水性UV木器涂料的最新发展

wyj7506 · 发表于 2008-5-12 20:21:15

前言
目前，木器涂料市场有许多不同的涂料体系：
单组分水性丙烯酸树脂和聚氨酯分散体；
单组分硝化纤维基产品；
单组分和双组分酸性固化漆；
双组分醇酸树脂基或丙烯酸树脂基聚氨酯；
双组分不饱和聚酯；
UV固化树脂。
UV固化涂料因其优异的耐化学腐蚀和快速固化等特性，在涂料领域中发挥着越来越重要的作用。从生态环境方面来看，随着对有机溶剂排放的立法限制，该技术中的无溶剂配方显得越来越重要。
现有的UV固化体系已经满足了木器涂料市场的许多常规要求，例如：
卓越的反应活性（＞10m/min/1Hg灯）
极好的耐化学腐蚀性
满意的柔顺性
低黄变
良好的打磨性
很好的耐磨性
可调的光泽度（高光泽，中光泽，无光泽）
涂层易修复性
低温稳定性
但是有两个要求是这些无溶剂UV漆体系很难满足的：
对于各种各样低粘度应用体系（特别是喷涂和真空技术）来说：为了将体系粘度降低到一个合适的水平，体系中加入了大量的反应性稀释剂，这些稀释剂会影响和改变漆的性质；同时，由于大多数反应性稀释剂具有刺激性，在喷涂时可能会产生一些有害气体。
另一点是，很难得到表面平滑且100%开孔的涂层。
十年前，有人发现水是一种很好的溶剂。在不添加有机溶剂或反应性稀释剂的条件下，它可以降低不挥发物质的用量，同时将粘度调节到一个适合的水平。

水性UV固化树脂的历史：
第一代：外乳化产品
外加表面活性剂（乳化剂）和高剪切力可以弥补传统UV固化树脂的水稀释性。
这些乳化液具有相对高的固体含量，但是它们对PH值和碾磨应用过程的剪切力变化很敏感。
第二代：原子化（非离子化）稳定产品
为了避免使用外加表面乳化剂，聚合物中引入了聚乙二醇结构。但是由于聚合物骨架上有亲水性结构，与传统UV固化树脂相比，这类产品表现出很低的耐化学药品性。
第三代：自乳化，离子稳定产品

众所周知，自乳化体系可以通过在聚合物骨架上结合离子基团来实现，在与相反离子中和后赋予整个聚合物水溶性。这类产品具有很好的乳化性能，同时具有很好的剪切稳定性；另外，由于其粒子尺寸小因而具有优良的润湿性能。
考虑以上提到的木器市场对UV固化树脂的基本要求，用碱来中和用羰基稳定的聚氨基丙烯酸酯将会是一种最佳解决方法。
图1为聚合物的结构示意图。

图1：自乳化UV聚氨酯丙烯酸酯结构示意图

通过对原材料的选择，可以合成出无黄变和物理干燥类产品。这些分散体系具有剪切稳定性，同时也有很好的冰冻/解冻性能。因此，可以实现有色涂料的研磨，避免了颜料的粘结，与其他水性体系的相容性也非常好。
利用这些新产物，有利于木器涂料的水性UV固化产品的研制。

