徐明磊，林争超，邓俊英，张鹏，乔义涛, 孙家宽(万华化学集团股份有限公司，国家聚氨酯工程技术研究中心)
摘要：以甲基丙烯酸甲酯(MMA)、丙烯酸丁酯(BA)、丙烯酸(AA)等单体为原料,引入室温自交联技术,通过核壳结构的设计,合成了用于户外木器涂料的水性丙烯酸酯乳液;并研究测试其应用在户外木器领域的性能特点.
关键词：水性丙烯酸酯乳液，室温自交联技术，核壳结构，玻璃化转变温度
前 言
水性木器涂料是一种以健康、环境友好著称的涂料，随着人们环保意识的提高和对健康的高度关注，以及水性木器涂料技术的进步，水性木器涂料已经成为涂料发展的趋势之一。水性木器涂料正因其所具有的低危害、低污染特性，将来必定会在家庭装饰和家具涂料市场占据很重要的地位。户外水性木器涂料的主要功能有：装饰性、耐水性、耐候性、韧性、环保安全，木器涂料还能够保护木材，有效延长木器的使用寿命。
本文介绍了一种用于户外木器涂料的水性丙烯酸酯乳液，通过将乳胶粒子设计成核壳结构并调节Tg和核壳比例来改善抗堆叠的性能，同时使涂膜具有一定的韧性，此外引入室温自交联技术用以提高耐水性，并对自交联单体的用量和在核壳中的不同分配进行了探索。在此基础上，对应用配方也做了相应研究。
一、 树脂合成
1.1 试验原料及参考配方(见表1)
1.2 核壳结构丙烯酸酯乳液的制备
在装有搅拌器、冷凝管、温度计的四口烧瓶中，加入一定量的去离子水、部分乳化剂和缓冲剂，形成均匀稳定的釜底料，水浴加热，升温到设定温度。将单体混合成预乳化液，在高速搅拌下将上述配好的混合单体加入，预乳化15 min，分别得到核层和壳层预乳化单体。将部分核层预乳化液单体加到四口烧瓶中，快速搅拌5 min后，降低搅拌速度，加入引发剂水溶液，引发聚合反应。当反应体系乳液变蓝且单体回流消失后，开始同步滴加剩余的核层预乳化剂和引发剂水溶液，滴加完并保温后，滴加壳层预乳化液和引发剂水溶液。完毕后氨水中和到pH值≈8.5，用200目滤网过滤，得到具有核壳结构的丙烯酸酯乳液。具体乳液技术指标见表2。
二、应用性能研究
水性户外木器涂料最主要的性能要求是：既要求涂膜具有突出的耐黄变性、耐水白性以及优异的柔韧性，又由于工厂化施工，要求涂膜具有优异的早期抗堆叠性。
2.1 核壳比例对抗堆叠的影响
为了实现抗堆叠性能，将乳胶粒设计为核壳双层结构，调节硬层和软层的比例，考察其对抗堆叠性能的影响结果。
测试方法：基材MDF，上1道封闭底漆，320目砂纸打磨；用150 μm湿膜制备器分别涂布被测涂料，然后将样板放置在50 ℃环境下，干燥0.5 h后，将样板取出放在室温条件下面对面呈“十”字型堆叠，并在上面加上相同质量的载荷，本试验载荷0.24 kg/cm2，见图1。具体抗堆叠性能指标见表3。
结果显示，核壳比例的改变对抗堆叠性能的影响比较明显。随着硬层比例的提高，抗堆叠性能明显改善；同时为了兼顾成膜性和VOC含量，故确定软硬层比例为10/3为最优。
2.2 玻璃化转变温度(Tg)对涂膜柔韧性的影响
在半户外水性木器涂料的性能中，拉伸强度和断裂伸长率非常重要。木材在吸湿和排湿的过程中，木材的尺寸会发生变化，所以要求涂膜要有弹性，才不易脱落和分离。通过对软层Tg的调节，可以实现拉伸强度和断裂伸长率的平衡，使涂膜具有一定的韧性和弹性。设计并合成了一系列不同软层Tg的乳液，考察Tg对拉伸强度和断裂伸长率的影响，见表4。
