家具用高性能水性双组分聚氨酯亮光色漆的制备及性能研究

李相权( 安徽名士达新材料有限公司  安徽马鞍山 243000)

摘要:采用水性羟基丙烯酸分散体和亲水性固化剂为主要成膜物质,通过试验选择合适的助剂制备了家具用高性能水性双组分聚氨酯亮光色漆,该涂料具有高光泽、丰满艳丽的特点,完全满足家具表面装饰要求,同时讨论了影响涂膜性能及光泽的各种因素。

关键词:水性亮光色漆  羟基丙烯酸分散体 亲水性固化剂 性能

1前言

在“蓝天保卫战”的严峻形势下,国家及各地纷纷出台针对涂装行业VOC的排放标准,而当前家具用木器涂料依然以溶剂型涂料为主,在涂装过程中的VOC排放及漆雾对涂装人员的身体健康威胁极大,同时是危害生态环境的重要污染源。因此家具涂装的VOC排放成为环保部门重点关注的对象,地方政府对涂装行业的VOC排放提出了更高的要求,明显加强了对家具行业VOC排放的有效监控及治理,相继限制使用溶剂型木器涂料,家具企业常常遭到当地政府的环保处罚,甚至受到限产、停产的处理。面对这种环保压力日盛的现状及消费者对更环保绿色家具的需求增长,促使家具企业采取更可持续的解决方案,淘汰严重污染环境的溶剂型涂料,改用环境友好型涂料成为家具企业谋求发展及适应更加严厉的环境法规的唯一选择,其中“油改水”技术是最有效的途径之一。水性木器涂料以水为分散介质,极大改善涂装人员的生产环境,降低对环境的污染,而且施工过程中无火灾的危险性,具有安全、环保、节能的优点,同时也满足消费者对家居生活品质及绿色环保的要求,因此水性木器涂料符合家具行业绿色环保的发展趋势,可以从源头上显著降低VOC排放,成为行业主要发展主流。

亮光色漆广泛应用于家具生产工艺中,其涂装的家具高雅大方、时尚、色泽亮丽,形形色色的家具表面效果也成为广大消费者的选择标准。但目前即使水性双组分亮光色漆也存在硬度低、光泽不高、平整度及丰满度差、易起痱子及桔皮等涂装缺陷,严重影响涂层的保护和装饰性能,难以满足高光泽家具的涂装要求,无法完全取代溶剂型亮光涂料。特别是施工环境及喷涂技术等因素对涂膜外观及光泽影响较大,难以实现工业化控制,极大限制了水性亮光涂料在高档家具涂装领域的应用,造成家具企业的“油改水”环保升级进程缓慢。本试验通过选择合适的原材料制备的家具用高性能水性双组分聚氨酯亮光色漆,具有良好的施工宽容性,涂膜鲜艳丰满,具有良好的表面装饰效果及光泽,性能与溶剂型双组分聚氨酯亮光色漆基本相当,解决家具企业应对环保及性能要求的难点,满足当今消费者对家具产品装饰效果及环保性不断提高的需求。
2 实验部分
2.1　原材料
水性羟基丙烯酸分散体 ，科思创/巴斯夫/帝斯曼/万华；亲水型异氰酸酯，科思创；钛白粉，杜邦；分散剂、润湿剂、消泡剂、流平剂、防腐剂，毕克化学/巴斯夫/海名斯；增稠剂、成膜助剂，陶氏公司；去离子水，自制。
2.2　涂料制备

（1）水性钛白浆

去离子水	13
丙二醇	3
分散剂	4
消泡剂	0.3
钛白粉	75
去离子水	4.7

 将去离子水、丙二醇、分散剂及消泡剂投入搅拌缸中速分散10分钟搅拌均匀,然后投入钛白粉高速分散20分钟,过砂磨至细度小于10um,用余下去离子水清洗砂磨机后搅拌均匀,即得水性钛白浆。

(2)亮光色漆A组分

水性羟基丙烯酸分散体	60
消泡剂	0.3-0.5
润湿剂	0.2-0.6
流平剂	0.3-0.5
水性钛白浆	30-35
成膜助剂	3-5
防腐剂	0.1-0.2
增稠剂	0.4-0.8
水性色浆	适量
去离子水	2-3

投入水性羟基丙烯酸分散体,水性钛白浆及相应助剂,高速分散20分钟搅拌均匀,然后加入水性色浆将调好颜色后,用增稠剂调节粘度至合格,即得水性聚氨酯亮光色漆。
(3)水性固化剂B组分

