | 47.9K | |
1% | 47.2K | 46.3K | |
无机流变助剂稀释液B | 5% | 52.4K | 52.4K |
3% | 50.9K | 49.7K | |
1% | 49.7K | 48.2K |
图1-1无机流变助剂稀释液A不同添加量梯度下水性清漆样品的流动曲线
图1-2无机流变助剂稀释液B不同添加量梯度下水性清漆样品的流动曲线
从测定的表1-5、图1-1和图1-2，可以比较容易的得出：1、相同添加量的情况下，无机流变助剂B比A更容易提高水性清漆的斯托默粘度，但是这种粘度的提升不足以达到水性漆的施工粘度要求；2、无论是流变助剂A还是B，都会给水性清漆带来触变性，且随着添加量的增加，触变面积变大。水性漆具有触变性后，会大大的改善喷涂施工性能。在实验过程中还发现，随着无机流变助剂添加量的增加，水性清漆样品在高速分散时的泡沫也随之增加。
1.2.2.2 增稠剂的流变特性
i. 制备样品
设计待测水性单组分清漆的斯托默粘度为70±3KU，使用增稠剂稀释液A/B/C/D/E/F调节粘度，根据表表1-6配方制备水性清漆样品。
表1-6 水性清漆样品的配方
原材料 | 配方 % |
水性清面漆基料 增稠剂稀释液A/B/C/D/E/F | 90 X |
水 | Y |
合计 | 100 |
注：X、Y表示添加量，根据涂料配方设计需要确定具体添加量。
i. 测定待测样品的斯托默粘度（KU）以及流动曲线
第一天斯托默粘度在恒温恒湿环境下测定后，养护。第二天，在恒温恒湿室内，再次调节斯托默粘度至70±3KU。恒温恒湿室环境温度：25±2℃；相对湿度：50±5%。流动曲线使用流变仪在旋转模式下测定，待测样品温度20℃，在第二天测定。
ii. 结果及结论
表1-7不同增稠剂稀释液调节下水性清漆样品的斯托默粘度
水性清漆样品对应的增稠剂 | 供应态 | 供应态添加量 | 即时粘度 | 隔夜粘度 | 调节后粘度 |
增稠剂稀释液A | 增稠剂a | 0.18% | 68.1KU | 69.9KU | 69.9KU |
增稠剂稀释液B | 增稠剂b | 0.31% | 69.2KU | 71.2KU | 71.2KU |
增稠剂稀释液C | 增稠剂c | 0.83% | 61.6KU | 63.8KU | 63.8U |
增稠剂稀释液D | 增稠剂d | 0.30% | 68.1KU | 71.4KU | 71.4KU |
增稠剂稀释液E | 增稠剂e | 0.83% | 70.5KU | 73.4KU | 70.5KU |
增稠剂稀释液F | 增稠剂f | 0.85% | 59.6KU | 60.9KU | 60.9KU |
图1-3 不同增稠剂在同70KU粘度时水性清漆样品的流动曲线
从测定的表1-7和图1-3可知，增稠剂c与f即使在较高添加量的情况下，斯托默粘度值较低，不同剪切速率下黏度也较低，其应为高剪增稠剂或牛顿型增稠剂；增稠剂a与d在较低添加量的情况下，可以提供较高的斯托默粘度，且在高剪切速率下黏度明显变低，其应为低剪增稠剂；增稠剂b与e带来的斯托默粘度适中，且在高剪切速率下带来更高的黏度，具有比较明显的中剪增稠剂表征。增稠剂b与e，尽管都有中剪增稠剂的表征，但是其添加量却差别极大，后续观测这个这种添加量差异是否会给水性漆的抗流挂性能带来差异。
从流动曲线图1-3不难看出，多数的HEUR增稠剂不会为水性漆提供明显的触变性。
1.3 后续
依据测定的数据，结合实验中过观测到的现象，我们选定：
1) 无机流变助剂稀释剂A/B的添加量梯度1%和3%，确保给水性漆带来触变性的同时，有效的减少泡沫的产生；
2) 增稠剂稀释液B/E，确保给水性漆带来所需黏度的同时，测定添加量给水性漆抗流挂性能带来的差异。
2、立面抗流挂流平水性漆的流变助剂配方设计
2.1水性清漆样品的制备
根据表表2-1配方制成水性清漆样品待用。
表2-1 水性清漆样品的配方
原材料 | 配方 % |
水性清漆基料 无机流变助剂稀释液A/B | 90 X |
增稠剂稀释液B/E 水 | Y Z |
合计 | 100 |
注：X、Y、Z表示添加量，根据涂料配方设计需要确定具体添加量。
按原料配方比例依次加入水性清漆基料、无机流变助剂稀释液、水、增稠剂稀释液分散（1000-1400r/min）15分钟，使用增稠剂稀释液调整斯托默粘度至80±3KU，达到待测样品的品质要求。
2.2数据的测定以及结果
2.2.1 粘度数据的对比
表2-2 不同流变体系带来的斯托默粘度和流体粘度
流变体系（无机流变助剂+HEUR增稠剂） | 即时 粘度 | 隔夜 粘度 | 调节后 粘度 | 原漆 流体粘度 | 施工粘度 （兑水稀释） | ||||