新型水性产品与传统UV固化体系的比较
低粘度应用
水性产品可以用于很多低粘度用途中（特别是喷涂）：在不改变涂料性质的同时，水可以很容易地调节体系的粘度；而传统体系通过加入活性稀释剂来降低粘度会改变最终产物的性质。
与溶剂性体系类似，水性漆在固化前也需要经历一个快速干燥过程。
反应活性、化学稳定性和打磨性
它们在反应活性、化学稳定性和打磨性方面没有明显区别。
对不同水性产物的比较研究表明抗化学药品性（例如丙酮）与聚合物的骨架结构和交联密度有关。
光泽度和耐磨性
为达到相同的光泽度，水性UV涂料与100%固体分体系相比，加入的消光粉用量要低得多。新产品的耐磨性很容易达到很高的水平，而普通类型需要通过很多配方工作才能达到这个水平。
粘接性和弹性
新型产品同非水性产品相比，一个最显著的优点就是不仅对木器，而且对金属和塑料都有很好的粘接性能。
由于新产品的平均分子量高、交联密度低，因此新产品固化时的体积收缩也非常低。在聚合物骨架中结合一些增加粘结性的结构（氨基、离子基团）会使其在不同基材上的粘接性能大大提高。
良好的硬度和耐磨性与足够的弹性结合使其可以在“硬币硬度、耐磨测试”中得到很好的结果。
由于同样的原因，这些产品可以同时用于底漆和面漆涂料中。
生态性和毒性
水性产品即使在喷涂中也可以实现VOC的零排放，有时也会加入少量有机溶剂来增强流平性或对基材的润湿性。总之易挥发有机化合物的用量大大减少，增强了UV技术的生态友好性。
另一方面，对新型UV分散体系进行了皮肤和眼睛刺激性检测，没有发现过敏性现象；这是由于聚合物的平均分子量很高，并且不含残留单体。因此此类产品无毒，在喷涂过程中也不会产生有害健康的气体。
回收利用和经济效应
通过湿对湿法可以实现多余喷涂物的循环利用，但是这种方法非常严格，实际应用非常困难。
水性体系的另一种回收方法是，把多余喷涂物用刮刀从传送带上收集。用这种方法收集的漆材料用水再乳化，再经过一些后处理（过滤），这些回收的原料就可以重复使用了。
新的分散体系在高度稀释下也很稳定，因此这些产品可用超滤装置回收。在喷涂台内用水帘来收集多余喷涂物。高度稀释的漆被送入一个超滤装置内，它将小分子水从大的聚合物液滴中分离出来。稀释的漆通过这个膜进行循环，直到达到最初的固体含量；最终得到的水过滤液由喷涂台中的水帘带回。循环得到的漆可以不经过进一步的处理直接使用而不需要加入任何添加剂或是光引发剂。
图2是循环机理的原理图；表1给出了超滤后得到的滤液组成。

图2：喷涂循环超滤装置示意图

一个工业中采用循环超滤装置回收多余喷涂物的经济和生态学效应如下：
在一个工业应用涂料生产线中，漆体系从溶剂性变为水性UV漆。在粘接性、耐磨性和黄变性方面，新型水性体系涂料都有少量提高。
用户根据表1给出的数据计算得到结果：虽然他必须投资一台超滤设备和一台除去水中矿物质的设备，但是他也仅需要两年就可以还清贷款。

表1：溶剂及水性涂料的对比

	溶剂性UV涂料	水性UV涂料
非挥发成分	39％	42%
喷射物	100％	0.9%
涂料在喷室中的损失	100％	6.1%
涂料的消耗/年	70吨	30吨
废涂料的处理费	有	（无）
废漆凝结添加剂	有	无
稀释、清洁用有机溶剂	有	无
超滤装置的花费	有	有

与非UV树脂结合
新型水性分散体系和其它水性体系有很好的相容性，它们可以和丙烯酸分散物、水性聚氨酯或醇酸树脂乳化液结合。结果可以得到具有新性能的UV固化涂料：例如，与丙烯酸或醇酸树脂结合可以得到很好的户外性能；加入聚氨酯分散物可以得到优异的塑料和金属粘接性。

最新进展
聚氨酯丙烯酸酯
水中含40%固体的树脂
粘度大约为2000mPas/23℃
物理干燥快速脱水
良好的润湿性能

结论
水性UV漆由于其生态和毒性原因（喷涂漆无溶剂，没有皮肤和眼睛刺激性）在涂料工业领域有很好的应用前景。
从技术角度来看，通过与水性丙烯酸酯、聚氨酯或醇酸树脂的结合可以得到与基材良好的粘接性、易消光、柔顺性等优点。
此外，新产品可以进行回收利用也显得非常重要。