水性异氰酸酯固化剂	80
PMA	20

2.3　性能测试
按n-NCO/n-OH=1.5比例将涂料混合,搅拌分散均匀,用去离子水稀释至施工粘度进行喷板,干燥后保养7天,依据GB/T 23999—2009中的标准要求,对涂膜的性能进行测试,检测结果如下：

漆膜性能检测结果

测试项目              检测结果                 检测标准

在容器中状态          搅拌无硬块             GB/T3186-2006

涂层外观              漆膜平整光滑,艳丽       目测

表干时间/min            45                    GB/T1728-1979

实干时间/ h             15                    GB/T1728-1979

光泽                    93                    GB/T9754-1988

柔韧性/mm               1                     GB/T1731-1993

附着力/级               1                     GB/T1720-1979

耐冲击性/cm             50                    GB/T1732-1993

硬度                    H                     GB/T1730-1993

耐水性                 120h无变化              GB/T1733-1993

耐碱性                 无异常                 GB/T4893.1-2005

耐污染性                                      GB/T4893.1-2005

醋                     无异常

绿茶                    无异常

耐干热性                无异常                GB/T4893.3-2005

储存稳定性/50℃        10d无异常              GB/T6753-1986

耐黄变性(168h/△E)        0.42                 GB/T23987-2009

3结果与讨论

彩色面漆作为家具涂装的最后涂层,体现着家具最终的整体装饰效果,合适的涂膜厚度,才能得到性能优良的涂膜,获得较好的装饰效果,体现光鲜亮丽的色彩及较高的视觉效果,溶剂型聚氨酯亮光色漆很容易就能达到这种效果。而水性双组分聚氨酯亮光色漆在成膜过程中固化剂除了与羟基树脂进行交联固化反应之外,也与水发生副反应,产生大量的二氧化碳气体,如果在成膜前不能及时排出这些气体,涂膜极易形成痱子及气泡等表面缺陷,涂膜越厚,此类现象越明显,这是一方面涂膜越厚,底层的水及溶剂渗透到涂层表面的距离变长,释放变得更加困难,导致水分及溶剂在涂层内的滞留时间延长,当涂膜表面干燥形成封闭层时就会气化形成气泡残留在涂层,另一方面残留的大量水分也会增加与固化剂的副反应程度,产生的二氧化碳气体无法及时释放也易形成更多的痱子及针孔,相应也降低了羟基与固化剂交联反应程度,严重降低涂膜性能及装饰效果,应通过试验严格选择那些能够有效促进固化剂中-NCO与分散体中-OH交联反应,减缓和抑制副反应的原材料,确保涂料具有较好的施工性能及涂膜性能,获得平整光滑的镜面效果。
3.1 水性羟基树脂的选择

作为水性双组分聚氨酯涂料的主要成膜物质的水性羟基树脂,对涂料的施工性能及涂膜性能起着决定性作用,因此正确选择水性羟基树脂十分关键。水性羟基丙烯酸二级分散体具有光泽高、流平好,能够提供优异的硬度、耐磨性及耐溶剂性等特性,通常作为水性双组分聚氨酯亮光涂料的成膜树脂,而羟基作为丙烯酸分散体与固化剂-NCO基反应的主要基团,其含量直接影响体系的交联密度,决定着涂膜的最终性能,如果分散体羟基含量过低将出现部分聚合物分散体分子上羟基过少,甚至无羟基的现象,使得涂膜局部交联密度过低,而这些低分子聚合物在涂膜中起到增塑剂作用导致涂膜性能下降,而较高羟基含量的分散体才能够有效保证每个聚合物分子上至少分布有2个以上的羟基,确保体系有较高的交联密度形成更致密的网络结构,赋予涂层较高的光泽及综合性能。同时水性羟基丙烯酸分散体与异氰酸酯固化剂的相容性则影响着涂膜外观及装饰性能,良好的相容性才能得到粒子粒径小而均一的稳定乳液体系,成膜时利于固化剂与羟基丙烯酸分散体充分接触扩散,促进-NCO基与-OH基的反应速度,降低成膜后期副反应的发生几率,有利于提高交联密度,得到良好涂膜外观,其中羟基丙烯酸分散体的粒子结构、乳化能力及Tg影响着两者的相容性。因此选择羟基丙烯酸分散体时既要充分考虑其羟基含量,还要考虑分散体的粒子形态结构、乳化能力及Tg,尽量保证促进羟基与固化剂充分反应同时减缓和抑制固化剂与水发生副反应,这是制备水性双组分聚氨酯涂料的关键。