无机流变助剂 | 添加量 | 增稠剂 稀释液 | 供应态 | 供应态 添加量 | DIN 4# | 岩田2# | |||
无机流变助剂稀释液A | 1% | 增稠剂 稀释液B | 增稠剂b | 0.49% | 77.4KU | 82.5KU | 80.4KU | 159s | 68s |
3% | 0.47% | 75.4KU | 84.4KU | 80.3KU | 182s | 68s | |||
1% | 增稠剂 稀释液E | 增稠剂e | 0.83% | 77.4KU | 82.5KU | 81.0KU | 166s | 73s | |
3% | 0.60% | 77.6KU | 79.9KU | 79.9KU | 176s | 68s | |||
无机流变助剂稀释液B | 1% | 增稠剂 稀释液B | 增稠剂b | 0.37% | 76.4KU | 83.0KU | 79.1KU | 170s | 64s |
3% | 0.35% | 79.9KU | 89.3KU | 79.0KU | 126s触变强 | 60s | |||
1% | 增稠剂 稀释液E | 增稠剂e | 0.66% | 79.0KU | 85.7KU | 80.3KU | 140s | 66s | |
3% | 0.50% | 80.2KU | 89.3KU | 80.1KU | 142s | 72s | |||
2.2.2 流动曲线的对比
图2-1 同80KU下，不同添加量无机流变助剂稀释液A与不同增稠剂的流动曲线
图2-2 同80KU下，不同添加量无机流变助剂稀释液B与不同增稠剂的流动曲线
图2-3 同80KU下，同样3%添加量无机流变助剂稀释液A、B与不同增稠剂的流动曲线
从测定的粘度数据和流动曲线可以得出，无机流变助剂的添加量越多，水性漆的静态黏度越高，其中无机流变助剂B比A可以带来更大的触变面漆，更高的静态黏度。增稠剂B与E，除去E的有效添加量较大外，其他差异不明显。
2.2.3 触变性曲线的对比
图2-4 同80KU下，不同添加量无机流变助剂A与不同增稠剂的触变性曲线
图2-5 同80KU下，不同添加量无机流变助剂B与不同增稠剂的触变性曲线
图2-6同80KU下，同3%添加量无机流变助剂A、B与不同增稠剂的触变性曲线
从测定的触变性曲线可以看出，在相同KU粘度的前提下，无机流变助剂A可以带来更快的黏度回复速度，黏度回复速度快可以更有益于抗流挂性能的提升，回复速度慢更有利于流平效果的提升，而无机流变助剂B可以提供更高的起始黏度，在相同条件下，起始黏度越高抗流挂效果越好。可见，需要根据实际情况来调整流挂与流平的平衡，方可得到满意的黏度。增稠剂b与e的特性曲线依旧非常相似，唯一差别就是增稠剂b的剪切稀化比增稠剂e更明显，这可能是由添加量的多少引起的。
2.2.4 制板抗流挂效果的对比
测试方法：将表2-1内所有水性清漆样品兑水稀释，调整至施工粘度70±5s，盐田2#杯。基材为做过UV透明底漆的木板，平放喷板，立放自然干燥，施工涂布量为120g/m2，环境温度：27℃,湿度：50%。
判定方法：以漆膜边缘的堆积厚度判定抗流挂能力。以漆膜边缘以及板面的平整度判定流平性。
实际制板抗流挂效果如下：
经过多次的实际喷板确认，添加量3%的无机流变助剂B搭配增稠剂e的抗流挂流平效果是最佳的。依据板面效果，流变助剂B的抗流挂效果强于流变助剂A的，这与我们测定的流动曲线特征和触变性曲线特征是吻合的。增稠剂e的抗流挂流平平衡效果强于增稠剂b，这可能是添加量的多少带来的影响。
3.总结
1. 水性漆自身是具有触变性的，但是较弱，不足以满足施工性能的需求。
2. 流变助剂可以给水性漆带来更大的触变性，但是其对粘度的提升较弱，不足以满足施工对于粘度的需求。
3. 增稠剂是水性漆粘度的主贡献者，是抗流挂能力的基础。水性漆可以通过高粘度来实现抗流挂的需求，这是基于对流平性的牺牲，尤其对于立面施工来讲。
4. 水性漆具有触变性后，可以通过调节粘度的高低以及粘度的回复时间来实现抗流挂性和流平性的平衡。
水性漆的抗流挂流平性能是水性木家具涂料的永恒课题，其性能的实现取决于配方中每一个组成成分的性能展现，常说的流变助剂，也就是流变剂和增稠剂，是在抗流挂流平方面表现最为明显的成分。其他组成成分特性也是在配方设计初期必须考虑的，比如，水性乳液或分散体的干燥速度、成膜助剂的稀释能力对粘度的影响、表面活性剂对粘度响应的影响等等。
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