如表4所示，测试了不同Tg对拉伸强度和断裂伸长率的影响。由于核壳结构和加入室温自交联单体的原因，拉伸强度并没有随着Tg的提高而增大，断裂伸长率也没有随着Tg的降低而增大，这是核壳结构和加入室温自交联单体带来的非常特殊的一点。由表4所示，当Tg在15 ℃时，拉伸强度和断裂伸长率都达到了最优值。
2.3 室温自交联单体的用量对耐水性的影响
乳液合成过程中加入的室温自交联单体，在成膜过程中交联，提高涂膜的致密性，从而对耐水性产生影响。在乳液合成过程中添加不同量的室温自交联单体，考察室温自交联单体的加入量对耐水性的影响。
测试方法：松木基材，320目砂纸打磨进行处理，整体涂装2道，每道80 g/m2，头道35 ℃干燥1 h，次道50 ℃干燥1 h之后放置室温养护隔夜，将样板浸水48h，观察涂膜表面变化情况，见图2、表5。
结果如表5所示，室温自交联单体的加入对耐水性的提高非常明显，当室温自交联单体的加入量为3%时，耐水性已经达到性能要求。
表5 室温自交联单体的加入量对耐水性的影响
本研究还针对室温自交联单体在核壳层的不同分布进行了探索，分别将室温自交联单体只在核层引入、只在壳层引入以及在核层壳层按照不同比例分配引入。结果发现，将交联单体全部引入在核层对耐水性改善最明显。
2.4 涂膜耐黄变性测试
照射到地面的阳光仅含5%的紫外线，但因其能量大，是引起涂膜老化的主要因素之一，大大缩短了户外制品的使用寿命。涂膜光老化主要是由于发生光氧化反应所致, 在水性木器涂料中，特别是户外产品，提高涂膜抗紫外线是延长涂料老化的关键。苯乙烯耐水性好但是耐黄变差，本试验研究了不同含量苯乙烯对耐水性和耐黄变性的影响。
通过QUV加速老化试验机测试其涂膜黄变性能。测试条件：UVA340灯管，辐射照灯能量0.68 W/m2，试验周期为8 h UV光照(60±3) ℃、4 h冷凝水(50±3) ℃，连续照射168 h；测试基材为松木，在室温养护7 d。
测试方法：失光率、色差ΔE的计量及对应的失光程度和变色程度评定按GB/T 1766—1995执行。失光、变色程度等级评定：0级为无失光/无变色；1级为很轻微失光/很轻微变色；2级为轻微失光/轻微变色；3级为明显失光/明显变色。
结果如表6所示，随着苯乙烯含量增加，所得乳液的涂膜失光率无明显变化，早期耐水性越好，但是耐黄变性越差。选苯乙烯含量在10%时，涂膜早期耐水性优异且黄变等级为0级。
2.5 户外水性木器涂料配方与性能
根据以上试验结果，合成开发了可以应用在户外木器领域的丙烯酸乳液，户外水性木器涂料具体配方如表7所示，测试性能见表8。
用表7配方配漆，制作样板，养护后放在户外曝晒。经过半年时间，观察样板无开裂、粉化、起泡、剥落等现象，能够有效保护木材不受自然侵害，见图3。
三、结 语
通过以上研究与测试可以得出：设计乳液核壳结构，调节单体种类及比例，合成开发出一款具有极佳的耐水性、耐黄变性及柔韧性，并且能满足工厂化快速施工的丙烯酸乳液，适用于户外木制品如木建筑、木栅栏、木门窗、户外木家具等的保护和涂装。
文章发表于《中国涂料》2015年8期
(0)