粒径大的羟基丙烯酸分散体对异氰酸酯固化剂乳化和分散能力差,而且其分子链上的羟基分布也不均匀,部分羟基有可能被自己的分子链卷曲包覆而不利于与固化剂-NCO基充分接触,难以参与固化反应而降低体系的交联密度,也容易使固化剂颗粒暴露在水中,提高与水的接触面积而增大固化剂与水发生副反应的程度,易出现胶凝现象导致涂膜产生气泡及光泽降低等弊病,而且粒径大也导致固化成膜后粒子间空隙大,平整度不好,影响涂膜外观及光泽,耐水性降低。粒径小且分布均匀的分散体明显提高分散和乳化异氰酸酯固化剂的能力,两者有较好的相容性,乳化粒子大小均一,获得稳定的乳液体系,能够延长活化期,一方面降低了掩埋在分散体颗粒内的羟基数量,提高羟基的利用率,有效促进-NCO与-OH的交联反应,另一方面使固化剂颗粒单位面积上的丙烯酸分散体粒子数目更多,减少固化剂的裸露面积,从而降低固化剂与水发生副反应的可能性,利于提高涂膜交联密度及降低涂膜起泡性,形成更致密的网状结构,而且随着粒径变小,在成膜过程中小粒子可以填充到大粒子的空隙之间,增大了乳液成膜的毛细管压力和粒子间的总表面积,促使残留水分快速挥发,也有利于粒子表面链端相互渗透而凝聚变形成膜,改善涂膜干燥性及致密性,易形成光滑致密的涂膜,从而提高光泽,但粒径过小,粒子间的空隙变小,粒子运动困难会造成体系粘度过高而影响涂料的施工性能,当两者达到平衡点时能获得良好的施工性能及涂膜性能。因此选择粒径小而粘度适中的水性羟基丙烯酸分散体可提高对颜料的润湿性,有利于涂料制备过程中和异氰酸酯固化剂的充分混合及后续施工宽容性,从而获得较高的涂膜光泽及综合性能。

分散体的Tg决定了羟基丙烯酸分散体的聚集状态,对涂膜硬度及柔韧性有较大影响,Tg较低的聚合物链段柔软,体系粘度低,聚合物链段运动相对容易,涂膜流平性好,也有利于和固化剂相互渗透进行交联固化反应,同时较慢的干燥速度有利于生成的二氧化碳气体容易逸出涂膜表面避免出现涂装缺陷,得到良好的外观质量,但涂膜硬度及耐水性较差,影响涂膜综合性能。随着分散体Tg的提高,分子链上刚性段含量增大,干燥时间缩短,涂膜硬度及综合性能得到改善,但过高的Tg也增加了分散体的极性,与固化剂相容性变差,同时随着交联反应的进行,体系分子量也增大致使Tg更高,分散体的自由体积也易被冻结而降低分子链段的活动能力,影响成膜过程中分子链的扩散速度,不但部分羟基因为被包裹而导致部分粒子来不及参与交联反应就失去流动性,降低了分散体中-OH与固化剂-NCO的接触机会而使涂膜交联密度下降,体系中残留大量未反应的-OH也使涂膜耐水性下降,相应大大增加了水与-NCO发生副反应的机会,产生较多的二氧化碳气体难以快速消除易形成气泡,涂膜外观及性能不佳,特别是Tg太高,导致涂膜附着力及柔韧性下降,也需要加大助溶剂用量帮助涂料在低温条件下成膜,不利于降低体系VOC。一般选择Tg在40℃左右的分散体可以达到性能平衡,在成膜扩散及交联反应前期,分子链段都有较强的活动能力,两组分易于相互渗透扩散而进行充分交联反应,同时具有适宜的干燥速度,小分子物质及反应泡能够及时挥发和排出,降低起泡概率,获得良好的涂膜外观及性能。

本试验选择Tg在40℃左右、粒径较小及羟基含量较高的水性羟基丙烯酸分散体1#、2#、3#、4#制备涂料,施工配比按n-NCO/n-OH=1.5配漆,进行性能测试,结果如下:

丙烯酸分散体性能测试结果

测试项目	分散体1#	分散体2#	分散体3#	分散体4#
固体含量%	43	46	43.5	44
羟基含量%	5	3.8	3.3	3
表干时间min	42	45	60	68
实干时间h	13	15	18	22
活化期	3	4	5	5
光泽	91	93	90	89
丰满度	好	优	差	好
硬度	H	H	F	HB
附着力	1	1	1	1
耐冲击/cm	30	50	50	50
耐水性h	84	120	96	72
涂膜外观	有痱子	平整光滑	平整光滑	平整光滑

由上表可见,不同羟基含量的丙烯酸分散体对涂膜性能有较大的差异,分散体羟基含量较低时,体系中羟基密度小,交联反应速度较慢,涂膜表面乳液凝结速度慢,涂膜开放时间长,生成的二氧化碳气体容易逸出涂膜表面,不易产生痱子及气泡,可获得较好的外观质量,但因分子链交联不完全,涂膜硬度低,影响涂膜性能及涂装效率,而且涂膜中残留部分未交联的丙烯酸树脂小分子链也会降低涂膜耐水性能,随着分散体羟基含量增大,聚合物分子链上与异氰酸酯反应的交联点增多,交联反应速度加快,涂膜干燥时间缩短,涂膜交联密度增加,涂膜性能及光泽得到提高,但过高的羟基含量也增加了分散体的极性,导致与亲水性固化剂的相容性变差,一方面分布在分散体表面的羟基与水分子形成氢键数目增加,分子链间相互缠绕而不易分散导致体系粘度增大,难以完全分散及乳化固化剂粒子,影响两组分成膜时相互扩散及聚集,不利于-NCO与-OH的交联固化反应,造成涂膜交联不充分,另一方面导致部分羟基被聚合物分子链屏蔽无法与固化剂充分接触和反应,多余的-NCO基团与水发生副反应,涂层结构出现非均一化而导致涂膜光泽下降,也增大产生痱子的风险,体系中残留未反应的羟基也引起涂膜耐水性降低。本试验选择2#分散体具有合适的羟基含量,因其结构中含有支链结构,分子间缠绕较弱而易于伸展移动,具有较低的粘度及较高固体含量,对颜料的润湿和分散性好,提高了颜料的展色性和鲜艳性,改善涂膜丰满度,其粒径小且分布窄,对异氰酸酯固化剂也具有优异的乳化和分散能力,与固化剂有极好的相容性,改善涂料的润湿性及流平性,特别是羟基均匀分布在分散体粒子表面,有利于与固化剂中异氰酸酯基充分接触并促进交联反应,减缓和抑制副反应的发生,具有较高的交联密度而形成致密的网状结构,提高涂膜光泽、硬度和装饰性能。其制备的水性亮光色漆施工性能优异,喷涂后能够快速流平及消泡,具有适宜的活化期及涂膜开放时间,使小分子物质及产生的气体能够在涂膜交联之前扩散并完全挥发,降低产生气泡、失光、针孔等弊病的几率,同时实干较快,干燥后涂膜饱满坚硬,可以达到高光泽、高鲜映性的涂装效果,综合性能优异,完全满足家具涂料流水线的应用。

3.2　水性固化剂的选择

同水性羟基丙烯酸分散体的羟基进行交联反应的水性固化剂,是决定水性双组分聚氨酯涂料涂膜性能的关键因素,其与羟基丙烯酸分散体充分均匀地混合及分散才能确保得到最佳涂膜性能,如果两者相容性差则分散不均匀,容易出现乳化粒子大小不均匀现象,导致固化剂的-NCO难以同分散体中的-OH进行有效交联反应,反而增大与水发生副反应的程度,其反应形成的保护层又进一步阻止固化剂的扩散,阻碍分散体的-OH与-NCO充分交联反应而导致固化不完全,较大颗粒也导致固化成膜后粒子间空隙大,无法形成致密涂膜,不但耐水性降低,也容易使涂膜表面粗糙而降低光泽,严重影响涂膜外观及性能。家具企业在涂料施工时一般都是采用手工搅拌,希望简单搅拌就能够非常容易将主漆与固化剂混合均匀,促进固化剂与羟基丙烯酸分散体充分接触及进行交联反应,降低副反应程度,得到光泽及性能更好的涂膜,因此选择与水性体系有良好相容性的易分散型固化剂显得十分重要。
本试验选择的科思创固化剂XP2655属于磺酸盐改性HDI三聚体,具有较低的粘度和水分散性,不需要添加助溶剂即可手工搅拌分散均匀,施工性能好,容易获得高光泽、丰满度好的涂膜,与本试验选择的丙烯酸分散体更有优异的配伍性,只需简单手工搅拌就能够达到良好的分散效果,形成粒子粒径小且分布均匀的稳定乳液体系,成膜过程中-NCO与-OH接触面积大而易于发生碰撞接触,固化剂容易向分散体粒子渗透及扩散,有利于提高-NCO和-OH的反应速度及进度,交联反应程度更完全,涂膜具有较高的硬度及综合性能,同时能够减缓和抑制固化剂与水的反应程度,降低化学泡的产生,特别是一方面粒子间的接触面积大,便于组分间相互聚集,融合变形而易于成膜,使涂膜结构更加丰满,形成平整光滑的表面,提高涂膜光泽及硬度,另一方面有利于提高涂料润湿基材的能力,更容易取代基材表面吸附的气体,使基材表面的气体难以进入涂膜内部,降低涂膜起泡性,改善流平性及附着力。

施工配比n-NCO/n-OH直接影响水性双组分聚氨酯涂料的涂膜交联密度,进而影响涂膜最终性能。在涂料固化过程中,异氰酸酯基团与丙烯酸分散体的羟基基团发生交联反应生成氨基甲酸酯的同时,也会和体系中的水发生副反应而消耗部分固化剂而降低涂膜交联密度,因而在实际应用时,通常采取提高n-NCO/n-OH的比例确保固化剂与羟基能够完全反应,以便提高涂膜交联密度,获得到更好的涂膜性能,但又不会引起表面缺陷,具有良好的外观装饰效果。

n-NCO/n-OH对涂膜性能的影响

n-NCO/n-OH	1.0	1.3	1.5	1.8
表干时间	36	40	45	52
实干时间	12	13	15	18
活化期h	5	4.5	4	3
涂膜外观	光滑	光滑	光滑	有针眼
附着力	2	1	1	2
硬度	HB	H	H	2H
光泽	89	91	93	90
柔韧性mm	1	1	1	3
耐冲击/cm	40	50	50	30
痱子	无	无	无	有
耐水性h	72	84	120	96

由上表可见,当n-NCO/n-OH较低时,-NCO基团少而不足与羟基充分反应,所得成膜物交联度较低,部分羟基丙烯酸分散体无法参与交联固化反应残留在涂膜内,导致涂膜硬度及光泽较低,综合性能差。随着 n-NCO/n-OH 比例增大,虽然干燥时间延长,这是因为多余的异氰酸酯与水发生反应的速度明显低于固化剂与羟基分散体的反应而造成的,但-NCO与-OH接触几率增大,羟基可以与足够的固化剂充分完全反应而提高了涂膜的交联密度,同时在交联过程中过量的异氰酸酯与水发生副反应最终生成的脲类化合物,可以在一定程度上提高成膜物的聚合度使交联结构更致密,增加了聚合物链段上氨基甲酸酯键和脲键等刚性链段的含量,形成的氢键相应更多,提高了分子间极性,促进了涂层硬度增大,光泽及涂膜性能也得到提高,但比例过大,不但交联密度过大,也导致涂膜中脲结构比例增大,聚氨酯结构比例减少,影响成膜物质结构致使涂膜性能变差,附着力下降,而且体系中多余的异氰酸酯固化剂也增大NCO与水的副反应程度,生成的二氧化碳气体容易滞留在涂膜内增大涂层表面出现气泡、失光、针孔的风险,同时残留较多的亲水性固化剂会增塑涂膜,导致涂膜致密性降低,特别是固化剂用量过多会增加成本,由试验结果可见n-NCO/n-OH=1.5时具有适宜的活化期,涂膜的综合性能及外观效果最佳。

3.3 助剂的选择

 水性木器涂料体系在喷涂施工过程中非常容易出现回缩、火山口、针孔、流平性差等涂膜弊病,降低了涂膜的保护性和装饰性。因此需要加入相关助剂控制涂层表面状态,避免涂料施工过程出现各种弊病,从而提高涂料的施工性能及涂层外观,但有些助剂容易浮到涂膜表面而封闭表面,使涂膜内部的小分子物质及气体难以释放而形成痱子或气泡,给涂膜带来较多负面影响,要注意各种助剂的协同作用,尽量选择低稳泡倾向的助剂,降低涂料体系消泡方面的压力。应通过试验选择最优化的相关助剂达到配方平衡,有效提高施工宽容性,获得完美的涂膜外观及综合性能。

3.3.1分散剂的选择

家具亮光涂层外观要求具有高光泽、高鲜映性、色彩艳丽及高装饰性,而颜料在涂料中的分散状况直接影响着涂膜外观及性能,合适的分散剂不仅能够有效提高分散效率,缩短颜料的分散研磨时间,确保颜料分散细度小且储存稳定性好,避免贮存过程出现沉淀、絮凝及分水等不良现象,改善色漆的展色性及流动性,防止出现浮色发花现象,确保颜色均匀性,获得致密光滑及色彩鲜艳明亮的平整涂膜,达到靓丽的高装饰效果,因此分散剂决定了亮光色漆的最终涂膜表观性能,选择合适的分散剂显得十分重要。本试验选择几种分散剂进行测试,其对涂膜性能影响如下:

分散剂对涂膜性能影响

测试项目	1#	2#	3#	4#	5#
分散效率	一般	好	好	优	优
光泽	88	90	91	93	93
涂膜外观	差	好	好	优	优
储存稳定性	一般	差	好	好	优
耐水性h	72	60	84	84	120
抗痱子性	好	差	差	好	好，

由上表可见,不同的分散剂对涂膜光泽及性能有较大影响,5#分散剂含有多个锚固基团,能够在颜料表面上形成良好且长久的吸附,颜料颗粒均被溶剂化链段包裹,起到位阻稳定作用,可以提高分散效率和体系储存稳定性,最大限度将颜料着色力、遮盖力和光泽发挥出来,特别是与增稠剂配合效果好,不会出现絮凝现象而导致流动及光泽下降的现象,涂膜外观细腻平整光滑,有助于提高涂膜饱满度、光泽及鲜艳性,获得最佳的涂膜效果。

3.3.2消泡剂的选择

气泡是引起水性涂料涂膜外观缺陷的主要因素,水性双组分聚氨酯亮光涂料使用的羟基丙烯酸分散体比常规乳液更容易稳泡,体系中含有较多的表面活性剂,在生产过程中的高速分散和搅拌过程中引入的空气很容易被表面活性剂包裹在涂料中而形成大量气泡,加上添加增稠剂后会增加气泡膜壁的厚度也增大了消泡难度,在喷涂施工时容易将这些微泡带入涂膜中,特别是成膜过程中固化剂与水反应的副产物二氧化碳气体会滞留在涂膜中形成气泡,如果不能有效消除这些气泡,残留下的气泡会引起针孔、气泡及缩孔等涂装弊病,导致涂膜平整性差及降低光泽,不但影响涂膜的外观装饰效果,还会降低涂膜性能和使用耐久性,因此水性双组分聚氨酯亮光涂料体系特别需要加入合适的高效消泡剂抑制气泡的形成或消除已产生的气泡。消泡剂的作用机理是通过与体系的不相容性,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,但使用不当容易产生缩孔现象,或者在涂膜干燥时渗出浮在涂层表面而降低光泽,应选择那些不影响生产施工和储存稳定性,有良好消泡能力而不会出现缩孔等副作用的消泡剂。本试验选择几种消泡剂测试,其对涂膜性能影响如下:

消泡剂对涂膜性能的影响

消泡剂类型	1#	2#	3#	1#/3#	2#/3#
相容性	差	差	好	差	好
消泡性	一般	优	好	一般	优
缩孔	有	轻微	无	有	无
光泽	89	92	92	90	93
储存稳定性/50℃,30d	缩孔严重	轻微缩孔	无变化	轻微缩孔	无变化

由上表可见,消泡剂2#/3#搭配使用效果最佳,用量为0.3-0.5%之间,不但确保体系有良好的消泡能力及长效稳定性,能够快速消除生产及喷涂施工过程中产生的气泡,尤其有助于消除固化成膜过程中产生的反应泡,而且与体系有较好的相容性,副作用小,可避免涂膜出现缩孔等弊病,赋予亮光涂料良好的状态和施工性能,获得平整光滑的涂膜,有利于提高光泽。

3.3.3润湿剂的选择

涂料对基材表面的润湿是涂膜得到良好铺展并附着的前提,对涂层表面效果起决定性作用。溶剂型涂料可以通过不同溶剂的合理搭配来平衡涂料体系的表面张力而改善润湿能力,但水性亮光涂料以水为分散介质,而水的表面张力无法调整，却明显高于有机溶剂,造成喷涂时雾化不良,对基材的润湿能力差,涂膜从开始形成到干燥成膜的整个过程都存在表面张力不平衡的问题,导致涂膜容易出现流平不好、缩孔及缩边、起泡、浮色等各种表面缺陷,只能通过加入合适的润湿剂来降低水性亮光涂料体系的表面张力,帮助改善各组分间相容性及提高涂料的施工性能,增加涂料对底材的润湿铺展能力,确保水性亮光面漆能够充分润湿底材,同时配合流平剂使用消除或降低涂装过程中可能出现的各种表面缺陷,获得平整光滑的涂膜外观,提高丰满度和光泽,但润湿剂在降低体系表面张力的同时也有起泡和稳定气泡的作用而影响涂膜外观,应通过试验选择润湿效果好而起泡性低的润湿剂,本试验选择几种润湿剂进行测试,其对涂膜性能影响如下:

润湿剂对涂膜性能的影响

测试项目	润湿性	流平性	防缩孔	抗起泡性	光泽
1#	好	好	好	轻微气泡	90
2#	优	好	优	气泡多	90
3#	优	好	优	好	91
4#	优	优	优	优	93

由上表可见,4#润湿剂能够显著降低表面张力,可以提高亮光色漆的喷涂雾化效果及施工过程中的快速润湿能力,有效避免缩孔现象,配合流平剂使用可提供更好的流平效果,获得较高的光泽及丰满度,得到平整光滑的镜面即视感,而且对涂装过程中气泡的产生有一定抑制作用,具有极佳的涂饰效果。

3.3.4　流平剂的选择

亮光色漆喷涂后,必须具有良好的流平性,才能最终形成表观平整光滑、无缺陷的色彩鲜艳明亮漆膜。对于水性双组分聚氨酯亮光色漆而言,涂膜表面流平控制一直较为困难,经常容易出现桔皮现象,影响涂装效果。虽然润湿剂能够解决降低界面表面张力问题,但对涂膜出现的桔皮等表面缺陷无能为力,需要选择合适的流平剂配合润湿剂使用,才能降低亮光涂层的表面张力或者消除表面张力梯度,从而改善涂层的流平性和光滑感,获得良好涂装效果。本试验选取几种流平剂进行测试,它们对涂膜性能的影响见下表:

流平剂对涂膜性能的影响

流平剂	1#	2#	3#	4#	3#/4#
流平性	一般	好	优	一般	优
光泽	90	90	92	86	93
涂膜外观	轻微桔皮及缩孔	少量缩孔	轻微缩孔	少量桔皮	平整光滑

注:1#/2#/3#为有机硅流平剂,4#为丙烯酸类流平剂。

由上表可见,不同的流平剂对亮光色漆的涂膜性能影响差异较大,有机硅类流平剂可以大大降低涂层的表面张力,改善涂层的流平性,不过与涂料体系相容性较差,用量不当易产生缩孔现象。丙烯酸类流平剂通过消除涂层间的表面张力梯度来改善流平性,但容易产生雾影,降低涂膜光泽。两种类型流平剂单独使用时效果均不理想,而3#/4#配合使用时,能够避开各自本身的不足而产生协同增效作用,明显增加对底材的润湿性,显著改善流平和流动性,减少表面缺陷,增强涂膜表面的镜面效果,提高涂膜光泽及颜色鲜艳性,获得满意的涂装效果。

3.3.5 增稠剂的选择

增稠剂直接影响水性涂料的稳定性及表面涂装效果,由于羟基丙烯酸分散体的特殊性,水性双组分聚氨酯亮光涂料体系一般粘度较低,储存过程中容易出现颜料沉淀及施工流挂等不良现象,需要添加合适的水性增稠剂调节涂料的粘度和流变性,确保涂料贮存稳定,避免出现分层、沉淀现象,涂料施工时有良好的抗流挂性,同时不会影响流平性以及涂层光泽和鲜映性。水性涂料增稠剂通常有四种类型:无机增稠剂,纤维素醚增稠剂,碱溶胀丙烯酸增稠剂及聚氨酯增稠剂,它们对涂膜性能影响见下表：

增稠剂对涂膜性能的影响

测试项目	涂膜丰满度	流平性	防流挂性	耐水性	光泽	开罐效果
无机增稠剂	一般	一般	优	一般	89	差
纤维素醚	差	差	优	差	85	差
碱溶胀丙烯酸	一般	好	优	一般	90	一般
假塑型聚氨酯	好	好	好	优	92	好
牛顿型聚氨酯	优	优	一般	优	93	好
假塑型/牛顿型聚氨酯	优，镜面效果	优	好	优	93	好

由上表可见,无机增稠剂,纤维素醚增稠剂,碱溶胀丙烯酸增稠剂都具有较好的抗流挂性能,但喷涂时雾化效果差,出枪不流畅,不仅涂膜流平及丰满度欠佳,影响涂膜光泽,而且由于增稠后稳泡因素,固化后涂膜也容易产生针孔及痱子弊病,表面涂装效果不理想,也大大降低涂膜耐水性,在亮光体系中通常不使用。而聚氨酯增稠剂的分子结构中含有极性基团和疏水基团,具有一定的表面活性,在水性体系中分子链上的亲油基团可形成胶束,与丙烯酸分散体粒子缔合而形成网状结构增加体系粘度,其缔合作用是打开和缔合的动态作用,不会产生体积絮凝而阻碍涂料体系流动性,在喷涂施工时漆液很容易流进喷嘴,喷涂时较弱的剪切力就能分解缔合,降低体系粘度,获得出油顺畅,雾化良好的喷涂效果,具有良好的施工性,由于缔合增稠剂重新形成新的缔合需要一定时间,有较长时间给予湿膜流动和流平形成光滑平整的涂膜,有利于提高涂膜丰满度,改善涂膜手感及光泽。本试验采用假塑型聚氨酯增稠剂和牛顿型聚氨酯增稠剂的搭配使用,使亮光色漆体系具有优异的防沉效果,能够满足生产和施工时整个体系的流变特性,较好的平衡流平与防流挂难题,解决水性亮光色漆喷涂过程中容易出现的流挂以及镜框现象,提供良好的流动流平性,有利于涂膜快速消泡及脱泡,获得丰满及光泽高的平整涂层并减少增稠剂对涂膜耐水性的影响。

3.4　助溶剂的影响
助溶剂对水性双组分聚氨酯亮光色漆的涂装质量影响极大。助溶剂挥发过快会造成表干时间相对缩短,涂膜内部的小分子物质及反应产生的气体没有足够时间及通道扩散和释放而被封闭在涂膜中,随着温度升高会冲破涂膜表面而形成气泡及针孔等弊病,严重影响涂装效果,助溶剂挥发太慢则导致喷涂过程中容易出现流挂及涂膜干燥慢问题,水分在涂膜内滞留时间相应延长,也增加水与固化剂的副反应程度而消耗更多-NCO,降低涂膜性能及光泽,只有合理的使用助溶剂才能使水性亮光涂料具有良好的综合性能。良好的助溶剂一方面明显改善水性羟基丙烯酸分散体与固化剂的相容性,降低分散后混合物乳液粒子的粒径及涂料的最低成膜温度,提高施工宽容性,促进水性羟基丙烯酸分散体与固化剂粒子在成膜过程中能够充分扩散聚结,增大了包裹在粒子内部羟基的反应机会,有利于促进交联反应的充分进行,从而提高涂膜交联密度及密闭性,获得更高的光泽和硬度。另一方面也明显降低体系的表面张力,改善涂膜润湿性及流动性,同时合理控制着水的蒸发速度,在成膜过程中延长涂膜开放状态,确保涂膜有较长的流平时间,有助于小分子物质和气泡及时排出,防止痱子及针孔等不良情况的产生,赋予涂膜光滑平整的涂装外观。本试验选取几种常用的助溶剂进行测试,它们对涂膜性能的影响见下表:

助溶剂对涂膜性能的影响

测试项目	表干时间/min	流平性	涂膜丰满度	抗起泡性	光泽	硬度
二丙二醇甲醚	63	好	好	无气泡	91	B
二丙二醇丁醚	82	好	好	少许气泡	90	2B
丙二醇丁醚	40	一般	一般	无气泡	92	H
丙二醇甲醚丙酸酯	52	好	好	无气泡	93	HB
丙二醇丁醚/丙二醇甲醚丙酸酯	45	好	好	无气泡	93	H

由上表可见，采用丙二醇甲醚丙酸酯、丙二醇丁醚混合溶剂搭配使用，综合性能最佳,喷涂时具有较好的雾化效果,明显增加亮光色漆的润湿流平性,涂层具有合理开放时间,提高涂层流动性,确保涂膜颜色保持一致,获得较高光泽及硬度,涂膜具有镜面效果,并对生产过程中的抑泡性及施工时的消泡性均有帮助,减少厚涂时痱子产生的几率,成膜后又能够以较快速度从涂膜中全部挥发,不影响涂膜性能,保证了涂层的高装饰性,同时罐内气味及涂膜气味很小,对施工人员和消费者影响小,环保安全。

4 结语

通过选择合适的原材料制备的水性双组分聚氨酯亮光色漆,具较高的丰满度和光泽,色彩鲜艳明亮,提高了产品施工宽容性,降低了气泡、针孔、失光等涂装风险,实现了涂装效果与生产效率的最优化,解决家具企业的难点,降低VOC排放,为企业员工创造更健康、更安全的工作环境,并保持聚氨酯涂料的优良性能,满足家具高装饰性和环保性的要求,为消费者提供环保的绿色家具产品。

 

该文参加第十四届中国国际水性木器涂料发展研讨会，发表在中国涂料2021.6期